CN109292015A - 一种全地形多功能越障救援机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全地形多功能越障救援机器人。该救援机器人包括车体、设于车体左右两侧的履带行走机构、用于获得机器人外部环境三维地图信息以及可能生命体数据的传感装置，以及与传感装置相连且用于数据处理和控制机器人运动的控制器；该传感装置包括设于车体顶部的激光雷达扫描系统和位于激光雷达扫描系统前方的红外测温系统；在车体的后方设有天线。本发明具有很强的地形适应性，能在特殊的灾害现场代替人来进行探测救援，且在行进过程中自动探测周围环境与实时创建周边环境的三维地图，同时进行探测生命体，具有作业能力强、智能化程度高、效率高等优点。
Description
技术领域
本发明属于机器人抢险救援技术领域。更具体地，涉及一种全地形多功能越障救援机器人。
背景技术
如今世界各地自然灾害频发，地震、海啸、塌方、核电站泄漏等灾难不断。灾难事故发生后，现场建筑结构坍塌，导致其环境及地形结构空间狭小、复杂且不稳定，目前的救援方法是外部搜救，即利用一些生命体感知装置检测废墟下是否有待救人员，然而普通探测装置无法从外部直接了解内部情况，而对于在煤矿井下发生瓦斯爆炸、建筑物结构坍塌或是其它高危未知环境下，需要对滞留其中的人员进行搜救救援，受灾环境信息无法直接传送到救援指挥中心，直接贸然派出人力营救的危险极大，致使搜救人员无法立刻进入灾区进行勘察和搜救，延误救援时机。而灾后“黄金72小时”内受灾人员的存活率随时间呈急速递减趋势：在第一天(即24小时内)，存活率为90％左右，第二天为50％～60％，第三天仅为20％～30％。
此外，灾难现场时常伴随火灾、浓烟，原先的现场变化莫测，对于一些易燃、易爆、有毒、有害、易坍塌建筑物、大型仓库堆垛、缺氧、浓烟、放射性等室内外危险灾害现场，由于指挥人员和救援人员对现场环境不了解，没有现场地图，也不知道有何有害气体等危险因素，完全无法下手，更不知道一些事故原因的泄漏点在哪里，受灾人员在哪里，无法对这些危险灾害现场作出准确的判断和作战指挥。因此，迫切需要一个不依赖于视觉的能够进入极度恶劣灾害现场进行探测救援的多功能越障救援机器人。
但目前救援机器人多为车轮式，当遇到复杂矿情或火灾灾情时，其越障性能有限，转向精度低，难以在复杂地面环境中平稳、准确的高效作业。现有技术中，还缺乏结构紧凑、设计合理、工作可靠性高的能够实现上述功能的救援机器人。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种全地形多功能越障救援机器人，能在特殊的灾害现场(如地震、火灾、地陷等)代替人来进行探测救援，其以履带车作为移动平台，大大提高越障能力，具有很强的地形适应性，具有即时定位与进行生命体探测的功能，并将勘测信息及时反馈给远程操控的工作人员，提高作业效率，减少了勘测和搜救人员劳动损耗和伤亡，为下一步营救提供有用的保证。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种全地形多功能越障的救援机器人，包括车体、设于车体左右两侧的履带行走机构、用于获得机器人外部环境三维地图信息以及可能生命体数据的传感装置，以及与传感装置相连且用于数据处理和控制机器人运动的控制器；所述传感装置包括设于车体顶部的激光雷达扫描系统和位于激光雷达扫描系统前方的红外测温系统；在车体的后方设有天线。
所述激光雷达扫描系统设于车体顶部的前方正中，其具有多次回波功能，可以在雨雪、灰尘、大雾环境下工作，该激光雷达扫描系统能获取地面三维信息，能够快速高效采集大范围区域的地表信息，形成精度高达厘米级的3D环境地图，为救援路线构建提供基础数据，提高工作效率。
所述红外测温系统设于车体顶部的前方正中，其位于激光雷达扫描系统前方，该系统相当于人眼的功能，根据场景发散的红外辐射产生热图像画面，因此它们可以提供各种条件下的高对比度热图像。无论天气和照明条件如何，热画面都能以高对比度的热图像清晰前方情况。
本发明有针对性的将红外测温系统、激光雷达扫描系统与履带行走机构进行结合，发挥各自优势，同时突破未知地面环境复杂，使普通救援机器人无法进入的难题，可适应较崎岖的地形，且在行进过程中自动探测周围环境，并实时创建周边环境的三维地形图，同时探测该环境中是否有可能生命体存在；并能将实时三维地图、可能生命体搜救位置等重要信息反馈给操作人员，具有作业能力强、智能化程度高、效率高等优点。
优选地，所述车体的顶部设有激光雷达安装座，所述激光雷达安装座上设有可360度旋转的回转支架，所述回转支架上设有激光雷达。
优选地，所述回转支架包括下支架和设置在下支架顶部的上支架，所述下支架的下方设有下支架舵机，用于驱动激光雷达左右摆动。
优选地，所述上支架的后侧设有上支架舵机，用于驱动激光雷达前后摆动。下支架舵机和上支架舵机两舵机联动大大提高激光雷达扫描系统扫描范围。
优选地，所述红外测温系统包括红外测温传感器和用于固定红外测温传感器的红外测温传感器支架，所述红外测温传感器支架下方设有红外测温传感器舵机，用于驱动红外测温传感器左右摆动。
优选地，所述红外测温系统设有四个红外测温传感器，其中，面向前方的两个红外测温传感器与红外测温传感器支架呈90度设置，另外两个向下倾斜设置，使得可以同一时间测量多个方位。
更优选地，另外两个红外测温传感器向下倾斜120度设置。
优选地，所述车体上设有底座和探险箱支臂，所述底座上设有用于驱动探险箱支臂平稳升降的探险箱支臂驱动结构，所述探险箱支臂驱动结构通过转动轴与探险箱支臂相连，所述探险箱支臂上设有探险箱支臂皮带，探险箱支臂3的末端设有探险箱。
优选地，所述探险箱支臂驱动结构为探险箱支臂减速电机。
优选地，所述探险箱的下方设有探险箱调节支架，用于调节探险箱的上下角度；所述探险箱支架的下方设有探险箱齿轮，所述探险箱齿轮与连接在探险箱舵机上的探险箱舵机齿轮啮合，故可以通过调节探险箱舵机使得探险箱在水平方向上旋转。
优选地，所述探险箱上设有惯性传感器、氧气传感器、探照灯光、超声波传感器、摄像头、红外传感器、红外图像传感器和麦克风音响。多个传感器联合使用，提高了救援检测能力。
所述惯性传感器安装于探险箱上方，起到翻履感测、惯性导航、驾驶辅助等作用。
所述氧气传感器安装于探险箱前方，当火灾发生后，火焰燃烧不断消耗氧气，导致空间内氧气浓度会迅速降低，当检测到氧气浓度低于规定的阈值，及时报警反馈，提醒救援人员注意。
所述探照灯光安装于探险箱前方，可以为机器人和救援人员提供照明。
所述超声波传感器安装于探险箱前方，通过超声波传感器获取周围环境信息，包括障碍物的尺寸、形状和位置等信息，除了可以实现检测外，还可以实现机器人自动避障。
所述摄像头安装于探险箱前方，其具有信息直观、能实现计算机辅助控制等特点，可以将现场环境的图像及时返回到救灾中心，为进一步控制机器人的运动方向，制定下一步救灾的方案提供决策依据。
所述红外传感器安装于探险箱前方。由于超声波测距发射角度较大，高频超声波近距离测量的角度有7～8度，低频率远距离测量的角度有20～30度，会受到烟雾、灰尘、雨滴的干扰，故联合红外进行测距。红外测距虽然容易受到日光或者其他相近波长光源的干扰，但测距距离可以比超声波远。
所述红外图像传感器安装于探险箱前方，能在黑暗环境中感知动态反应，可以直观地检测到生物反应。
所述麦克风音响安装于探险箱前方，主要用来采集外界声音，并可接收救援中心的信号远程发声，为救援提供帮助。
优选地，所述履带行走机构对称设置在所述车体前端和后端的两侧，所述履带行走机构包括驱动电机、变速箱、驱动轮、从动轮和履带，所述履带呈三角形状且环绕在从动轮的外侧，所述从动轮通过其外圆周上间布的外齿与履带啮合。
优选地，所述履带行走机构还包括减震固定架，所述减震固定架呈等边三角形，所述驱动轮位于三角形减震固定架的中心，并通过减震固定架与从动轮连接。
优选地，所述履带行走机构的驱动轮与车体内部的变速箱、驱动电机连接。
优选地，所述履带呈为凹凸不平状，可以在多种不平整的地面上顺利通过，甚至在倾角不大的楼梯，可以实现爬楼梯。
优选地，所述控制器为多功能控制器。所述控制器上设有倾角传感器和报警器，用于在所述倾角传感器检测到车体的倾斜角度超过警戒角度时如车体侧翻，及时报警。
优选地，所述报警器为扬声器。
优选地，所述天线设有用于接收遥控信号的接受信号模块和用于发送检测信号的发射信号模块，用以接收遥控信号，发射传感装置检测数据。
优选地，所述天线通过无线网络与移动控制终端无线连接。
优选地，所述车体的驾驶系统为远程自动控制驾驶系统和/或手动驾驶系统。
优选地，所述车体内还设置有救援装置。
优选地，所述救援装置包括供氧装置、照明、食物、水、备用电源、自救设备和急救药品。
优选地，所述车体为防水、防火和防爆车体。
优选地，所述救援机器人采用防火材质制成，增加使用寿命。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的机器人可适应较崎岖的地形，且在行进过程中自动探测周围环境，并实时创建周边环境的三维地形图，同时探测该环境中是否有可能生命体存在；并能将实时三维地图、可能生命体搜救位置等重要信息反馈给操作人员；帮助操作人员快速、准确地了解位置环境及可能生命体的存在，以便搜救人员尽快展开救援工作，同时减少勘测和搜救人员不必要的人员伤亡和劳动损耗，具有很好的实用价值。
(2)工作时，履带与水平面平行接触，采用三角形履带行走机构，可以使机器人在遇到一定高度的障碍时直接越过障碍，结构简单易于实现，车体的轮系采用前后、左右双驱动，满足正常行驶外，具有较强的爬坡、越障、上下楼梯、避免传统履带不能原地旋转运动、易脱带等现象、同时该结构运动稳定、成本低。
附图说明
图1为救援机器人的主视图。
图2为救援机器人的轴测图。
图3为图1中A处局部(即探险箱)结构的示意图。
图4为图2中B处局部(即激光雷达扫描系统)结构的示意图。
图5为图2中C处局部(即探险箱支臂)结构的示意图。
图6为图2中D处局部(即红外测温系统)结构的示意图。
其中，1-履带；2-天线；3-探险箱支臂；4-从动轮；5-车体；6-惯性传感器； 7-氧气传感器；8-探照灯光；9-探险箱支架；10-探险箱齿轮；11-探险箱舵机； 12-探险箱舵机齿轮；13-超声波传感器；14-摄像头；15-红外传感器；16-红外图像传感器；17-麦克风音响；18-激光雷达；19-上支架；20-下支架舵机；21-下支架；22-上支架舵机；23-探险箱支臂皮带；24-底座；25-探险箱支臂减速电机； 26-红外测温传感器舵机；27-红外测温传感器；28-红外测温传感器支架；41-履带行走机构；401-驱动轮；402-减震固定架。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1一种全地形多功能越障的救援机器人
下面对本发明的技术方案进行详细说明：
一种全地形多功能越障的救援机器人，包括车体5、设于车体5左右两侧的履带行走机构41、用于获得机器人外部环境三维地图信息以及可能生命体数据的传感装置，以及与传感装置相连且用于数据处理和控制机器人运动的控制器；该传感装置包括设于车体5顶部的激光雷达扫描系统和位于激光雷达扫描系统前方的红外测温系统。
该激光雷达扫描系统设于车体5顶部的前方正中，由激光雷达下支架21、激光雷达上支架19作为基础支撑，激光雷达18为主要传感器。其中，车体5的顶部设有激光雷达安装座，激光雷达安装座上设有可360度旋转的回转支架，回转支架上设有激光雷达18。该回转支架包括下支架21和设置在下支架21顶部的上支架19，下支架21的下方设有下支架舵机20，用于驱动激光雷达18左右摆动。上支架19的后侧设有上支架舵机22，用于驱动激光雷达18前后摆动。下支架舵机20和上支架舵机22两舵机联动大大提高激光雷达扫描系统扫描范围。
该激光雷达扫描系统具有多次回波功能，可以在雨雪、灰尘、大雾环境下工作，该激光雷达扫描系统能获取地面三维信息，能够快速高效采集大范围区域的地表信息，形成精度高达厘米级的3D环境地图，为救援路线构建提供基础数据，提高工作效率。
该红外测温系统设于车体5顶部的前方正中，位于激光雷达扫描系统前方，包括红外测温传感器27和用于固定红外测温传感器27的红外测温传感器支架 28，由红外测温传感器支架28作为基础支撑，红外测温传感器27为主要传感器。其中红外测温传感器支架28下方设有红外测温传感器舵机26，用于驱动红外测温传感器27左右摆动。红外测温系统设有四个红外测温传感器27，其中，面向前方的两个红外测温传感器27与红外测温传感器支架28呈90度设置，另外两个向下倾斜设置，使得可以同一时间测量多个方位。
该红外测温系统相当于人眼的功能，根据场景发散的红外辐射产生热图像画面，因此它们可以提供各种条件下的高对比度热图像。无论天气和照明条件如何，热画面都能以高对比度的热图像清晰前方情况。
另外，车体5上设有底座24和探险箱支臂3，底座24上设有用于驱动探险箱支臂3平稳升降的探险箱支臂驱动结构，探险箱支臂驱动结构通过转动轴与探险箱支臂3相连，探险箱支臂3上设有探险箱支臂皮带23，探险箱支臂3的末端设有探险箱。该探险箱支臂驱动结构为探险箱支臂减速电机25。探险箱的下方设有探险箱调节支架9，用于调节探险箱的上下角度；探险箱支架9的下方设有探险箱齿轮10，探险箱齿轮10与连接在探险箱舵机11上的探险箱舵机齿轮 12啮合，故可以通过调节探险箱舵机11使得探险箱在水平方向上旋转。
探险箱上设有惯性传感器6、氧气传感器7、探照灯光8、超声波传感器13、摄像头14、红外传感器15、红外图像传感器16和麦克风音响17。
惯性传感器6安装于探险箱上方，起到翻履感测、惯性导航、驾驶辅助等作用。氧气传感器7安装于探险箱前方，当火灾发生后，火焰燃烧不断消耗氧气，导致空间内氧气浓度会迅速降低，当检测到氧气浓度低于规定的阈值，及时报警反馈，提醒救援人员注意。
探照灯光8安装于探险箱前方，可以为机器人和救援人员提供照明。
超声波传感器13安装于探险箱前方，通过超声波传感器获取周围环境信息，包括障碍物的尺寸、形状和位置等信息，除了可以实现检测外，还可以实现机器人自动避障。
摄像头14安装于探险箱前方，其具有信息直观、能实现计算机辅助控制等特点，可以将现场环境的图像及时返回到救灾中心，为进一步控制机器人的运动方向，制定下一步救灾的方案提供决策依据。
红外传感器15安装于探险箱前方。由于超声波测距发射角度较大，高频超声波近距离测量的角度有7～8度，低频率远距离测量的角度有20～30度，会受到烟雾、灰尘、雨滴的干扰，故联合红外进行测距。红外测距虽然容易受到日光或者其他相近波长光源的干扰，但测距距离可以比超声波远。
红外图像传感器16安装于探险箱前方，能在黑暗环境中感知动态反应，可以直观地检测到生物反应。
麦克风音响17安装于探险箱前方，主要用来采集外界声音，并可接收救援中心的信号远程发声，为救援提供帮助。
多个传感器联合使用，提高了救援检测能力。
该履带行走机构41对称设置在车体5前端和后端的两侧，履带行走机构41 包括驱动电机、变速箱、驱动轮401、减震固定架402、从动轮4和履带1，履带1呈三角形状且环绕在从动轮4的外侧，从动轮4通过其外圆周上间布的外齿与履带1啮合。减震固定架402呈等边三角形，驱动轮401位于三角形减震固定架402的中心，并通过减震固定架402与从动轮4连接。履带行走机构41的驱动轮401与车体内部的变速箱、驱动电机连接。履带1呈为凹凸不平状，可以在多种不平整的地面上顺利通过，甚至在倾角不大的楼梯，可以实现爬楼梯。履带1松紧程度适中，为适应复杂的地面环境提供更大的摩擦力，增加机器人行驶可用性。
在车体5的后方设有天线2，天线2设有用于接收遥控信号的接受信号模块和用于发送检测信号的发射信号模块，用以接收WiFi遥控信号，发射传感器检测数据，天线8通过无线网络与移动控制终端无线连接。移动控制终端可以是手机或电脑。
该控制器为多功能控制器。控制器上设有倾角传感器和报警器，该报警器可为扬声器。可在倾角传感器检测到车体5的倾斜角度超过警戒角度时如车体侧翻，及时通过扬声器报警。车体的驾驶系统为远程自动控制驾驶系统和/或手动驾驶系统。车体5内还设置有救援装置。该救援装置包括供氧装置、照明、食物、水、备用电源、自救设备和急救药品。车体5为防水、防火和防爆车体。车体外壳由钣金材料冲压而成，具有高强度的特性。救援机器人整体采用防火材质制成，增加使用寿命。
该救援机器人以履带行走机构作为移动平台，大大提高越障能力，根据救援需求搭配多项传感器设备，代替人工进入灾害现场，由人通过远程遥控，利用单片机控制系统对遥控信号处理并向伺服系统发出命令，将勘测信息及时反馈给远程操控的工作人员，为下一步营救提供有用的保证。
Claims (10)
1.一种全地形多功能越障的救援机器人，其特征在于，包括车体（5）、设于车体（5）左右两侧的履带行走机构（41）、用于获得机器人外部环境三维地图信息以及可能生命体数据的传感装置，以及与传感装置相连且用于数据处理和控制机器人运动的控制器；所述传感装置包括设于车体（5）顶部的激光雷达扫描系统和位于激光雷达扫描系统前方的红外测温系统；在车体（5）的后方设有天线（2）。
2.根据权利要求1所述的救援机器人，其特征在于，所述车体（5）的顶部设有激光雷达安装座，所述激光雷达安装座上设有可360度旋转的回转支架，所述回转支架上设有激光雷达（18）。
3.根据权利要求2所述的救援机器人，其特征在于，所述回转支架包括下支架（21）和设置在下支架（21）顶部的上支架（19），所述下支架（21）的下方设有下支架舵机（20），用于驱动激光雷达（18）左右摆动。
4.根据权利要求3所述的救援机器人，其特征在于，所述上支架（19）的后侧设有上支架舵机（22），用于驱动激光雷达（18）前后摆动。
5.根据权利要求1所述的救援机器人，其特征在于，所述红外测温系统包括红外测温传感器（27）和用于固定红外测温传感器（27）的红外测温传感器支架（28），所述红外测温传感器支架（28）下方设有红外测温传感器舵机（26），用于驱动红外测温传感器（27）左右摆动。
6.根据权利要求1所述的救援机器人，其特征在于，所述车体（5）上设有底座（24）和探险箱支臂（3），所述底座（24）上设有用于驱动探险箱支臂（3）平稳升降的探险箱支臂驱动结构，所述探险箱支臂驱动结构通过转动轴与探险箱支臂（3）相连，所述探险箱支臂（3）上设有探险箱支臂皮带（23），探险箱支臂（3）的末端设有探险箱。
7.根据权利要求6所述的救援机器人，其特征在于，所述探险箱的下方设有探险箱调节支架（9），用于调节探险箱的上下角度；所述探险箱支架（9）的下方设有探险箱齿轮（10），所述探险箱齿轮（10）与连接在探险箱舵机（11）上的探险箱舵机齿轮（12）啮合，用于调节探险箱在水平方向上旋转。
8.根据权利要求7所述的救援机器人，其特征在于，所述探险箱上设有惯性传感器（6）、氧气传感器（7）、探照灯光（8）、超声波传感器（13）、摄像头（14）、红外传感器（15）、红外图像传感器（16）和麦克风音响（17）。
9.根据权利要求1～8任一所述的救援机器人，其特征在于，所述履带行走机构（41）对称设置在所述车体（5）前端和后端的两侧，所述履带行走机构（41）包括驱动电机、变速箱、驱动轮（401）、从动轮（4）和履带（1），所述履带（1）呈三角形状且环绕在从动轮（4）的外侧，所述从动轮（4）通过其外圆周上间布的外齿与履带（1）啮合。
10.根据权利要求9所述的救援机器人，其特征在于，所述履带行走机构（41）还包括减震固定架（402），所述减震固定架（402）呈等边三角形，所述驱动轮（401）位于三角形减震固定架（402）的中心，并通过减震固定架（402）与从动轮（4）连接。
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