即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于封閉空間中復(fù)雜環(huán)境地圖創(chuàng)建、地形勘測、搜救等任務(wù)的機 器人,尤其涉及一種地勢崎嶇條件下的狹小洞穴、災(zāi)區(qū)等未知區(qū)域的環(huán)境探測及可能生命 體搜救的即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來,地震、海嘯、塌方、核電站泄漏等災(zāi)難相繼發(fā)生。災(zāi)難事故發(fā)生后,現(xiàn)場建 筑結(jié)構(gòu)坍塌,導(dǎo)致其環(huán)境及地形結(jié)構(gòu)空間狹小、復(fù)雜且不穩(wěn)定,目前的救援方法是外部搜 救,即利用一些生命體感知裝置檢測廢墟下是否有待救人員,然而普通探測裝置無法從外 部直接了解內(nèi)部情況,而對于結(jié)構(gòu)i丹塌的建筑物這種高危未知環(huán)境,在無法保證安全的情 況下,救援人員是不能貿(mào)然進入的,致使搜救人員無法立刻進入災(zāi)區(qū)進行勘察和搜救,延誤 救援時機。而災(zāi)后"黃金72小時"內(nèi)受災(zāi)人員的存活率隨時間呈急速遞減趨勢:在第一天 (即24小時內(nèi)),存活率為90%左右,第二天為50%~60%,第三天僅為20%~30%。因 此,迫切需要一種可以代替搜救人員進入危險未知環(huán)境中進行地形勘測及生命搜救的機器 人。救援人員可在廢墟外部遙控機器人進入危險地帶進行自主搜索,及時返回搜索區(qū)域三 維地圖;同時利用傳感器感應(yīng)可能的生命體,使救災(zāi)人員即時了解內(nèi)部情況,確定有效方 案,方便盡快展開搜救工作。該類機器人不僅可以大大縮短搜救時間,提高災(zāi)民生還希望, 同時也減少了搜救人員的二次傷亡。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明的目的是針對上述需求,提供一種即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人, 能夠進入未知的核反應(yīng)堆、洞穴、自然災(zāi)害后的封閉空間等不利于救災(zāi)人員和科研人員進 入的環(huán)境,具有很強的地形適應(yīng)性,具有即時定位與地圖創(chuàng)建和進行生命體探測的功能,提 高作業(yè)效率,減少了勘測和搜救人員勞動損耗和傷亡,可提升我國的勘測水平,為未來數(shù)字 化勘測和救援提供技術(shù)手段。
[0004] 本發(fā)明所提供的技術(shù)方案是提出一種即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人,其包 括:
[0005] 其包括越障底盤,車身平臺,三維掃描模塊,主控單元,車身外殼和驅(qū)動模塊;其 中,越障底盤由主體框架和行走輪腿組成,使車體具有對不同地形的被動自適應(yīng)性;三維掃 描模塊能夠獲得被勘測空間的三維地圖信息以及可能生命體的數(shù)據(jù)。
[0006] 所述越障底盤的左右兩側(cè)分別安裝一個前輪退和二個后輪腿,各輪腿均采用直角 梯形的四桿機構(gòu)懸架,每個懸架在直角邊和長邊桿件間的鉸鏈和短邊與斜邊桿件間的鉸鏈 處安裝了一個空氣減震器;每個懸架斜邊桿件的末端都裝有一個車輪;所述三維掃描模塊 包括有三維掃描機構(gòu)、激光掃描雷達、紅外溫度傳感器、激光慣性傳感器和固定支架;三維 掃描機構(gòu)由二個完全一樣且同步動作的無急回特性的鉸鏈四桿機構(gòu)組成,鉸鏈四桿機構(gòu)中 的曲柄勻速轉(zhuǎn)動時,二個同步動作的鉸鏈四桿機構(gòu)可實現(xiàn)其中的托架以同一個平均速度往 復(fù)擺動;激光掃描雷達正下方對應(yīng)掃描范圍內(nèi),均勾扇形分布若干個紅外溫度傳感器;所 述主控單元為平板電腦,緊密鑲嵌于車身外殼的頂部;所述越障底盤、三維掃描模塊的三維 掃描機構(gòu)均采用高強度鋁型材,車身平臺采用不銹鋼板,車身外殼采用ABS工程塑料。
[0007] 此外,本發(fā)明還提出了應(yīng)用上述即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人進行地形勘 測和可能生命體搜救的方法。
[0008] 本發(fā)明的有益效果為:該即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人進入不適宜工作人 員進入的,危險未知且空間狹小的環(huán)境,該機器人可適應(yīng)較崎嶇的地形,且在行進過程中自 動探測周圍環(huán)境,并實時創(chuàng)建周邊環(huán)境的三維地形圖,同時探測該環(huán)境中是否有可能生命 體存在;并能將實時三維地圖、可能生命體搜救位置等重要信息反饋給操作人員;幫助操 作人員快速、準確地了解位置環(huán)境及可能生命體的存在,以便搜救人員盡快展開救援工作, 同時減少勘測和搜救人員不必要的人員傷亡和勞動損耗。
【附圖說明】
[0009] 下面結(jié)合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明:
[0010] 圖1為本發(fā)明的即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人的整體結(jié)構(gòu)圖;
[0011] 圖2為本發(fā)明的越障底盤結(jié)構(gòu)圖;
[0012] 圖3為本發(fā)明的三維掃描模塊結(jié)構(gòu)圖;
[0013] 圖4為本發(fā)明的三維地圖創(chuàng)建及可能生命體探測方法流程圖。
[0014] 附圖標記:
[0015] 1-越障底盤; 2-車身平臺; 3-三維掃描模塊;4-激光慣性傳感器;
[0016] 5-主控單兀; 6-車身外殼; 7-驅(qū)動模塊; 8-車體慣性傳感器;
[0017] 9-主體框架; 10-前輪; 11-轉(zhuǎn)向電機; 12-直流伺服電機;
[0018] 13-懸架; 14-空氣減震器;15-后輪; 16-紅外溫度傳感器;
[0019] 17-激光掃描雷達;18-連桿; 19-曲柄; 20-減速電機;
[0020] 21-減速電機支架;22-聯(lián)軸器; 23-固定支架; 24-機架;
[0021 ] 25-托架; 26-斜邊桿件;
【具體實施方式】
[0022] 本發(fā)明的即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人,其較佳的【具體實施方式】如圖1至 圖4所示:
[0023] 如圖1所示,本發(fā)明的即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人包括越障底盤1,車身 平臺2,三維掃描模塊3,主控單元5,車身外殼6和驅(qū)動模塊7。如圖1和圖2所示,越障底 盤1的主體框架9上搭載了主要機構(gòu)和傳感器,包括有車身平臺2,驅(qū)動模塊7,車體慣性傳 感器8和三維掃描模塊3。車身平臺2上安裝有三維掃描模塊3和車身外殼6,車身外殼6 通過剛性支架支撐,以防止變形或破壞。即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人的越障底盤 1、三維掃描模塊3的三維掃描機構(gòu)均采用高強度鋁型材,車身平臺2采用不銹鋼板,車身外 殼6采用ABS工程塑料,在保證強度和高度的同時,大幅降低整體重量。
[0024] 1、越障底盤1:
[0025] 如圖1和圖2所示,本發(fā)明中,越障底盤1采用六輪驅(qū)動的仿生學(xué)懸架結(jié)構(gòu),由主 體框架9和6個行走輪腿組成。主體框架9的左右兩側(cè),分別安裝了 1個前輪腿和2個后 輪腿,各輪腿均采用直角梯形的四桿機構(gòu)懸架13,各桿件通過鉸鏈連接,可發(fā)生相互轉(zhuǎn)動; 每個懸架13在直角邊和長邊桿件間的鉸鏈和短邊與斜邊桿件26間的鉸鏈處安裝了一個空 氣減震器14,對懸架13的四桿機構(gòu)起到約束作用,同時能夠根據(jù)地形或者障礙物的不同調(diào) 節(jié)空氣減震器的伸縮量對車輪施加不同支撐力并使車輪產(chǎn)生移動,從而使車體具有對不同 地形的被動自適應(yīng)性;空氣減震器14作為儲能元件,當機器人在崎嶇路面行進時,還可對 車體起到緩沖吸振的作用;越障底盤1通過仿生學(xué)懸架機構(gòu)對機器人運動姿態(tài)進行調(diào)整, 實現(xiàn)越障的同時盡量減小機器人位姿發(fā)生較大變化。每個懸架13的斜邊桿件26的末端都 裝有1個越野車輪,越野車輪為粗花深溝耐磨型實心橡膠車輪,不會因為碾壓尖銳物體而 破損,同時具有良好的爬坡和抓地能力;左右兩側(cè)的前輪10上分別安裝有一個轉(zhuǎn)向電機11 和一個直流伺服電機12,其中轉(zhuǎn)向電機11控制前輪10轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向功能,直流 伺服電機12為前輪10提供行進動力;此外,左右兩側(cè)的后輪15上也安裝了與前輪10 -樣 的直流伺服電機12,使每個后輪都具有行進動力。所有的轉(zhuǎn)向電機11和直流伺服電機12 均通過電機支架安裝于各輪腿之上。每個直流伺服電機12均配有編碼里程計,用以測量 每個車輪在一定時間周期內(nèi)的行進距離,先利用式(1)分別計算出每排輪腿的平均行進距 離,然后利用式(2)計算出機器人的行進距離。
[0028] 其中,S1S每排輪腿的平均行進距離,S 1和S lR分別為每排輪腿左側(cè)車輪和右側(cè)車 輪的行進距離(i = 1,2,3,其中1為前排輪腿,2為中間排輪腿,3為后排輪腿);S為機器 人的行進距離。
[0029] 2、三維掃描模塊3:
[0030] 三維掃描模塊3能夠三維掃描被勘測空間,并實時創(chuàng)建該環(huán)境的三維地形圖,同 時探測該環(huán)境中是否有可能生命體存在。如圖3所示,三維掃描模塊3包括有三維掃描機 構(gòu),激光掃描雷達17,紅外溫度傳感器16,激光慣性傳感器4、無急回特性的鉸鏈四桿機構(gòu) 和固定支架23組成,其中三維掃描機構(gòu)由兩個完全一樣且同步動作的鉸鏈四桿機構(gòu)組成, 包括有2個同軸曲柄19、2個連桿18、1個托架25和1個U型的機架24組成;一個減速電 機20通過減速電機支架21固定在機架24上,并通過聯(lián)軸器22與傳動軸連接,帶動2個曲 柄19同步轉(zhuǎn)動,傳動軸與曲柄19固連,并通過滑動軸承安裝于機架24之上;曲柄19與連 桿18,連桿18與托架25,托架25與機架24之間的鉸鏈均為滑動軸承;鉸鏈四桿機構(gòu)設(shè)計 成無急回特性(即極位夾角為0° )的四桿機構(gòu),使其四個桿件的長度滿足式(3)的要求:
[0032] 其中,I1, 12, 13, 14分別為曲柄19、連桿18、托架25和機架24的長度。當減速電 機20帶動曲柄19沿某一方向勻速轉(zhuǎn)動時,2個同步動作的鉸鏈四桿機構(gòu)可實現(xiàn)托架25以 同一個平均速度在一定擺角?》范圍內(nèi)往復(fù)擺動;SICK LMS511Pro型激光掃描雷達17固定 于托架25之上,激光掃描雷達17可實現(xiàn)與托架25平行的二維平面掃描并獲得掃描區(qū)域內(nèi) 的物體的輪廓點數(shù)據(jù),其掃描起始角度為10°,終止角度為170°,掃描角度范圍為160°, 掃描角度分辨率為〇. 5°,對應(yīng)的數(shù)據(jù)更新頻率為75Hz,最大探測距離為26m。激光掃描雷 達17通過以太網(wǎng)與主控單元5進行數(shù)據(jù)通訊;激光掃描雷達17正下方對應(yīng)160°掃描范 圍內(nèi),均勻扇形分布8個紅外溫度傳感器16,用以非接觸探測可能的生命體,各紅外溫度傳 感器16之間的夾角為20°,溫度測量范圍0°C~100°C,最大測量距離為2m ;三維掃描機構(gòu) 的減速電機20帶動曲柄19勻速轉(zhuǎn)動,帶動安裝在托架25上的激光掃描雷達17和紅外溫 度傳感器16在一定擺角9?范圍內(nèi)垂直于車身平臺2上下往復(fù)擺動(圖1),將二維掃描轉(zhuǎn)化 成三維掃描,用以勘測周圍環(huán)境的三維空間信息;激光慣性傳感器4緊密固定在激光掃描 雷達17頂部,用以實時測量激光掃描雷達17在移動三維探測過程中的俯仰角、滾動角& 和航向角Y1,與主控單元5通過RS485進行數(shù)據(jù)通訊,數(shù)據(jù)更新頻率為IOOHz。整個三維掃 描機構(gòu)通過螺栓緊密固定在固定支架23上,固定支架23緊密固定在車身平臺2上。
[0033] 3、驅(qū)動模塊7:
[0034] 如圖1所示,本發(fā)明中,驅(qū)動模