CN105538285A - 一种基于多传感器信息的生命探测机器人装备 - Google Patents

一种基于多传感器信息的生命探测机器人装备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多传感器信息的生命探测机器人装备，箱体的两侧对称安装有行走机构单元，云台单元安装在箱体上，具有实现旋转自由度的旋转关节臂及安装在旋转关节臂上、实现俯仰自由度的俯仰关节臂，视频载荷单元安装在俯仰关节臂上、随俯仰关节臂俯仰摆动和随旋转关节臂旋转，声音载荷单元、雷达生命探测载荷单元分别安装在旋转关节臂上、随旋转关节臂旋转；云台单元、视频载荷单元、声音载荷单元、雷达生命探测载荷单元分别与安装在箱体内的控制单元相连，控制单元通过安装在箱体上的无线通讯与速传单元和后方控制台连接。本发明能够代替救援人员进入废墟现场执行搜救任务，减少救援人员伤亡，显著的提供幸存者搜索效率。

Description

一种基于多传感器信息的生命探测机器人装备
技术领域
本发明属于机器人探测人体生命体征领域，具体地说是一种基于多传感器信息的生命探测机器人装备。
背景技术
研究表明，中国大陆进入了新的地震活跃期，始终面临着强烈地震的威胁。国家高度重视利用科技手段提高应对突发公共事件的能力，如何实施科技救援，提高地震废墟环境现场幸存者搜索效率、减少伤害，是灾后现场救援面临的重要难题。
传统的救援方法依靠搜救犬的嗅觉、求救声、以及搜救人员的直觉来判断，已经不能满足应急救援快速、准确的响应需求，将逐步被声学、光学、微波等生命探测装置所代替。然而，声学、光学、微波等探测装置获取的生命信息单一，需要救援人员进入废墟现场布设，余震、建筑物二次坍塌时刻威胁救援人员的生命安全。机器人技术在美国911事件中的成功应用和经验，为震后灾害救援提供了一种有效的技术解决方案。
发明内容
为了克服现有生命探测装置的上述不足，解决地震灾后废墟下压埋幸存者搜索与救援问题，本发明的目的在于提供一种基于多传感器信息的生命探测机器人装备。该机器人装备用于灾后现场废墟环境幸存者搜索，深入到废墟内部，克服温度、湿度、地形等不利因素影响，穿透砖混建筑结构、木材、烟气等障碍介质，探测与搜索生命迹象，并能够实时监控幸存者的生命信息，同时为救援人员提供救援通道信息，实现非接触、穿透力强、远距离幸存者搜救，为地震现场救援提供装备保障和决策支持。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括行走机构单元、箱体、云台单元、视频载荷单元、声音载荷单元、雷达生命探测载荷单元、控制单元及无线通讯与速传单元，其中箱体的两侧对称安装有实现在复杂废墟环境下行走的行走机构单元，两侧所述行走机构单元的驱动动力源安装在所述箱体内；所述云台单元安装在箱体上，具有实现旋转自由度的旋转关节臂及安装在该旋转关节臂上、实现俯仰自由度的俯仰关节臂，所述视频载荷单元安装在俯仰关节臂上、随俯仰关节臂俯仰摆动和随旋转关节臂旋转，所述声音载荷单元、雷达生命探测载荷单元分别安装在旋转关节臂上、随旋转关节臂旋转；所述云台单元、视频载荷单元、声音载荷单元、雷达生命探测载荷单元及行走机构单元的驱动动力源分别与安装在箱体内的控制单元相连，该控制单元通过安装在所述箱体上的无线通讯与速传单元和后方控制台连接。
其中：所述云台单元安装在箱体的一侧，该箱体的另一侧设有提高机器人装备越障能力的辅助支撑单元；所述辅助支撑单元包括连杆、支撑板、传动机构及驱动电机C，该驱动电机C安装在所述箱体内、与所述控制单元相连，所述连杆转动安装在箱体另一侧的外表面，并通过所述传动机构与驱动电机C相连、由所述驱动电机C驱动旋转，在所述连杆上连接有支撑板，该支撑板随所述连杆转动实现展开或收拢；所述传动机构包括主动轮及被动轮，该主动轮与所述驱动电机C的输出端相连，所述被动轮安装在连杆上、与该连杆连动，并与所述主动轮啮合传动；
所述视频载荷单元包括红外热成像相机及红外摄像头，该红外热成像相机及红外摄像头分别安装在所述俯仰关节臂上，随俯仰关节臂俯仰摆动；所述声音载荷单元包括拾音器及扬声器，该拾音器及扬声器均安装在所述旋转关节臂上，随旋转关节臂转动。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明能够代替救援人员进入废墟现场执行搜救任务，减少救援人员伤亡，探测方式有效的与人工搜索技术相结合，显著的提供幸存者搜索效率。
2.本发明的箱体上设置了辅助支撑单元，既可提高机器人装备的越障能力，又能防止机器人装备倾翻。
3.本发明集成了多个传感器，可实现废墟内部大范围黑暗环境下幸存者非接触式探测。
4.本发明不仅实现幸存者搜索，也可实现救援队员与幸存者的语音交流以及生命体征呼吸信号监控。
5.本发明采用被动地形适应轮履复合移动结构，具有良好的废墟地形环境适应能力、遥控操纵简单等优点。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图之一；
图2为本发明的整体结构示意图之二；
图3为本发明移动平台的结构示意图；
图4为本发明行走机构单元的结构示意图；
图5为本发明箱体的结构示意图；
图6为本发明云台单元的结构示意图；
其中：1为行走机构单元，2为箱体，3为辅助支撑单元，4为云台单元，5为红外热成像相机，6为红外摄像头，7为拾音器，8为扬声器，9为雷达生命探测单元，10为无线通讯与速传单元，11为驱动电机A，12为驱动电机B，13为驱动电机C，14为云台固定基座，15为旋转关节臂，16为俯仰关节臂，17为主动轮，18为被动轮，19为连杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～3所示，本发明包括行走机构单元1、箱体2、辅助支撑单元3、云台单元4、视频载荷单元、声音载荷单元、雷达生命探测载荷单元、控制单元及无线通讯与速传单元10，其中箱体2的两侧安装有行走机构单元1，在箱体2前进方向的头部设有云台单元4、尾部中央设有辅助支撑单元3，两侧的行走机构单元1、箱体2以及辅助支撑单元3构成了机器人装备的移动平台。云台单元4安装在箱体2上，具有实现旋转自由度的旋转关节臂15及安装在该旋转关节臂15上、实现俯仰自由度的俯仰关节臂16，视频载荷单元安装在俯仰关节臂16上、随俯仰关节臂16俯仰摆动和随旋转关节臂15旋转，声音载荷单元、雷达生命探测载荷单元分别安装在旋转关节臂15上、随旋转关节臂15旋转；云台单元4、视频载荷单元、声音载荷单元、雷达生命探测载荷单元及行走机构单元1的驱动动力源分别与安装在箱体2内的控制单元相连，该控制单元通过安装在箱体2上的无线通讯与速传单元10与人工操控的后方控制台连接。
两侧的行走机构单元1对称设置。如图4所示，本发明的行走机构单元1为现有技术，采用2012年1月11日公开的、公开号为CN102310403A发明专利“具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人”中的轮—履复合移动模块，行走机构单元1可根据地形环境被动地改变形状，以适应救援废墟现场环境，实现在复杂废墟环境下行走。两侧行走机构单元1的驱动动力源安装在箱体2内，分别为驱动电机A11及驱动电机B12，两侧的行走机构单元1分别由驱动电机A11及驱动电机B12驱动。
如图2、图5所示，辅助支撑单元3包括连杆19、支撑板20、传动机构及驱动电机C13，该驱动电机C13安装在箱体2内、与控制单元相连，连杆19转动安装在箱体2另一侧的外表面，并通过传动机构与驱动电机C13相连、由驱动电机C13驱动旋转，在连杆19上连接有支撑板20，该支撑板20随连杆19转动，工作时可展开，不工作时可收拢。本实施例的传动机构包括主动轮17及被动轮18，该主动轮17与驱动电机C13的输出端相连，被动轮18安装在连杆19上、与该连杆19连动，并与主动轮17啮合传动。安装在箱体2尾部中央的辅助支撑单元3采取主动支撑方式，可有效提高机器人装备的越障能力以及防止机器人装备倾翻。
云台单元4通过固定基座14安装在箱体2上。本发明的云台单元4为现有的全方位云台，具有旋转、俯仰两个自由度。如图1、图2及图6所示，视频载荷单元包括红外热成像相机5及红外摄像头6，该红外热成像相机5及红外摄像头6分别安装在俯仰关节臂16上，随俯仰关节臂16绕水平轴线270度旋转，红外热成像相机5及红外摄像头6分别与控制单元相连。
雷达生命探测单元9安装在旋转关节臂15上、位于红外热成像相机5及红外摄像头6的下方，并与控制单元相连。本发明的雷达生命探测单元9为现有的24GHz雷达探测装置，通过雷达接收到含有人体多普勒运动信息的反射波，利用自适应谐波算法，实现了穿透砖墙条件下呼吸信号的提取和检测。雷达生命探测单元9可穿透厚度小于24cm非金属介质(如土壤、岩石、混凝土)探测到生命体；在烟气和水雾中，自由空间能够非接触探测到人体生命体征的作用距离不小于10米。
声音载荷单元位于雷达生命探测单元9的下方，包括拾音器7及扬声器8，该拾音器7及扬声器8均安装在旋转关节臂15上，随旋转关节臂15绕竖直轴线360度旋转，拾音器7及扬声器8分别与控制单元相连。
本发明的工作原理为：
本发明为地震现场救援提供了一种有效的幸存者探测装置。工作时，后方控制台通过无线通讯与速传单元10给控制单元指令，由控制单元控制驱动电机A11及驱动电机B12工作，驱动箱体2两侧的行走机构单元1在废墟中移动。在移动的过程中，红外热成像相机5、红外摄像头6获取废墟内部环境热感图像以及视频流，实现幸存者判别、倒塌建筑物结构状况评估、生存空间判定，为救援风险判断、救援通道等提供决策信息支撑，并把结果由控制单元通过无线通讯与速传单元10传给后方控制台。雷达生命探测单元9进行人体生命体征的探测，并把探测结果由控制单元通过无线通讯与速传单元10发给后方控制台。在移动过程中，扬声器8可实时播放后由方控制台通过无线通讯与速传单元10传来的语音，也可周期播放喊话声音。拾音器7获取幸存者的呼喊、呻吟以及敲击器物等声音信号，并由控制单元通过无线通讯与速传单元10反馈到后方控制台，实现自动“寻呼”人工搜索方式。
在机器人装备工作时，后方控制台通过无线通讯与速传单元10给控制单元指令，由控制单元控制驱动电机C13工作，通过主动轮17与被动轮18的传动，驱动连杆19旋转，进而带动支撑板20展开，以提高机器人装备的越障能力以及防止机器人装备倾翻。

Claims (5)

1.一种基于多传感器信息的生命探测机器人装备，其特征在于：包括行走机构单元(1)、箱体(2)、云台单元(4)、视频载荷单元、声音载荷单元、雷达生命探测载荷单元、控制单元及无线通讯与速传单元(10)，其中箱体(2)的两侧对称安装有实现在复杂废墟环境下行走的行走机构单元(1)，两侧所述行走机构单元(1)的驱动动力源安装在所述箱体(2)内；所述云台单元(4)安装在箱体(2)上，具有实现旋转自由度的旋转关节臂(15)及安装在该旋转关节臂(15)上、实现俯仰自由度的俯仰关节臂(16)，所述视频载荷单元安装在俯仰关节臂(16)上、随俯仰关节臂(16)俯仰摆动和随旋转关节臂(15)旋转，所述声音载荷单元、雷达生命探测载荷单元分别安装在旋转关节臂(15)上、随旋转关节臂(15)旋转；所述云台单元(4)、视频载荷单元、声音载荷单元、雷达生命探测载荷单元及行走机构单元(1)的驱动动力源分别与安装在箱体(2)内的控制单元相连，该控制单元通过安装在所述箱体(2)上的无线通讯与速传单元(10)和后方控制台连接。
2.按权利要求1所述基于多传感器信息的生命探测机器人装备，其特征在于：所述云台单元(4)安装在箱体(2)的一侧，该箱体(2)的另一侧设有提高机器人装备越障能力的辅助支撑单元(3)；所述辅助支撑单元(3)包括连杆(19)、支撑板(20)、传动机构及驱动电机C(13)，该驱动电机C(13)安装在所述箱体(2)内、与所述控制单元相连，所述连杆(19)转动安装在箱体(2)另一侧的外表面，并通过所述传动机构与驱动电机C(13)相连、由所述驱动电机C(13)驱动旋转，在所述连杆(19)上连接有支撑板(20)，该支撑板(20)随所述连杆(19)转动实现展开或收拢。
3.按权利要求2所述基于多传感器信息的生命探测机器人装备，其特征在于：所述传动机构包括主动轮(17)及被动轮(18)，该主动轮(17)与所述驱动电机C(13)的输出端相连，所述被动轮(18)安装在连杆(19)上、与该连杆(19)连动，并与所述主动轮(17)啮合传动。
4.按权利要求1或2所述基于多传感器信息的生命探测机器人装备，其特征在于：所述视频载荷单元包括红外热成像相机(5)及红外摄像头(6)，该红外热成像相机(5)及红外摄像头(6)分别安装在所述俯仰关节臂(16)上，随俯仰关节臂(16)俯仰摆动。
5.按权利要求1或2所述基于多传感器信息的生命探测机器人装备，其特征在于：所述声音载荷单元包括拾音器(7)及扬声器(8)，该拾音器(7)及扬声器(8)均安装在所述旋转关节臂(15)上，随旋转关节臂(15)转动。
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