专利名称：一种灭火机器人系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用机器人技术实现日常环境的自动灭火。
背景技术：
机器人技术被认为是20世纪人类最伟大的发明技术之一。经过近40余年的发展， 机器人技术日渐成熟，其中工业机器人已经广泛应用于汽车制造行业、机械加工行业、电子 电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中，而各种用途的特种机 器人也进入快速发展模式，在军事、城市防爆、家政等几个领域特种机器人开始发挥重要作用。机器人的成长大致可以分为三个阶段第一阶段为简单个体机器人，第二阶段为 群体劳动机器人，第三阶段为类似人类的智能机器人，它的未来发展方向是有知觉、有思 维、能与人对话。计算机技术和人工智能技术的快速发展给机器人技术带来了巨大的拓展 空间。现代智能机器人已经具备了存储知识，对外界的感知和自我决策的能力。现代智能 机器人一般由三大部分组成运动部分、智能部分和感觉部分。运动部分主要依靠行走机 构、机械手、手爪等机械机构实现；智能部分主要通过计算机对存储信息和外界信号的处理 实现认知能力、学习能力、思维能力和决策能力；感觉部分主要依靠摄像头、麦克风、红外传 感器等装置实现外界信号的采集。由于机器人具有在危险条件下工作的优点，因此在防火和防爆方面具有具大的应 用前景。现在灭火机器人可以实现爆炸物拆除、转移和深入火场近距离扑灭火源的功能。但 现在灭火机器人在应用上还不够普及，个人认为这主要是因为现在灭火机器人的设计思路 上存在以下2个问题(1)过分注重改进机器人的智能化而忽视机器人和周围环境的配合。 科学技术的发展是循序渐进的，机器人的智能化也是要逐步前进的，机器人智能也很难的 迅速提高到可以处理各种复杂环境的地步。但是机器人发挥功能不但跟机器人的智能水平 有关也和工作环境有关，科学合理改造机器人的工作环境可以使得在现有机器人技术下最 大程度发挥机器人的工作能力。(2)过分注重单个超强能力机器人的开发而忽略功能实用 机器人的推广。从实用角度看，现在不仅缺乏能够处理极端条件下的高智能机器人，更需要 在日常环境下能发挥作用的普通功能型机器人。改变设计思路，合理平衡机器人智能和使 用环境，利用现在的机器人技术完全可以设计出承担日常环境下灭火任务的机器人系统。
发明内容
本发明提供一种利用增加地面导向线和位置标的环境改造方法以及远程监控技 术实现日常环境下灭火功能的机器人系统。主要内容包括(1)在地表面合理设置地面导向线和位置标识。通过地面的导向线和位置标识可 以将二维的环境地图简化为一维的位置坐标，这样不但可以降低工作环境对机器人智能水 平的要求，减少机器人出现路线错误的机会，同时依靠导向线和位置标识还可以大大提高 机器人的移动速度和位置判断。如同交通标志一般，如果建立统一导向线和位置标识标准，则大大增加灭火机器人的通用性，在机器人更换工作环境时只需更换控制电脑中的环境地 图。(2)建立机器人远程通信和人工控制系统。现在监控系统和火灾报警系统已经成 为大型商场和办公场所必备安全设备，只需将监控系统、火灾报警系统与机器人无线摄像 头、无线通信系统相结合就能实现灭火机器人的自动灭火和人工远程控制。自动灭火即火 灾报警系统将发生火灾的地点通过无线通信告知机器人，则机器人能够自动到达出事地点 并扑灭火灾。监控系统切换到机器人无线摄像头可以实时监控灭火情况，一旦出现复杂情 况还可以将机器人控制模式切换到人工控制模式。这无疑增加了机器人控制的灵活性，也 有利于火灾救援队到达后与灭火机器人的联合工作。这种内外结合、人工结合的模式可以 大大提高消防灭火灵活性、保障消防人员安全和对火灾的提前控制。同时日常的监控人员 在经过一定的人机结合培训后也能担负其早期火灾的扑灭工作，这从火灾扑救上看将是有 重大发展前景和意义重大的。(3)灭火功能型机器人。为了与地面导向线、标识系统和远程控制系统相配合，本 设计中的机器人包含地面标识感应探头阵列、温度感知系统、动力控制系统、灭火剂储存罐 和切换系统、无线摄像头和无线通信模块、主控系统、灭火剂喷头和其控制系统。与目前现有的灭火机器人系统相比本机器人系统有以下几个特点(1)对于机器人的推广应用，本发明转换设计思路，合理设计降低了环境的复杂 度，进而降低对机器人的智能要求，而导航系统的简化也可以减少故障概率。这对机器人的 普及有重要意义。(2)地面导航系统的建立大大提高了机器人运行速度，同时环境地图的设置可以 提高机器人的通用性。(3)自动控制模式和远程人工控制模式的灵活切换模式既保证了机器人的独立性 又能够应对复杂环境和紧急事态。灵活的控制模式和导航系统可以保证机器人系统适用范 围更广，可以在大型商场、办公场所和仓库等大多数日常环境下使用。(4)本机器人的灭火系统可以实现多种类灭火剂的切换可以适应各种火灾的灭火。(5)本机器人系统与火灾报警系统相结合可以高效完成无人值守情况下火灾的扑 灭任务，并且根据情况可以减少水喷淋系统或者泡沫系统灭火，只需安装感烟或感温火灾 报警系统，可以降低消防成本。
图1为本发明中建筑物导向线和位置标识示意图，其中1为机器人待命区，2为导 向线，3为普通危险物，4为严重危险物，5为重要危险物。图2为本发明防火机器人结构示意图，其中1为无线摄像头，2为灭火剂喷头，3为 主控电路系统，4为灭火剂存储罐，5为光电探头阵列位置，6为温度传感器，7为距离传感 器，8为光电探头阵列，9为导向线。图3为本发明机器人系统工作流程图
具体实施例方式本机器人不是越障型机器人所以对地面的有一定要求，并且需要远程控制系统配
4合，因此首先要求工作环境地面尽量平整，不能出现30度以上坡度；其次工作场地要有监 控系统和火灾报警系统。从现代城市的日常工作环境看，这两条要求是极易满足的，这也表 示本发明有很广的适用范围。本发明的详细实施方式进一步详述如下第一步实现工作环境的改造。如附图1所示，在工作环境的地面上画上规划好 的导向线和位置标识符。这种导向线一般可以采用白线或者黑线，在机器竞赛领域这种标 识线的设置和识别技术是相当成熟的。如果考虑美观性可以采用其他颜色或者形式的导向 线。环境位置标识的设计和火灾危险性评估相结合，将不同火灾危险等级区域匹配上不同 的位置标识符。第二步建立环境导航地图。在实现环境改造后，将建筑地图和导向线和位置标识 相融合可以得到机器人导航地图，将此导航地图输入机器人存储模块，这地图将是机器人 自动控制模式下主要的运动控制参考。此导航地图有极好的可拓展性，比如建筑物内可燃 物品位置信息和重要设备位置信息等特征加入地图可以实现机器人对环境危险度的自动 评级，实现机器人智能监控。在统一环境标识条件下，机器人更换工作环境只需将导航地图 更换即可。第三步建立机器人系统和监控系统、火灾报警系统的无线联系。将机器人无线摄 像头加入工作场所监控系统，在需要监视机器人操作时只需切换监控画面即可。在发生火 灾情况下，火灾报警系统将火灾发生的位置坐标传输给机器人，灭火机器人既可实现自动 到达火灾区域，通过温度传感器定位火源，选择匹配灭火剂灭火。第四步建造灭火机器人物理实体。如图2所示，本机器人可以分为运动系统、智 能控制系统、环境感知系统、无线通讯系统和灭火系统五大系统。机器人运动系统采用直流 电机驱动轮式行进模式，这种模式具有运动速度快、稳定和成本低的优点，在导向线和位置 标识的辅助下，机器人完全可以达到任务要求。如果需要提高机器人运动精度还可以在运 动系统基础上增加陀螺仪和码盘。环境感知系统包括导向线识别探头阵列、距离传感器、温 度传感器和无线摄像头。导向线识别探头的工作原理是通过对地面反光度的不同来却分导 向线和地面，这种阵列模块根据导向线的不同可以选择不同的识别原理。距离传感器和温 度传感器选择红外类，即价格合适，稳定性也不错。无线摄像头在于远程监控系统联系时可 以充当监控摄像头的作用。如果智能控制系统中加入图像识别技术，可以扩大摄像头使用 范围，增加机器人智能性。无线通信系统用来实现机器人与远程监控室联络，根据无线通信 模块的差异可以选择不同的通信模式。灭火系统又分为灭火剂储存装置和喷头控制模块。 不同种灭火剂存储在不同的高压罐内，通过电磁阀实现不同灭火剂的切换。喷头是一个可 调节角度的装置，在火源高度距离不同时，根据温度传感器传回的信息确定喷头角度。智能 控制系统是整个机器人系统的控制中枢，各种外界信息均需要传输到控制系统进行分析， 然后根据情况下达行动指令来实现各种动作。智能控制系统采用PC主机或者ARM主控板 就可以满足运算和控制需要。第五步建立机器人系统工作流程。机器人系统的建立和工作环境的改造，仅是系 统完整的第一步，合理的工作流程设计才能最大发挥灭火机器人系统的功能。如图3所示， 机器人系统工作时将充分调动各方面的资源优势和发挥机器人的优点，实现无人工值守和 复杂条件下火灾扑灭任务。
权利要求
一种新型灭火机器人系统，其特征在于改变设计思路，在最大发挥现有机器人技术的前提下，对机器人工作环境进行改造，建立机器人导航地图。通过在工作地面添加导向线和位置标识可以提高机器人定位速度和运行稳定性，同时有利于降低机器人在定位技术上的成本。位置标识可以用来区分不同防火等级的物品。导航地图可以形成规范，如此可以增加机器人的可替代性，也可以为以后其他功能性机器人服务生活建立示范标准，比如以后家政服务机器人也可以采用这一套机器人导航地图。机器人导航地图模式建立也可以大大拓展现有机器人应用的范围，可以在日常生活的绝大多数场所放置本发明的机器人灭火系统。
2.一种新型灭火机器人系统，其特征在于建立机器人与火灾报警系统相联系的自动 灭火模式。火灾报警系统在发生火灾后将火灾位置信息发送至机器人，机器人在收到火灾 位置信息后，自动到达火点，选择与导航地图中物体信息匹配的灭火剂自动灭火。这样不但 可以适当减少水喷淋等灭火系统以机器人灭火来替代，同时也可以实现无人情况下的系统 自动灭火。
3.一种新型灭火机器人系统，其特征在于建立机器人与摄像头监控系统远程联系。 通过无线摄像头和无线通讯模块将灭火机器人与办公场所、仓库、商场等地的监控系统联 系起来。实现监控机器人工作状态，必要时可以人工控制灭火机器人工作，甚至采取灭火机 器人与消防队联合工作灭火模式。这将大大提高消防的灵活性，保障消防队员安全。
全文摘要
一种改变灭火机器人应用思路的机器人系统其特点在于在最大利用现在成熟机器人技术的基础上，通过对机器人工作环境的合理改造，实现机器人最大效率的利用。在工作环境中增加导向线和位置标识，实现二维工作地图的简化，建立机器人工作导航地图，可以实现机器人高效率的移动和定位；而建立机器人和火灾报警系统与图像监控系统的联系可以实现自动灭火与人工远程控制，提高机器人应用灵活性。本发明中这些创新的机器人工作方式推广了功能性灭火机器人的应用范围，降低了机器人应用成本，可以实现系统性机器人应用。如果本文中机器人工作导航地图模式和人工联动模式得到国家级规范认可，将极有可能通过本发明机器人的大面积应用改变未来消防模式。
文档编号G01C21/34GK101884830SQ20101019006
公开日2010年11月17日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者安江涛, 张和平, 蒋勇, 邱榕 申请人:中国科学技术大学