CN112644601A - 一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器人技术领域，具体说的是一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，包括载物单元、腿部单元、控制单元和外围器件，载物单元作为本装置的主体与腿部单元直接相连，控制单元安装在载物单元内部，外围器件安装在载物单元表面，本发明可以进入灾后矿井中进行自主探测，搜寻遇难人员以及提供急救物资，且在过程中建立矿井三维结构地图并标记矿下受难人员的坐标位置信息，同时机器人可以检测矿内瓦斯等气体含量信息，机器人可将信息通过无线传输模块传给矿井外的PC机，可有效辅助救援人员了解受难人员的位置以及矿井内部的具体情况，降低矿井救援中人员伤亡率。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体说的是一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人。
背景技术
矿难发生后，矿井环境中充满危险性，人类不能够贸然进入并搜救。如果贸然派人进去搜救或者摸排矿井环境，极其容易发生二次事故，导致更多生命财产的损失，经调查了解，目前矿井灾难发生后大都采用两种方式进行处理。
第一种方式，矿井环境中都安装有各种传感器来检测矿井环境，灾难发生后通过查看传感器数据来判断灾后的矿井环境，再制定搜救方案。这种方式往往有很多缺点，在实际灾难发生后不能有效的完成任务。缺点一是传感器不足以遍布所有矿井环境，会带来很多检测盲区，灾难发生的地点很容易出现检测盲区，导致不能够采集矿井下数据，缺点二是矿井灾难发生时，传感器设备和传感器数据传输系统往往会被破坏，无法有效检测灾难区域的环境，缺点三是目前矿井中传感器种类有限且放置位置固定，灾难发生后的环境极其复杂，原本针对灾前矿井环境布置的传感器往往不能发挥有效作用。
第二种方式，利用机器人进入灾后的矿井环境进行探索，大都采用履带式机器人或轮式机器人进行搜救，履带式机器人和轮式机器人通过地形的能力相对于足式还是很低，对于受灾矿井内部的复杂环境就很难顺利通过。
然而，灾后矿井中的地形是非常复杂的，有碎石、狭缝、台阶、沟壑、陡坡等多种地形，六足式机器人的结构特性使它可以轻松通过这些复杂的路段。所以由足式机器人进入灾后矿井进行搜救，可以很大程度的提高搜救效率，还能够减少搜救人员的伤亡风险，非常适合执行矿井事故后的搜救工作。
现有报道的足式煤矿井下救援机器人有：华北科技学院胡兴志设计的一种煤矿井下六足蜘蛛搜救机器人专利申请号：201410828955.6。上述足式煤矿井下救援机器人不足是：活体检测的能力不够完善，不具有对煤矿井下结构进行实时三维建模的能力，不具有足端反馈调整步态的功能。鉴于此，本发明提供了一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，其具体有益效果如下：
1.本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，其支撑腿是基于黑色尼龙材料3D打印的网状支撑结构，具有良好的硬度和韧性，可以适应于矿井内的各种复杂地形。
2.本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，其支撑腿内部的光电传感器、足尖和弹簧的配合设计，当机器人足尖着地时压缩弹簧上升，使得足尖末端伸入光电传感器的光电门中，从而形成挡光使光电传感器的输出信号改变并传输给舵机控制板，从而实时判断机器人每只腿的着地状态，在通过舵机控制板调整舵机的位置来调整腿部的动作。
3.本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，其矿用瓦斯传感器的设计可以使机器人在进行救援探测时实时监测周围瓦斯气体的浓度。
4.本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，其照明灯、RGB-D深度摄像头和激光雷达的配合设计可以实时采集环境的色彩和深度信息并将信息输入JestonNano控制板对矿井内部结构进行实时建模并将建模的结果通过无线传输模块远程传输给PC机，使得矿井外的人可以了解矿井内部的情况。
5.本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，人体红外检测模块和RGB-D深度摄像头的配合设计可以对矿井下的遇难人员进行活体检测和视觉追踪。
6.本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，储药仓的内部装有急救物资，当机器人靠近遇难者时可以为其提供急救物资。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，其主要目的是在发生矿难时可以高效的完成搜救探测任务，降低矿井救援中人员伤亡率；其支撑腿是基于黑色尼龙材料3D打印的网状支撑结构，具有良好的硬度和韧性，可以适应与各种复杂地形；其支撑腿内部的光电传感器、足尖和弹簧的配合设计，当机器人足尖着地时压缩弹簧上升，使得足尖末端伸入光电传感器的光电门中，从而形成挡光使光电传感器的输出信号改变并传输给舵机控制板，从而实时判断机器人每只腿的着地状态，在通过舵机控制板调整舵机的位置来调整腿部的动作；其矿用瓦斯传感器的设计可以使机器人在进行救援探测时实时监测周围瓦斯气体的浓度；其照明灯、RGB-D深度摄像头和激光雷达的配合设计可以实时采集环境的色彩和深度信息并将信息输入Jeston Nano控制板对矿井内部结构进行实时建模并将建模的结果通过无线传输模块远程传输给PC机，使得矿井外的人可以了解矿井内部的情况；本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，储药仓的内部装有急救物资，当机器人靠近遇难者时可以为其提供急救物资。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括载物单元、腿部单元、控制单元和外围器件，载物单元作为本装置的主体与腿部单元直接相连，控制单元安装在载物单元内部，外围器件安装在载物单元表面，载物单元作为装置的主体主要用于承载和安装控制单元和外围器件，腿部单元使装置可以实现行走的功能，控制单元主要控制腿部单元的行走以及装置对外界信号的接收和处理，外围器件使装置的功能多样化以及负责装置的供电。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的载物单元包括载物平台下片、铜柱、载物平台上片和电池仓盖板；所述载物平台下片与载物平台上片的轮廓形状为六边形，载物平台下片与载物平台上片通过铜柱固定，载物平台下片设有多个定位孔，载物平台上片设有多个定位孔和圆槽口，所述电池仓盖板通过铜柱固定在载物平台上片的上侧，电池仓盖板上设有多个定位孔。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的腿部单元包括螺钉、舵机、双U型支架、关节腿、支撑腿、光电传感器、弹簧和足尖；腿部单元上的舵机通过螺钉固定在载物平台下片与载物平台上片之间，从而实现腿部单元与载物单元的直接相连，所述的双U型支架两侧分别连接了两个舵机，所述的关节腿通过螺钉与舵机铰接从而实现了关节腿与双U型支架的连接，所述的支撑腿通过螺钉与舵机铰接从而实现支撑腿与关节腿的连接，所述的光电传感器安装在支撑腿的内侧，所述的足尖插入支撑腿的末端，且足尖与支撑腿之间设置有弹簧，当机器人足尖着地时压缩弹簧上升，使得足尖末端伸入光电传感器的光电门中，从而形成挡光使光电传感器的输出信号改变并传输给舵机控制板，从而实时判断机器人每只腿的着地状态，在通过舵机控制板调整舵机的位置来调整腿部的动作。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的控制单元包括Jeston Nano控制板、无线传输模块、舵机控制板和人体红外检测模块，所述控制单元主要用于装置的信号接收、处理和传输。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的外围器件包括RGB-D深度摄像头、照明灯、储药仓、激光雷达、矿用瓦斯传感器和锂电池；所述的RGB-D深度摄像头固定在载物平台上片的圆槽口中，所述的照明灯安装在RGB-D深度摄像头上侧，所述的储药仓固定在载物平台上片上，所述的激光雷达安装在电池仓盖板上侧，所述的矿用瓦斯传感器安装在载物平台上片上，所述的锂电池固定在电池仓盖板与载物平台上片之间。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的支撑腿是基于黑色尼龙材料3D打印的网状支撑结构，具有良好的硬度和韧性，可以适应于矿井内的各种复杂地形。
本发明的有益效果是：
1.本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，其支撑腿是基于黑色尼龙材料3D打印的网状支撑结构，具有良好的硬度和韧性，可以适应于矿井内的各种复杂地形。
2.本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，其支撑腿内部的光电传感器、足尖和弹簧的配合设计，当机器人足尖着地时压缩弹簧上升，使得足尖末端伸入光电传感器的光电门中，从而形成挡光使光电传感器的输出信号改变并传输给舵机控制板，从而实时判断机器人每只腿的着地状态，在通过舵机控制板调整舵机的位置来调整腿部的动作。
3.本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，其矿用瓦斯传感器的设计可以使机器人在进行救援探测时实时监测周围瓦斯气体的浓度。
4.本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，其照明灯、RGB-D深度摄像头和激光雷达的配合设计可以实时采集环境的色彩和深度信息并将信息输入JestonNano控制板对矿井内部结构进行实时建模并将建模的结果通过无线传输模块远程传输给PC机，使得矿井外的人可以了解矿井内部的情况。
5.本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，人体红外检测模块和RGB-D深度摄像头的配合设计可以对矿井下的遇难人员进行活体检测和视觉追踪。
6.本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，储药仓的内部装有急救物资，当机器人靠近遇难者时可以为其提供急救物资。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
图1是本发明的整体立体结构示意图；
图2是本发明的除去腿部单元的立体结构示意图；
图3是本发明的腿部单元的的立体结构示意图；
图4是本发明的支撑腿末端的的A-A处剖视图；
图5是本发明的启动流程框图；
图6是本发明的软件系统层次框图；
图7是本发明通过障碍物的流程框图；
图8是本发明的三维地图构建算法框图；
图9是本发明的软件系统通信框图；
图中：载物单元1、腿部单元2、控制单元3、外围器件4、载物平台下片11、铜柱12、载物平台上片13、电池仓盖板14、螺钉21、舵机22、双U型支架23、关节腿24、支撑腿25、光电传感器26、弹簧27、足尖28、Jeston Nano控制板31、无线传输模块32、舵机控制板33、人体红外检测模块34、RGB-D深度摄像头41、照明灯42、储药仓43、激光雷达44、矿用瓦斯传感器45和锂电池46。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1至图9所示，本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，包括载物单元1、腿部单元2、控制单元3和外围器件4，载物单元1作为本装置的主体与腿部单元2直接相连，控制单元3安装在载物单元1内部，外围器件4安装在载物单元1表面，载物单元1作为装置的主体主要用于承载和安装控制单元3和外围器件4，腿部单元2使装置可以实现行走的功能，控制单元3主要控制腿部单元2的行走以及装置对外界信号的接收和处理，外围器件4使装置的功能多样化以及负责装置的供电。
如图1至图9所示，本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，所述的载物单元1包括载物平台下片11、铜柱12、载物平台上片13和电池仓盖板14；所述载物平台下片11与载物平台上片13的轮廓形状为六边形，载物平台下片11与载物平台上片13通过铜柱12固定，载物平台下片11设有多个定位孔，载物平台13上片设有多个定位孔和圆槽口，所述电池仓盖板14通过铜柱12固定在载物平台上片13的上侧，电池仓盖板14上设有多个定位孔。
如图1至图9所示，本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，所述的腿部单元2包括螺钉21、舵机22、双U型支架23、关节腿24、支撑腿25、光电传感器26、弹簧27和足尖28；腿部单元2上的舵机22通过螺钉21固定在载物平台下片11与载物平台上片13之间，从而实现腿部单元2与载物单元1的直接相连，所述的双U型支架23两侧分别连接了两个舵机22，所述的关节腿24通过螺钉21与舵机22铰接从而实现了关节腿24与双U型支架23的连接，所述的支撑腿25通过螺钉21与舵机22铰接从而实现支撑腿25与关节腿24的连接，所述的光电传感器26安装在支撑腿25的内侧，所述的足尖28插入支撑腿25的末端，且足尖28与支撑腿25之间设置有弹簧27，当机器人足尖28着地时压缩弹簧27上升，使得足尖28末端伸入光电传感器26的光电门中，从而形成挡光使光电传感器26的输出信号改变并传输给舵机控制板33，从而实时判断机器人每只腿的着地状态，在通过舵机控制板33调整舵机22的位置来调整腿部的动作。
如图1至图9所示，本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，所述的控制单元3包括Jeston Nano控制板31、无线传输模块32、舵机控制板33和人体红外检测模块34，所述控制单元3主要用于装置的信号接收、处理和传输。
如图1至图9所示，本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，所述的外围器件4包括RGB-D深度摄像头41、照明灯42、储药仓43、激光雷达44、矿用瓦斯传感器45和锂电池46；所述的RGB-D深度摄像头41固定在载物平台上片13的圆槽口中，所述的照明灯42安装在RGB-D深度摄像头41上侧，所述的储药仓43固定在载物平台上片13上，所述的激光雷达44安装在电池仓盖板14上侧，所述的矿用瓦斯传感器45安装在载物平台上片13上，所述的锂电池46固定在电池仓盖板14与载物平台上片13之间。
如图1至图9所示，本发明所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，所述的支撑腿25是基于黑色尼龙材料3D打印的网状支撑结构，具有良好的硬度和韧性，可以适应于矿井内的各种复杂地形。
如图1至图9所示，本发明的启动过程实施方式是救援人员将足式机器人放置矿井口处并按下机器人启动按钮，机器人便开始自主完成硬件驱动，之后救援人员打开手中PC机登录到机器人上位机软件系统，在该系统中通过无线传输模块32和机器人本体中运行的下位机系统Jeston Nano控制板31和舵机控制板33连接，救援人员在PC机上启动机器人运行软件，机器人便开始救援探测工作，之后救援人员只需在矿井口处等待机器人在探索过程中将矿井内三维地图、遇难人员坐标位置以及瓦斯气体浓度等信息传回至PC机上，救援人员再根据传回信息制定科学精准的救援方案。
如图1至图9所示，本发明建立矿井内部三维地图的实施方式是机器人本体自主启动RGB-D摄像头41和激光雷达44，开始采集环境的色彩和深度信息，基于SLAM技术对周围环境进行三维地图重建并提取出周围环境特征点和自身位置信息，机器人之后的运动过程中利用视觉里程计来增量式地计算出摄像头的位姿与两个时刻间的相对运动，SLAM系统后端利用图优化方法呈现出矿井下三维地图。
如图1至图9所示，本发明自主探索矿井的实施方式是机器人在三维建图过程中提取出的障碍物特征点信息传输到底层的运动系统腿部单元2和控制单元3，运动系统基于特征点信息判断当前路段属于哪种地形，较平整路段采用三角步态，狭缝路段采用侧移步态，若是碎石等特征点不规律的路段机器人则采用自由步态，由运动系统基于运动学算法和特征点信息对六条腿进行实时轨迹规划，实现自主跨越障碍物，对于无法跨越的障碍物，利用控制单元3与外围器件4以及PC机搭建的决策层的导航系统重新进行路径规划来避开该障碍物。
如图1至图9所示，本发明检测生命体并标记位置的实施方式是机器人运动过程中通过人体红外检测模块34来检测煤矿井下的遇难人员。当人体红外检测模块34检测到活体时，由RGB-D深度摄像头41和PC机搭建的感知层开始运行视觉人体识别算法，对该名人员进行视觉锁定，机器人便开始对其进行追踪，同时闪烁照明灯42提醒该名人员，当活体不再移动时，为其提供急救物资并在三维地图上标记此处位置。
本发明主要目的是使机器人可进入灾后矿井中进行自主探测，搜寻遇难人员以及提供急救物资，且在过程中建立矿井三维结构地图并标记矿下人员坐标位置，同时机器人检测矿内瓦斯等气体含量，可有效辅助救援人员，降低矿井救援中人员伤亡率，使用时，机器人自主进入受难矿井，进入矿井后通过照明灯42、RGB-D深度摄像头41和激光雷达44的配合作用对矿井内部的结构进行实时建模，并通过无线传输模块32将地图模型信息传输给PC机，再根据自身建模的情况判断下一步的前进方向，同时结合腿部单元光电传感器26的设计实时地对机器人的步态进行调整，矿用瓦斯传感器45的设计可以使机器人实时检测矿井内瓦斯气体的浓度变化，储药仓43的设计可以使机器人靠近受难人员时为其提供急救物资。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，其特征在于：包括载物单元(1)、腿部单元(2)、控制单元(3)和外围器件(4)，载物单元(1)作为本装置的主体与腿部单元(2)直接相连，控制单元(3)安装在载物单元(1)内部，外围器件(4)安装在载物单元(1)表面。
2.根据权利要求1所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，其特征在于：所述的载物单元(1)包括载物平台下片(11)、铜柱(12)、载物平台上片(13)和电池仓盖板(14)；所述载物平台下片(11)与载物平台上片(13)的轮廓形状为六边形，载物平台下片(11)与载物平台上片(13)通过铜柱(12)固定，载物平台下片(11)设有多个定位孔，载物平台(13)上片设有多个定位孔和圆槽口，所述电池仓盖板(14)通过铜柱(12)固定在载物平台上片(13)的上侧，电池仓盖板(14)上设有多个定位孔。
3.根据权利要求1所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，其特征在于：所述的腿部单元(2)包括螺钉(21)、舵机(22)、双U型支架(23)、关节腿(24)、支撑腿(25)、光电传感器(26)、弹簧(27)和足尖(28)；腿部单元(2)上的舵机(22)通过螺钉(21)固定在载物平台下片(11)与载物平台上片(13)之间，从而实现腿部单元(2)与载物单元(1)的直接相连，所述的双U型支架(23)两侧分别连接了两个舵机(22)，所述的关节腿(24)通过螺钉(21)与舵机(22)铰接从而实现了关节腿(24)与双U型支架(23)的连接，所述的支撑腿(25)通过螺钉(21)与舵机(22)铰接从而实现支撑腿(25)与关节腿(24)的连接，所述的光电传感器(26)安装在支撑腿(25)的内侧，所述的足尖(28)插入支撑腿(25)的末端，且足尖(28)与支撑腿(25)之间设置有弹簧(27)。
4.根据权利要求1所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，其特征在于：所述的控制单元(3)包括Jeston Nano控制板(31)、无线传输模块(32)、舵机控制板(33)和人体红外检测模块(34)。
5.根据权利要求1所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，其特征在于：所述的外围器件(4)包括RGB-D深度摄像头(41)、照明灯(42)、储药仓(43)、激光雷达(44)、矿用瓦斯传感器(45)和锂电池(46)；所述的RGB-D深度摄像头(41)固定在载物平台上片(13)的圆槽口中，所述的照明灯(42)安装在RGB-D深度摄像头(41)上侧，所述的储药仓(43)固定在载物台上片(13)上，所述的激光雷达(44)安装在电池仓盖板(14)上侧，所述的矿用瓦斯传感器(45)安装在载物平台上片(13)上，所述的锂电池(46)固定在电池仓盖板(14)与载物平台上片(13)之间。
6.根据权利要求3所述的一种足式煤矿井下智能巡航搜救机器人，其特征在于：所述的支撑腿(25)是基于黑色尼龙材料3D打印的网状支撑结构。
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Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
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