CN113357503B - 一种基于变构型多传感融合的足式机器人感知装置 - Google Patents

一种基于变构型多传感融合的足式机器人感知装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于变构型多传感融合的足式机器人感知装置，属于足式机器人技术领域。本发明的装置基于角度可控的变构型感知设备可实现全局与局部高精度地图的标定及生成，完成足式机器人导航及定位的实时任务；本设计方案将激光雷达与双目摄像头云台相结合，辅以同步带驱动系统，使得该装置布局更加紧凑，可感知区域更广，并能够实现其激光雷达及双目摄像头可根据需要更改扫描区域，实现了根据需求扫描不同区域的功能，通过调整两个激光雷达间的相对夹角，对不同的区域进行扫描，还可建立地图模型并与双目摄像头反馈回来的信息进行校对并为足式机器人的自主行走提供保障。

Description

一种基于变构型多传感融合的足式机器人感知装置
技术领域
本发明属于足式机器人技术领域，具体涉及一种基于变构型多传感融合的足式机器人感知装置。
背景技术
激光雷达与双目摄像头是足式机器人常用的两种感知传感器，并且目前常见的做法是两个激光雷达搭配两个双目摄像头，其中上方的激光雷达与机器人躯体相对水平放置，下方的激光雷达与地面保持一定角度，而双目摄像头则放置在机器人前端两侧。而这种方式会有两个问题：
1、若下方的激光雷达与地面夹角较小，机器人下方的盲区会相对较大，若下方的激光雷达与地面夹角较大，机器人实时扫描到的区域则较小，导致留给机器人应对突发情况的时间较少，因此这种做法一般会将下方的雷达固定在一个相对折中的角度。
2、两个双目会导致功能过剩，并且结构冗余，但一个双目的检测角度又不能应对需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种能够实现多角度结构变化的足式机器人感知装置。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于变构型多传感融合的足式机器人感知装置，包括：主框架A、双目云台B、云台动力系统C；所述双目云台B与主框架A连接，云台动力系统C安装在主框架A上。
优选地，所述主框架A包括第一雷达固定平台A-1、上盖板A-2、第二下层框架侧板A-3、上层框架侧板A-5、上层框架底座A-6、第一下层框架侧板A-7；所述主框架A顶端的第一雷达固定平台A-1通过螺丝连接第一激光雷达A-10，第一雷达固定平台A-1通过其下方两侧的螺丝孔连接两块上层框架侧板A-5，上层框架侧板A-5则插入上层框架底座A-6上方的卡槽内，并通过螺丝进行固定；
所述上层框架底座A-6通过两侧的安装孔与第一下层框架侧板A-7、第二下层框架侧板A-3进行固定，在第一下层框架侧板A-7上安装了两个同步带的张紧轮组A-8与一个云台主动轴A-9，两个张紧轮组A-8则插入第一下层框架侧板A-7上预留的滑槽内，两个张紧轮组A-8的相对位置可调；上盖板A-2通过卡槽加螺丝的方式与第一下层框架侧板A-7、第二下层框架侧板A-3、上层框架底座A-6相连接并形成一个腔体；云台主动轴A-9与第一下层框架侧板A-7之间安装有微型法兰轴承与平面推力轴承，云台主动轴A-9的轴端先套进所述平面推力轴承再套入所述微型法兰轴承，最后插进第一下层框架侧板A-7的末端安装孔内，并用卡簧进行固定；第二下层框架侧板A-3上安装有云台从动轴A-4。
优选地，所述双目云台B包括第二雷达金属底座B-1、回旋轴承固定座B-3、舵机法兰盘B-4、回旋轴承连接件B-5、回旋轴承B-6、双目摄像头固定架B-7、双目摄像头B-8；顶端的第二雷达金属底座B-1通过中央的安装孔用螺丝固定安装有第二激光雷达B-9，第二雷达金属底座B-1下方的凹槽内固定安装有舵机B-2，并且第二雷达金属底座B-1两侧带螺纹孔的凹槽与主框架A中的云台主动轴A-9、云台从动轴A-4相连接；回旋轴承固定座B-3通过螺丝与第二雷达金属底座B-1相连接，同时回旋轴承固定座B-3与回旋轴承B-6外圈相连接，舵机法兰盘B-4通过中央的螺丝孔与舵机B-2相连接，同时舵机法兰盘B-4四周有四个螺纹孔与回旋轴承连接件B-5通过螺丝相连接，回旋轴承连接件B-5与回旋轴承B-6内圈连接，双目摄像头固定架B-7通过中央四个固定孔与回旋轴承B-6内圈连接，双目摄像头B-8固定在双目摄像头固定架B-7一侧的平面上，双目摄像头B-8可在0-°180°的范围内左右转动。
优选地，所述云台动力装置C包括云台电机C-1、同步带主动轮C-2、同步带C-3、同步带从动轮C-4；云台电机C-1通过螺丝固定在第一下层框架侧板A-7的上部，同步带主动轮C-2通过顶丝固定在云台电机C-1的输出轴上，同步带从动轮C-2通过顶丝固定在云台主动轴A-9上，同步带C-3以图5的形式固定在同步带主动轮C-2与同步带从动轮C-4之间，可通过张紧轮组A-8下方的螺丝调节同步带C-3的张紧程度；云台电机C-1转动可带动同步带主动轮C-2转动，再通过同步带C-3，带动同步带从动轮C-4转动，进而带动双目云台B转动，双目云台B在云台动力装置C的控制下可以在0°-90°的范围内转动。
优选地，所述双目云台B与主框架A通过云台主动轴A-9和云台从动轴A-4铰接。
优选地，所述云台动力系统C安装在主框架A的第一下层框架侧板A-7上。
优选地，所述主框架A的第一激光雷达A-10顶面与双目云台B的第二激光雷达B-9顶面平行时双目云台B为0°。
优选地，所述主框架A的第一激光雷达A-10与主框架A为刚性连接。
优选地，所述同时双目云台B上方安装的第二激光雷达B-9与其刚性连接。
优选地，所述腔体中安装有主控模块、交换机、USB Hub、电源转接模块、雷达数据采集器。
(三)有益效果
本发明的装置基于角度可控的变构型感知设备可实现全局与局部高精度地图的标定及生成，完成足式机器人导航及定位的实时任务；本设计方案将激光雷达与双目摄像头云台相结合，辅以同步带驱动系统，使得该装置布局更加紧凑，可感知区域更广，并能够实现其激光雷达及双目摄像头可根据需要更改扫描区域，实现了根据需求扫描不同区域的功能，通过调整两个激光雷达间的相对夹角，对不同的区域进行扫描，还可建立地图模型并与双目摄像头反馈回来的信息进行校对并为足式机器人的自主行走提供保障。
附图说明
图1为本发明的主框架整体三维图；
图2为本发明的主体框架整体零件爆炸三维图；
图3为本发明的双目云台整体三维图；
图4为本发明的双目云台整体零件爆炸三维图；
图5为本发明的云台动力装置整体三维图；
图6为本发明的变构型多传感融合感知装置总装配图；
图7为本发明的双目云台处于初始状态(转动角度为0°)；
图8为本发明的双目云台转动到最大角度(转动角度为90°)；
图9为本发明的双目摄像头处于初始状态(角度为90°)；
图10为本发明的双目摄像头向右转动到最小值(角度为0°)；
图11为本发明的双目摄像头向左转动到最大值(角度为180°)。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提供的一种基于变构型多传感融合的足式机器人感知装置如图6所示，包括：主框架A、双目云台B、云台动力系统C；
所述双目云台B与主框架A通过双目云台B的云台主动轴A-9和云台从动轴A-4铰接，云台动力系统C安装在主框架A的第一下层框架侧板A-7上。
其中，主框架A如图1所示，主框架A整体零件爆炸三维图如图2所示，包括第一雷达固定平台A-1、上盖板A-2、第二下层框架侧板A-3、上层框架侧板A-5、上层框架底座A-6、第一下层框架侧板A-7；所述主框架A顶端的第一雷达固定平台A-1通过螺丝连接第一激光雷达A-10，同时第一雷达固定平台A-1与上层框架底座A-6通过两块上层框架侧板A-5相连接，具体方式为：第一雷达固定平台A-1通过其下方两侧的螺丝孔连接两块上层框架侧板A-5，上层框架侧板A-5则插入上层框架底座A-6上方的卡槽内，并通过螺丝进行固定；
所述上层框架底座A-6通过两侧的安装孔与第一下层框架侧板A-7、第二下层框架侧板A-3进行固定，在第一下层框架侧板A-7上安装了两个同步带的张紧轮组A-8与一个云台主动轴A-9，两个张紧轮组A-8则插入第一下层框架侧板A-7上预留的滑槽内，通过调节涨紧轮的螺丝可以调整两个张紧轮组A-8的相对位置，进而能够调节张紧轮的松紧程度；上盖板A-2通过卡槽加螺丝的方式与第一下层框架侧板A-7、第二下层框架侧板A-3、上层框架底座A-6相连接并形成一个腔体，起到加固主框架A的作用，所述腔体中安装有主控模块、交换机、USB Hub、电源转接模块、雷达数据采集器；云台主动轴A-9与第一下层框架侧板A-7之间安装有微型法兰轴承与平面推力轴承，云台主动轴A-9的轴端先套进所述平面推力轴承再套入所述微型法兰轴承，最后插进第一下层框架侧板A-7的末端安装孔内，并用卡簧进行固定；第二下层框架侧板A-3上安装有云台从动轴A-4，并且同样安装有微型法兰轴承与平面推力轴承，同样地，云台从动轴A-4也是通过这样的方式与第二下层框架侧板A-3进行连接安装。
双目云台B如图3所示，双目云台B整体零件爆炸三维图如图4所示，包括第二雷达金属底座B-1、回旋轴承固定座B-3、舵机法兰盘B-4、回旋轴承连接件B-5、回旋轴承B-6、双目摄像头固定架B-7、双目摄像头B-8；顶端的第二雷达金属底座B-1通过中央的安装孔用螺丝固定安装有第二激光雷达B-9，第二雷达金属底座B-1下方的凹槽内固定安装有舵机B-2，并且第二雷达金属底座B-1两侧带螺纹孔的凹槽与主框架A中的云台主动轴A-9、云台从动轴A-4相连接；回旋轴承固定座B-3通过螺丝与第二雷达金属底座B-1相连接，同时回旋轴承固定座B-3与回旋轴承B-6外圈相连接，舵机法兰盘B-4通过中央的螺丝孔与舵机B-2相连接，同时舵机法兰盘B-4四周有四个螺纹孔与回旋轴承连接件B-5通过螺丝相连接，回旋轴承连接件B-5与回旋轴承B-6内圈连接，双目摄像头固定架B-7通过中央四个固定孔与回旋轴承B-6内圈连接，双目摄像头B-8固定在双目摄像头固定架B-7一侧的平面上，装置启动后，双目摄像头B-8位于初始位置(如图9所示)，此时双目摄像头B-8向右最大可转90°(如图10所示)，向左最大可转90°(如图11所示)。
云台动力装置C如图5所示，包括云台电机C-1、同步带主动轮C-2、同步带C-3、同步带从动轮C-4；云台电机C-1通过螺丝固定在第一下层框架侧板A-7的上部，同步带主动轮C-2通过顶丝固定在云台电机C-1的输出轴上，同步带从动轮C-2通过顶丝固定在云台主动轴A-9上，同步带C-3以图5的形式固定在同步带主动轮C-2与同步带从动轮C-4之间，可通过张紧轮组A-8下方的螺丝调节同步带C-3的张紧程度；云台电机C-1转动可带动同步带主动轮C-2转动，再通过同步带C-3，带动同步带从动轮C-4转动，进而带动双目云台B转动，双目云台B在云台动力装置C的控制下可以在0°-90°的范围内转动(主框架A的第一激光雷达A-10顶面与双目云台B的第二激光雷达B-9顶面平行时为0°)。
所述主框架A的第一激光雷达A-10与主框架A为刚性连接；双目云台B下部的双目摄像头B-8可以在0-°180°(正前方为90°)的范围内左右转动，同时双目云台B上方安装的第二激光雷达B-9与其刚性连接。
当感知装置启动之后，双目云台B会处于初始位置(如图7所示)，通过雷达、摄像头与IMU的自标定，并通过双雷达与双目摄像头B-8完成地形环境建模，双激光雷达采集的信号需要经过雷达数据采集器传回主控模块完成导航及地图定位的功能，双目摄像头B-8采集到的信号通过USB Hub导入主控模块中完成人员识别及障碍物检测等功能，激光雷达采集到的点云及里程计信息传入主控模块生成局部及全局的2.5D稠密地图来完成足式机器人导航规划及避障策略，并将导航及定位感知信息传输给足式机器人运动控制单元，实现足式机器人在复杂路面的自主鲁棒行走。
可以根据实际需要调节双目云台雷达的倾角，例如通过双目摄像头B-8判断当前地形不复杂，但突发情况可能较多，此时可以将倾角调小，使得感知装置获得更大范围的感知区域，这样使得机器人有充分的时间应对危险；若当前地形较为复杂，突发情况较少，此时可以将倾角调大(如图8所示)，使得机器人能够更好地获得实时的地面信息，找到合适的落脚点，保证前进的稳定性；若地形复杂程度与突发情况概率都一般，此时可以将倾角调到适中，兼顾两者。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于变构型多传感融合的足式机器人感知装置，其特征在于，包括：主框架(A)、双目云台(B)、云台动力系统(C)；所述双目云台(B)与主框架(A)连接，云台动力系统(C)安装在主框架(A)上；
所述主框架(A)包括第一雷达固定平台(A-1)、上盖板(A-2)、第二下层框架侧板(A-3)、上层框架侧板(A-5)、上层框架底座(A-6)、第一下层框架侧板(A-7)；所述主框架(A)顶端的第一雷达固定平台(A-1)通过螺丝连接第一激光雷达(A-10)，第一雷达固定平台(A-1)通过其下方两侧的螺丝孔连接两块上层框架侧板(A-5)，上层框架侧板(A-5)则插入上层框架底座(A-6)上方的卡槽内，并通过螺丝进行固定；
所述上层框架底座(A-6)通过两侧的安装孔与第一下层框架侧板(A-7)、第二下层框架侧板(A-3)进行固定，在第一下层框架侧板(A-7)上安装了两个同步带的张紧轮组(A-8)与一个云台主动轴(A-9)，两个张紧轮组(A-8)则插入第一下层框架侧板(A-7)上预留的滑槽内，两个张紧轮组(A-8)的相对位置可调；上盖板(A-2)通过卡槽加螺丝的方式与第一下层框架侧板(A-7)、第二下层框架侧板(A-3)、上层框架底座(A-6)相连接并形成一个腔体；云台主动轴(A-9)与第一下层框架侧板(A-7)之间安装有微型法兰轴承与平面推力轴承，云台主动轴(A-9)的轴端先套进所述平面推力轴承再套入所述微型法兰轴承，最后插进第一下层框架侧板(A-7)的末端安装孔内，并用卡簧进行固定；第二下层框架侧板(A-3)上安装有云台从动轴(A-4)；
所述双目云台(B)包括第二雷达金属底座(B-1)、回旋轴承固定座(B-3)、舵机法兰盘(B-4)、回旋轴承连接件(B-5)、回旋轴承(B-6)、双目摄像头固定架(B-7)、双目摄像头(B-8)；顶端的第二雷达金属底座(B-1)通过中央的安装孔用螺丝固定安装有第二激光雷达(B-9)，第二雷达金属底座(B-1)下方的凹槽内固定安装有舵机(B-2)，并且第二雷达金属底座(B-1)两侧带螺纹孔的凹槽一对一地分别与主框架(A)中的云台主动轴(A-9)、云台从动轴(A-4)相连接；回旋轴承固定座(B-3)通过螺丝与第二雷达金属底座(B-1)相连接，同时回旋轴承固定座(B-3)与回旋轴承(B-6)外圈相连接，舵机法兰盘(B-4)通过中央的螺丝孔与舵机(B-2)相连接，同时舵机法兰盘(B-4)四周有四个螺纹孔与回旋轴承连接件(B-5)通过螺丝相连接，回旋轴承连接件(B-5)与回旋轴承(B-6)内圈连接，双目摄像头固定架(B-7)通过中央四个固定孔与回旋轴承(B-6)内圈连接，双目摄像头(B-8)固定在双目摄像头固定架(B-7)一侧的平面上，双目摄像头(B-8)可在0 °- 180°的范围内左右转动。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述云台动力系统 (C)包括云台电机(C-1)、同步带主动轮(C-2)、同步带(C-3)、同步带从动轮(C-4)；云台电机(C-1)通过螺丝固定在第一下层框架侧板(A-7)的上部，同步带主动轮(C-2)通过顶丝固定在云台电机(C-1)的输出轴上，同步带从动轮(C-4)通过顶丝固定在云台主动轴(A-9)上，同步带(C-3)固定在同步带主动轮(C-2)与同步带从动轮(C-4)之间，可通过张紧轮组(A-8)下方的螺丝调节同步带(C-3)的张紧程度；云台电机(C-1)转动可带动同步带主动轮(C-2)转动，再通过同步带(C-3)，带动同步带从动轮(C-4)转动，进而带动双目云台(B)转动，双目云台(B)在云台动力系统(C)的控制下可以在0°-90°的范围内转动。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述双目云台(B)与主框架(A)通过云台主动轴(A-9)和云台从动轴(A-4)铰接。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述云台动力系统(C)安装在主框架(A)的第一下层框架侧板(A-7)上。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述主框架(A)的第一激光雷达(A-10)顶面与双目云台(B)的第二激光雷达(B-9)顶面平行时双目云台(B)为0°。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主框架(A)的第一激光雷达(A-10)与主框架(A)为刚性连接。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述腔体中安装有主控模块、交换机、USBHub、电源转接模块、雷达数据采集器。
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