一种无人搜排爆机器人系统及其工作方法

摘要

本发明公开一种无人搜排爆机器人系统及其工作方法，系统包括无人搜排爆机器人本机平台和智能指挥中心；无人搜排爆机器人本机平台包括行走平台、第一柔性机械手爪、第二柔性机械手爪、专用工具库、视觉感知子系统、导航定位子系统、双机械臂协同控制子系统；所述智能指挥中心包括中心电脑、人机交互子系统和专家知识系统；智能指挥中心通过与无人搜排爆机器人本机平台进行通信传输；由智能视觉模块提供目标与设备的精确定位，引导双机械臂协同配合完成搜排爆任务，解决目前搜排爆机器人智能化程度不高、执行任务精细程度不够的问题，可满足复杂作业环境下排爆任务精细化的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及移动机器人技术领域，具体涉及一种无人搜排爆机器人系统及其工作方法。

背景技术

无人搜排爆系统基于拟人化的泛感知手段和智能分析，以智能机器人代替排爆人员，使用专用设备和排爆工具完成搜排爆作业任务，将人从危险作业任务中完全解放出来。

目前，搜排爆机器人中部分设备虽配备视觉系统，或以单目视觉的图像检测和定位为主，或大多只作为监控功能使用，操作人员在实践过程中无法在现场进行标定，抓取精度较低、力度控制不够准确，造成智能化水平较低；而且，国内搜排爆机器人也一般为单臂，各关节姿态调整的动作慢、耗时长。虽然国内的搜排爆机器人系统可较为稳定的抓取物品，但抓取机构的灵活度、精细程度有待提升。

发明内容

为克服现有针对现有技术存在的不足，本发明目的在于提供一种无人搜排爆机器人系统及其工作方法，解决现有搜排爆机器人智能化程度不高、执行任务精细程度不够的问题。

为解决上述技术问题本发明采用如下技术方案：

一种无人搜排爆机器人系统，包括无人搜排爆机器人本机平台和智能指挥中心；

所述无人搜排爆机器人本机平台包括行走平台、第一柔性机械手爪、第二柔性机械手爪、专用工具库、第一网桥、第一交换机、视觉感知子系统、导航定位子系统、双机械臂协同控制子系统和驱动子系统；

所述视觉感知子系统、导航定位子系统、双机械臂协同控制子系统和驱动子系统分别与第一交换机连接并通过第一交换机进行信息交互；第一柔性机械手爪、第二柔性机械手爪、专用工具库和行走平台与均第一交换机连接、并通过视觉感知子系统、导航定位子系统、双机械臂协同控制子系统和驱动子系统进行驱动控制；

所述第一网桥与第一交换机连接，所述第一交换机用于获取第一网桥接收到的智能指挥中心发送的指挥控制指令，并将指令分发至无人搜排爆机器人本机平台各子系统以及接收无人搜排爆机器人本机平台各子系统回传的数据处理信息，并将数据处理信息发送至第一网桥；

所述智能指挥中心通过所述第一网桥与所述无人搜排爆机器人本机平台进行通信传输，第一网桥用于接收智能指挥中心发送的指挥控制指令，以及向智能指挥中心传输视频及数据处理信息；

所述智能指挥中心包括中心电脑、第二交换机、第二网桥、人机交互子系统和专家知识系统；所述中心电脑、第二网桥、人机交互子系统和专家知识系统通过第二交换机连接进行信息交互，中心电脑用于将指挥控制指令通过第二交换机发送至第二网桥，并通过第二交换机获取经由第二网桥从第一网桥接收到的回传数据处理信息；

视觉感知子系统用于对搜排爆机器人周围环境进行拍摄，并通过图像处理获取疑似爆炸物的三维外观及位置信息，以及，将拍摄到的图像信息、数据处理信息通过第一交换机回传至智能指挥中心；

导航定位子系统获取自身位置姿态信息，并进行路径规划给出行走平台的运动控制指令，并将数据处理信息交互给驱动子系统，以及将数据处理信息通过第一交换机回传至智能指挥中心；

双机械臂协同控制子系统对目标关键部位进行智能判断给出指挥控制指令，并将数据处理信息交互给驱动子系统以及将数据处理信息通过第一交换机回传至智能指挥中心；

驱动子系统接收导航定位子系统交互的运动控制指令，用于驱动行走平台，以及接收双机械臂协同控制子系统交互的指挥控制指令驱动第一柔性机械手爪、第二柔性机械手爪和专用工具库协同作业；

人机交互子系统用于实时显示各传感器运行状态并将第二交换机回传的数据处理信息可视化，以及通过第二交换机把人直接输入的指挥控制指令发送至中心电脑；

专家知识系统根据第二交换机接收到的视觉感知子系统回传的图像数据，自主筛查、判断爆炸物类型，以及推荐最优处置方案，并将数据处理信息传输至双机械臂协同控制子系统指导第二柔性机械手爪和专用工具库进行协同排爆作业。

进一步，所述视觉感知子系统包括双目可见光相机模块和多自由度视觉承载平台，双目可见光相机模块安装在多自由度视觉承载平台上，用来进行三维场景重构、目标位置精确定位和感兴趣作业对象特征提取。

进一步，所述导航定位子系统通过多传感器信息融合技术将传感器信号进行分析处理得出自身位置姿态信息。

进一步，所述导航定位子系统包括惯性传感器、北斗卫星导航系统定位模块和激光雷达，实现对无人搜排爆机器人的位置、姿态测量，以及障碍物信息探测。

进一步，所述双机械臂协同控制子系统基于多传感器信息融合技术所生成的三维目标影像实现对目标关键部位进行智能判断。

进一步，所述双机械臂协同控制子系统包括机械臂运动路径规划模块、机械臂协同作业模块、可更换多功能机械手设计与控制模块和坐标系校准及多坐标系转换模块；

机械臂运动路径规划模块根据任务场景，智能规划双机械臂最优路径；

机械臂协同作业模块实现双机械臂在探测识别、处置过程中的协同作业与控制；

可更换多功能机械手设计与控制模块针对专业探测设备及爆炸物处置场景，设计机械手抓取机构，兼容多种处理工具，并能够执行精准控制；

坐标系校准及多坐标系转换模块对机械臂的坐标进行校准及多单元坐标系间的转换。

进一步，专家知识系统还能有用于对各种爆炸物离子谱、荧光谱与X光成像进行统一存储、归类，将每次检测结果添加至云端数据库；

建立设备控制、处置方案的归档、整理系统，处置过程中由系统自动选取、推荐最优的处置方案；

基于自主学习、人机辅助决策和快速推理机制，建立爆炸物搜索、识别、处置专家库系统。

一种无人搜排爆机器人系统的工作方法，具体包括以下步骤：

1)、机器人进入现场，视觉感知子系统智能分析场景信息，对场景进行三维重构，基于专家知识系统识别疑似爆炸物，并确定疑似爆炸物探测区域；

2)、导航定位子系统进行路径规划，引导无人搜排爆机器人本机平台移动至探测工作区；

3)、视觉感知子系统进行视觉定位和特征提取，确定疑似爆炸物精确位置；

4)、双机械臂协同控制子系统控制第一柔性机械手爪和第二柔性机械手爪分别采用拟人化传感设备探测和专业设备探测，必要时，视觉引导机械爪拆除表面遮蔽物，确定疑似区是否有爆炸物；

5)、无人搜排爆机器人本机平台移动至爆炸物位置处，进行近距离探测，第一柔性机械手爪进行光学分析、精准定位，视觉引导第二柔性机械手爪抓取专用探测设备进行探测；

6)、双机械臂协同控制子系统进行探测路径规划，控制第一柔性机械手爪和第二柔性机械手爪完成探测，识别化学性质及类别；

7)、人工后台确认，是否采用简易处置方案，若是，则双机械臂进行简易处置作业，若否，则智能指挥中心进行人工后台确认处置方案；

8)、智能指挥中心确认处置方案后，视觉感知子系统智能处理引导第二柔性机械手爪抓取专用探测设备；

9)、智能指挥中心规划处置路径，同时实时显示操作画面；

10)、人工后台确认后，双机械臂进行处置作业，任务结束。

本发明具有以下优点：

本发明的无人搜排爆机器人系统由智能视觉模块提供目标与设备的精确定位，引导双机械臂协同配合完成搜排爆任务，解决目前搜排爆机器人智能化程度不高、执行任务精细程度不够的问题，其无人搜排爆机器人本机平台和智能指挥中心通过有线连接通信，机载摄像头、测控数据和中心电脑均在同一局域网内通信，通信链路可靠，可有效克服无线通信鲁棒性不高的问题。

本发明的无人搜排爆机器人系统，其视觉感知子系统，基于三维视觉的目标智能识别与定位技术，可进行三维场景重构、目标位置精确定位和感兴趣对象特征提取，能准确获取疑似爆炸物的三维信息和位置。

本发明的无人搜排爆机器人系统，其双机械臂协同控制子系统，基于双机械臂协同控制技术，实现双机械臂运动路径规划，可精准控制双机械臂在探查识别、处置过程中协同作业，同时可针对不同处置场景，从专用工具库中选取处理工具，执行精准控制。

本发明中搜排爆机器人系统针对作业环境复杂及排爆任务精细化的需求，通过三维场景智能分析重构、智能图像识别、自主路径规划、多传感器信息融合等多项关键技术可实现“探”-“识”-“排”的全流程无人化，“探”阶段在已确定的任务范围内，确认爆炸物的有无；“识”阶段通过精确辩识，明确爆炸物的类型、物理化学特性、起爆方式；“排”阶段实现对爆炸物的拆除等处置能力，可满足复杂作业环境下排爆任务精细化的需求。

附图说明

图1是本发明实施例中一种无人搜排爆机器人系统的结构框图；

图2本发明实施例中一种无人搜排爆机器人系统的工作流程图；

图中：1-无人搜排爆机器人本机平台，101-行走平台，102-第一柔性机械手爪，103-第二柔性机械手爪，104-专用工具库，105-第一网桥，106-第一交换机，10-视觉感知子系统，20-导航定位子系统，30-双机械臂协同控制子系统，40-驱动子系统，2-智能指挥中心，201-中心电脑，202-第二交换机，203-第二网桥，50-人机交互子系统，60-专家知识系统。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

参照图1，示出了本发明实施例中一种无人搜排爆机器人系统的结构框图。在本实施例中，所述无人搜排爆机器人系统包括无人搜排爆机器人本机平台1和智能指挥中心2。

无人搜排爆机器人本机平台1具体包括行走平台101、第一柔性机械手爪102、第二柔性机械手爪103、专用工具库104、第一网桥105、第一交换机106、视觉感知子系统10、导航定位子系统20、双机械臂协同控制子系统30和驱动子系统40。

智能指挥中心2通过所述第一网桥105与所述无人搜排爆机器人本机平台1进行通信传输；其中，所述第一网桥105用于接收智能指挥中心2发送的指挥控制指令，以及，向智能指挥中心2传输视频及数据处理信息。

在本实施例中，所述第一交换机106用于获取第一网桥105接收到的智能指挥中心2发送的指挥控制指令，并将指令分发至视觉感知子系统10、导航定位子系统20、双机械臂协同控制子系统30和驱动子系统40；以及，接收视觉感知子系统10、导航定位子系统20、双机械臂协同控制子系统30和驱动子系统40回传的数据处理信息，并将数据处理信息发送至第一网桥105。

视觉感知子系统10、导航定位子系统20、双机械臂协同控制子系统30和驱动子系统40分别与第一交换机106连接；视觉感知子系统10、导航定位子系统20、双机械臂协同控制子系统30和驱动子系统40通过第一交换机106进行信息交互。

第一柔性机械手爪102、第二柔性机械手爪103和专用工具库104与行走平台101刚性连接。第一柔性机械手爪102、第二柔性机械手爪103和专用工具库104和行走平台101通过视觉感知子系统10、导航定位子系统20、双机械臂协同控制子系统30和驱动子系统40进行驱动控制。

智能指挥中心2包括中心电脑201、第二交换机202、第二网桥203、人机交互子系统50和专家知识系统60。中心电脑201、第二网桥203、人机交互子系统50和专家知识系统60通过第二交换机202连接进行信息交互。中心电脑201用于将指挥控制指令通过第二交换机202发送至第二网桥203，并经过第二网桥203将指挥控制指令发送至第一网桥105；以及，通过第二交换机202获取经由第二网桥203从第一网桥105接收到的回传数据处理信息。

无人搜排爆机器人本机平台1和智能指挥中心2通过所述第一网桥105和第二网桥203进行通信传输。

视觉感知子系统10用于对搜排爆机器人周围环境进行拍摄，并通过图像处理获取疑似爆炸物的三维外观及位置信息，以及，将拍摄到的图像信息、数据处理信息通过第一交换机106回传至智能指挥中心2。

优选的，视觉感知子系统10可以包括双目可见光相机模块和多自由度视觉承载平台。双目可见光相机模块安装在多自由度视觉承载平台上，用来进行三维场景重构、目标位置精确定位和感兴趣作业对象特征提取。

导航定位子系统20，通过多传感器信息融合技术将传感器信号进行分析处理，从而得出自身位置姿态信息，并进行路径规划，给出行走平台101的运动控制指令，并将数据处理信息交互给驱动子系统40，以及，将数据处理信息通过第一交换机106回传至智能指挥中心2。

优选的，导航定位子系统20可以包括：惯性传感器、北斗卫星导航系统定位模块和激光雷达等，可实现对无人搜排爆机器人的位置、姿态测量，以及，障碍物信息探测。

双机械臂协同控制子系统30，结合多传感器信息融合技术所生成的三维目标影像，对目标关键部位进行智能判断，给出指挥控制指令，并将数据处理信息交互给驱动子系统40，以及将数据处理信息通过第一交换机106回传至智能指挥中心2。

具体的，双机械臂协同控制子系统30，可以包括机械臂运动路径规划模块、机械臂协同作业模块、可更换多功能机械手设计与控制模块和坐标系校准及多坐标系转换模块。机械臂运动路径规划模块，根据任务场景，智能规划双机械臂最优路径；机械臂协同作业模块，可实现双机械臂在探测识别、处置过程中的协同作业与控制；可更换多功能机械手设计与控制模块：可针对专业探测设备及爆炸物处置场景，设计机械手抓取机构，兼容多种处理工具，并能够执行精准控制；坐标系校准及多坐标系转换模块，对机械臂的坐标进行校准及多单元(视觉感知单元、机械臂单元等)坐标系间的转换，保证探测识别或处置作业的位置精确。

驱动子系统40接收导航定位子系统20交互的运动控制指令，用于驱动行走平台101；以及，接收双机械臂协同控制子系统30交互的指挥控制指令，驱动第一柔性机械手爪102、第二柔性机械手爪103和专用工具库104协同作业。

人机交互子系统50用于实时显示各传感器运行状态，并将第二交换机202回传的数据处理信息可视化，以及，通过第二交换机202把人直接输入的指挥控制指令发送至中心电脑201。

专家知识系统60根据第二交换机202接收到的视觉感知子系统10回传的图像数据，自主筛查、判断爆炸物类型，以及，推荐最优处置方案，并将数据处理信息传输至双机械臂协同控制子系统30，指导第二柔性机械手爪103和专用工具库104进行协同排爆作业。

具体的，专家知识系统60，可实现：1)对各种爆炸物离子谱、荧光谱与X光成像进行统一存储、归类，将每次检测结果添加至云端数据库；2)建立设备控制、处置方案的归档、整理系统，处置过程中由系统自动选取、推荐最优的处置方案；3)基于自主学习、人机辅助决策和快速推理机制，建立爆炸物搜索、识别、处置专家库系统。

参照图2，示出了本发明实例中一种无人搜排爆机器人系统的工作流程图，具体包括以下步骤：

1)机器人进入现场，视觉感知子系统10智能分析场景信息，对场景进行三维重构，基于专家知识系统50识别疑似爆炸物，并确定疑似爆炸物探测区域；

2)导航定位子系统20进行路径规划，引导无人搜排爆机器人本机平台1移动至探测工作区；

3)视觉感知子系统10进行视觉定位和特征提取，确定疑似爆炸物精确位置；

4)双机械臂协同控制子系统30控制第一柔性机械手爪102和第二柔性机械手爪103分别采用拟人化传感设备探测和专业设备探测，必要时，视觉引导机械爪拆除表面遮蔽物，确定疑似区是否有爆炸物；

5)无人搜排爆机器人本机平台1移动至爆炸物位置处，进行近距离探测，第一柔性机械手爪102进行光学分析、精准定位，视觉引导第二柔性机械手爪103抓取专用探测设备进行探测；

6)双机械臂协同控制子系统30进行探测路径规划，控制第一柔性机械手爪102和第二柔性机械手爪103完成探测，识别化学性质及类别；

7)人工后台确认，是否采用简易处置方案，若是，则双机械臂进行简易处置作业，若否，则智能指挥中心2进行人工后台确认处置方案，如转移、销毁、拆除或失效等；

8)智能指挥中心确认处置方案后，视觉感知子系统10智能处理，引导第二柔性机械手爪103抓取专用探测设备；

9)智能指挥中心2规划处置路径，同时实时显示操作画面；

10)人工后台确认后，双机械臂进行处置作业，任务结束。

参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明要求范围当中。