CN211073605U - 将传感器模块安装到无人地面车辆 - Google Patents

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Abstract

一种无人地面车辆，包括主体、由所述主体支撑的驱动系统、枢转地联接到所述主体的操纵器臂以及传感器模块。所述驱动系统包括安装在所述主体的右侧和左侧的右从动履带组件和左从动履带组件。所述操纵器臂包括联接到所述主体的第一连杆、联接到所述第一连杆的肘部以及联接到所述肘部的第二连杆。所述肘部被配置成独立于所述第一连杆和所述第二连杆旋转。所述传感器模块安装在所述肘部上。

Description

将传感器模块安装到无人地面车辆
优先权声明
本申请要求2017年2月20日提交的、序列号为62/461,118的美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本说明书大体涉及移动机器人和移动机器人的操纵器臂。
背景技术
现代作战人员、执法人员和救援人员需要采用无人地面机器人来执行各种任务。该任务对无人地面车辆的要求可能不同，因此作战人员能够容易、快速地调整系统(有时是在现场)以实现其任务目标是至关重要的。
实用新型内容
一种无人地面车辆，包括主体、由所述主体支撑的驱动系统、枢转地联接到所述主体的操纵器臂以及传感器模块。所述驱动系统包括安装在所述主体的右侧和左侧的右从动履带组件和左从动履带组件。所述操纵器臂包括联接到所述主体的第一连杆、联接到所述第一连杆的肘部以及联接到所述肘部的第二连杆。所述肘部被配置成独立于所述第一连杆和所述第二连杆旋转。所述传感器模块安装在所述肘部上。
附图说明
图1示出了示例移动机器人车辆；
图2是具有操纵器臂的形态的示例机器人的侧视图；
图3是机器人的透视图，其示出了操纵器臂的部件；
图4A-B示出了操纵器臂处于收起位置的机器人的示例；
图5A-E示出了操纵器臂展开且传感器模块安装到操纵器臂的肘部的机器人的示例；
图6A-B示出了传感器模块安装在操纵器臂的远端的机器人的示例；
图7A-C示出了处于操纵器臂包括第一连杆和肘部并且没有第二连杆的配置的机器人的示例；以及
图8是用于操作无人地面车辆的示例方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了示例移动机器人车辆100，其可以用作能够在诸如城市地形、隧道、下水道和洞穴的各种环境中进行操作的无人地面车辆。此外，该机器人100可以帮助执行城市情报、监视和侦察(ISR)任务，化学/有毒工业化学品(TIC)、有毒工业材料(TIM)和侦察。尽管所示的机器人100包括具有翻转件的履带从动驱动系统，但是其他移动平台、配置和形态也是可能的，例如轮从动平台、爬行或行走平台等。
机器人100可以被设计成在各种环境中四处移动，所述各种环境包括建筑物(包括楼梯)、街道、地下隧道、建筑物卢布的城市环境以及植被(例如穿过草地和围绕树木)。机器人100可以具有各种特征，这些特征在这些环境中提供稳健的操作(包括抗冲击性、对碎片夹带的耐受性和可逆的可操作性)。
机器人100包括主体110(或底盘)，主体110具有由主体110支撑的驱动系统115。主体110具有右侧110a和左侧110b以及前导端110c、后缘端110d和重心CGM。在所示的示例中，主体110包括彼此平行设置的右刚性侧板112a和左刚性侧板112b。至少一个横向支撑件114将右侧板112a刚性地联接到左侧板112b。刚性部件被设计用于强度和低重量，并且可以由诸如7075-T6铝的材料制成。机器人100的替代版本可以使用其他材料，例如其他轻质金属、聚合物或复合材料。机器人100可以是电动的(例如，通过一组标准军用BB-2590可更换和可充电锂离子电池产生动力)。
在一些实施方式中，驱动系统115包括安装在主体110的对应的右侧110a和左侧110b并且分别具有右从动履带122a和左从动履带122b的右从动履带组件120a和左从动履带组件120b(也称为主履带120)。每个从动履带122a,122b卷绕在对应的前轮上，该前轮围绕驱动轴线15旋转。虽然机器人100被描绘为具有滑移转向从动履带，但是其他驱动系统也是可能的，例如差动从动轮、铰接式支腿等。
机器人100包括安装在主体110上的至少一个可伸展的翻转件130。在一些示例中，机器人100被配置成可释放地将一个或多个翻转件130接收到主体110上(例如，接收到主体110的前导端110c处的前驱动轮中的一个上并与之同心)。如图1所示，机器人100包括右翻转件130a和左翻转件130b，它们被示出为处于延伸超出主体110的前端或前导端110c的伸展配置中。
翻转件130,130a,130b各自具有远端130c、枢转端130d以及在远端130c和枢转端130d之间的翻转件重心CGF。每个翻转件130,130a,130b围绕主体110的前导端110c附近的驱动轴线15枢转。此外，每个翻转件130,130a,130b可以具有卷绕在翻转件驱动轮142a,142b上的从动翻转件履带140,140a,140b，该翻转件驱动轮142a,142b围绕翻转件130a,130b的枢转端130d处的驱动轴线15被驱动。
在所示的示例中，设置在翻转件130的翻转件侧板132上的翻转件履带支撑件134支撑对应的翻转件履带140。在一些实施方式中，翻转件130,130a,130b可以连续360度在收起位置(其中翻转件130a,130b紧邻主体110的右侧板112a和左侧板112b)和至少一个展开位置(其中翻转件130a,130b相对于主履带122a,122b枢转一定的角度)之间一致地旋转。机器人100的重心CGR可以包含在翻转件130a,130b的360度旋转的包络内。
在一些实施方式中，相应的右翻转件130a和左翻转件130b的翻转件侧板132通过铰接轴彼此刚性地联接，以一致地一起移动。在其他实施方式中，翻转件130a,130b彼此独立地枢转。主履带组件120a,120b和翻转件130,130a,130b的组合提供了可延展的驱动基座长度，以越过支撑表面中的间隙。在一些示例中，右主履带122a和右翻转件履带140a被一致地驱动，并且左主履带122b和左翻转件履带140b被一致地驱动，以提供滑移转向驱动系统。
主体110可以包括设置在主体110的前导端110c附近并且可以定位成具有指向前方和/或上方的视野的一个或多个相机118。该相机118可以捕获机器人环境的图像和/或视频，用于为机器人100导航和/或执行专门的任务(例如操纵通过隧道、下水道和洞穴等)。
机器人100可以包括一个或多个机器人操纵器臂150(例如，铰接臂)，每个操纵器臂具有枢转地联接到主体110的枢转端150p和可以配置成接收头部160或夹持器170或这两者的远端150d。臂150可以按照允许臂150以紧凑配置沿主体110被收起以及远离主体110枢转以允许更宽范围的CG移位范围(例如，为了越过障碍)的方式联接到主体110。
如图1所示，头部160和夹持器170安装在臂150的远端150d。臂150具有臂重心CGA，头部160具有重心CGH。头部160可以包括相机162(例如，可见光和/或红外相机)、雷达、LIDAR(光探测和测距，其需要测量散射光的特性的光学遥感，以找到远距离目标的范围和/或其他信息)、LADAR(激光探测和测距)、通信设备(射频、无线等)和/或其他部件。
为了实现可靠且稳健的自主或半自动移动，机器人100可以包括具有若干不同类型传感器的传感器系统。传感器可以彼此结合使用以产生对机器人环境的、足以允许机器人100的控制系统确定要在该环境中采取的动作的感知(即，局部感知)。传感器系统可以包括由机器人主体110支撑的一种或多种类型的传感器，该传感器可以包括探障避障(ODOA)传感器、通信传感器、导航传感器等。
例如，这些传感器可以包括接近度传感器、接触传感器、相机(例如，体积点云成像、三维(3D)成像或深度图传感器、可见光相机和/或红外相机)、声纳(例如，测距声纳和/或成像声纳)、雷达、LIDAR(光探测和测距，其需要测量散射光的特性的光学遥感，以找到远距离目标的范围和/或其他信息)、LADAR(激光探测和测距)、激光扫描仪、超声波传感器等。
在一些实施方式中，机器人100包括与驱动系统115、臂150以及安装在臂150上的任何头部160或夹持器170通信的机器人控制器200。机器人控制器200可以向驱动主履带200和翻转件履带140的一个或多个马达发出驱动命令。此外，机器人控制器200可以向翻转件马达135发出旋转命令，以使翻转件130围绕驱动轴线15旋转。机器人控制器200可以包括一个或多个计算机处理器及相关联的存储器系统。
机器人控制器200可以用硬件、软件、固件或硬件、软件和/或固件的组合来实现。在一些示例中，机器人控制器200可以使用存储计算机可执行指令的非暂时性计算机可读介质来实现，所述计算机可执行指令在由计算机的一个或多个处理器执行时使得计算机执行操作。计算机可读介质可以包括非暂时性计算机可读介质(诸如磁盘存储器设备、芯片存储器设备、可编程逻辑设备、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光学读/写存储器、高速缓冲存储器、磁读/写存储器、闪存和专用集成电路)。另外，实现机器人控制器200的计算机可读介质可以位于单个设备或计算平台上，或者可以分布在多个设备或计算平台上。
接近度传感器可以是会聚红外(IR)发射器-传感器元件、声纳传感器、超声波传感器和/或成像传感器(例如，3D深度图图像传感器)，其在物体位于机器人100的给定范围内时向机器人控制器200提供信号。机器人控制器200(执行控制系统)可以执行使得机器人100采取行动(例如在检测到障碍物时，改变其行进方向)的行为。
在一些示例中，传感器系统包括与机器人控制器200通信的惯性测量单元(IMU)，以测量和监测机器人100相对于机器人100的整体重心CGR的惯性矩。机器人控制器200可以监测来自IMU的反馈中的、与对应于正常无阻碍操作的阈值信号的任何偏差。例如，如果机器人开始远离直立位置俯仰，它可能是“被外物勾住而被绊倒(clothes lined)”或以其他方式受阻，或者有人可能突然增加了重的负载。在这些情况下，可能需要采取紧急动作(包括但不限于规避操纵、重新校准和/或发出音频/视觉警告)以确保机器人100的安全操作。
当从静止开始加速时，机器人控制器200可以考虑机器人100对其整体重心CGR的惯性矩，以防止机器人倾斜。机器人控制器200可以使用其姿势(包括其当前惯性矩)的模型。当支撑有负载时，机器人控制器200可以测量对整体重心CGR的负载影响并监测机器人惯性矩的移动。如果这不可能，则机器人控制器200可以将测试扭矩命令应用于驱动系统115并使用IMU测量机器人的实际线加速度和角加速度，以便通过实验确定安全极限。
机器人控制器200可以包括通信系统202，该通信系统202包括例如与远程操作员控制单元(OCU)50通信以接收命令和发布状态和/或导航信息的无线电。OCU 50可以包括显示器52(例如，LCD或触摸屏)、键盘54以及一个或多个辅助用户输入设备56(例如操纵杆或游戏单元)。OCU 50还可以包括通信中的计算处理器和存储器。处理器被编程用于在显示器52上呈现图形。OCU 50允许操作员或用户远距离控制机器人100。
在一些示例中，用户可以选择对机器人100的、从远程操作模式(其中用户直接控制机器人100上的马达和致动器)到自主操作(其中用户将更高级别的命令传递给机器人100)的不同级别的人为控制。在部分自主操作中，机器人100可以执行诸如沿着外缘或壁、从卡在开口中恢复或者从由于高度居中于障碍物而被卡住中恢复、躲避移动物体或寻找光的任务。
机器人控制器200可以安装在机器人100上的任何适当位置。在一些实施方式中，机器人控制器200安装在主体110的跨越在驱动履带或轮之间的位置。主体110可以包括控制电子器件容置部，该控制电子器件容置部是主体110的一部分，即，集成到主体110的形状中。这种形态导致臂150负载定位在控制电子器件容置部的顶部上。当安装有臂150时，这种布置增加了机器人100的竖直高度。或者，机器人控制器200可以位于另一位置，以为臂150开创更多空间。
图2是具有操纵器臂150的形态的示例机器人100的侧视图。如该示例中所示，操纵器臂150具有七个自由度(DOF)。图2示出了操纵器臂150的运动学布局。运动链从主体到操纵器的端部：偏航-俯仰-俯仰-俯仰-俯仰-滚动-夹持。操纵器臂150被配置成借助于多个电子控制的马达(例如，每个DOF一个马达)来根据运动链移动。
机器人100包括传感器模块400，例如情报、监视和侦察(ISR)传感器模块。传感器模块400可以包括多个传感器和用于操作传感器的适当处理电路。例如，传感器模块400可以包括一个或多个相机和用于从相机产生适于数字记录和/或传输到远程操作员控制单元的视频馈送的数字电路。传感器模块400可以包括其他传感器(例如，接近传感器、接触传感器，以及如上参照图1描述的其他传感器)。
传感器模块400可以根据操作者的要求简单且快速地重新定位在机器人100上的多个位置处。传感器模块400可以借助于用于传感器模块400的、例如在操纵器臂150的多个位置处的多个安装座重新定位。机器人100可以被进一步模块化，其中机器人100可以在机器人的前部和后部包括可选的相机安装座，并且夹持器170可以包括可释放的夹持器指状件(例如被设计尺寸以夹持到夹持器指状件安装座以在现场进行免工具移除或插入的夹持器指状件)。
图3是机器人100的透视图，其示出了操纵器臂150的部件。操纵器臂150具有枢转地联接到主体的第一连杆150a和接收夹持器170的第二连杆150b。第二连杆150b通过肘部150c枢转地联接到第一连杆150a，肘部150c容置用于枢转第二连杆150b的马达。操纵器臂150还包括转台150t。
尽管在该示例中操纵器臂150被示出为具有两个连杆150a-b，但是通常，操纵器臂150可以具有任何适当数量的连杆。传感器模块可以安装在任何两个连杆之间的肘部上。肘部可以独立于两个连杆被控制，以允许传感器模块独立于连杆移动。
在一些示例中，肘部150c包括肘部马达，所述肘部马达用于控制肘部150c独立于第一和第二连杆150a-b的旋转定向。借助于肘部马达，即使当操纵器臂150伸展或缩回到完全伸展位置和收起位置之间的各种位置时，传感器模块400也可以旋转以相对于机器人100进一步朝上或朝下或者保持水平取向。
在一些示例中，第一连杆150a包括用于旋转肘部150c的第一马达，第二连杆150b包括用于使第二连杆150b围绕肘部150c枢转的第二马达。第一和第二马达一起工作以确定传感器模块400和第二连杆150b相对于第一连杆150a的位置。在一些其他示例中，操纵器臂150包括用于旋转肘部150c的专用肘部马达，即，与用于枢转第一和第二连杆150a-b的第一和第二马达区分开的专用肘部马达。
操纵器臂150包括在肘部150c上的、用于传感器模块400的第一安装座和在夹持器170顶部上的、用于传感器模块400的第二安装座。传感器模块400可以包括多个匹配安装特征。例如，假设传感器模块400通过例如螺栓或带或这两者安装到肘部150c。传感器模块400还可以包括允许传感器模块400被放置在任何皮卡汀尼导轨上的皮卡汀尼安装夹具。操纵器臂150可以具有例如作为夹持器170顶部上的皮卡汀尼导轨420的、用于传感器模块400的第二安装座。
图4A-B示出了操纵器臂处于收起位置的机器人的示例。图4A是具有前翻转件和后翻转件的形态的机器人的侧视图450。传感器模块400安装到操纵器臂的肘部，然后与操纵器臂一起收起到机器人的履带之间的容积内。在该位置，传感器模块400和操纵器臂都整个收起在履带之间的容积内。
图4B示出了具有前翻转件和向前安装、即安装成相比于主体的后端更靠近主体的前端和翻转件的操纵器臂的形态的机器人的侧视图452和透视图454。机器人包括一个或多个可选的伸缩天线456。
图5A-E示出了操纵器臂展开且传感器模块安装到操纵器臂的肘部的机器人的示例。图5A示出了具有前翻转件和后翻转件的形态的机器人的侧视图550和透视图552。图5B示出了具有前翻转件和向前安装的操纵器臂的形态的机器人的左侧视图554和右侧视图556。图5C示出了侧视图558和透视图560，其示出了转台150t的位置，该转台在履带之间的容积中安装得足够低，使得操纵器臂和传感器模块可以装配到履带之间的容积中。
图5D示出了传感器模块400从肘部安装座拆下的机器人的透视图562和侧视图564，其示出了传感器模块位置的模块性。图5E示出了第一和第二连杆150a-b以及肘部150c的细节视图。肘部150c包括传感器模块400的安装点。
该安装点可以包括柱或其他机械结构，所述柱或其他机械结构被配置用于例如传感器模块400的免工具附接和拆卸。该安装点可以包括电连接器，所述电连接器用于向传感器模块400提供电力以及用于从传感器模块400接收传感器数据，并且可以将传感器数据传送到例如机器人上的控制器。
如图5E所示，通过将位于传感器模块400上的销与肘部150c中的配合孔580对准，将传感器模块400安装到肘部150c。螺钉582用于将传感器模块400紧固到肘部150c。盲配合连接器584向传感器模块400提供电力和信号。可以通过移除螺钉并将传感器模块400从肘部150c拉出来移除传感器模块400。
图6A-B示出了传感器模块安装在操纵器臂的远端的机器人的示例。图6A示出了具有前翻转件和后翻转件的形态的机器人的侧视图650和透视图652。传感器模块400使用皮卡汀尼安装接口安装在夹持器170的顶部。操纵器臂150展开。这允许传感器模块400具有更高的视点，并因此可能具有改善的态势感知。图6B示出了具有前翻转件和向前安装的操纵器臂的形态的机器人的透视图654和侧视图656。
图7A-C示出了处于操纵器臂包括第一连杆和肘部并且没有第二连杆的配置的机器人的示例。图7A示出了处于仅具有传感器的配置的机器人的侧视图750和透视图752，其中第二连杆150b和夹持器170从操纵器臂150移除。传感器模块400安装在肘部150c上。这允许整体更轻的机器人，以用于不需要夹持器操纵的环境、同时保持使传感器模块400平移/倾斜的能力的情况。肘部俯仰DOF允许传感器模块400相对于操纵器臂150向上/向下俯仰，同时转台偏航DOF提供平移能力。
图7B示出了具有前翻转件和向前安装的操纵器臂以及安装在操纵器臂上的传感器模块的形态的机器人的侧视图754。图7B还示出了传感器模块被拆卸的侧视图756。图7C示出了具有前翻转件和向前安装的操纵器臂以及安装在操纵器臂上的传感器模块的机器人的透视图758。图7C还示出了传感器模块被拆卸的透视图760。
图8是用于操作无人地面车辆的示例方法800的流程图。方法800可以由操作员在现场执行。方法800包括将传感器模块安装到操纵器臂上的第一位置，例如安装到操纵器臂的可独立控制的肘部(802)。方法800包括操作机器人并在机器人操作期间枢转肘部和附接的传感器模块(804)。方法800包括将传感器模块重新安装在操纵器臂上的第二位置，例如，使用皮卡汀尼导轨将传感器模块重新安装到操纵器臂上的夹持器的顶部，然后在传感器模块位于第二位置的情况下进一步操作机器人(806)。
尽管上面已经描述了特定示例和特征，但是这些示例和特征并不旨在限制本公开的范围，即使在关于特定特征仅描述了单个示例的情况下也是如此。除非另有说明，否则本公开中提供的特征的示例旨在是说明性的而非限制性的。以上描述旨在覆盖对于受益于本公开的本领域技术人员显而易见的这些替代、修改和等同物。
本公开的范围包括本说明书中公开(明确地或隐含地)的任何特征或特征的组合，或者对所公开的特征的任何概括，无论这些特征或概括是否缓解了本说明书中描述的任何或所有问题。因此，在本申请(或要求本申请优先权的申请)的审查期间，可以以特征的任何这种组合提出新的权利要求。特别地，参考所附权利要求，从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征组合，并且各个独立权利要求的特征可以以任何适当的方式组合，而不仅仅是在所附权利要求中列举的特定组合。

Claims (15)

1.一种无人地面车辆，其特征在于，所述无人地面车辆包括：
主体；
由所述主体支撑的驱动系统，所述驱动系统包括安装在所述主体的右侧和左侧的右从动履带组件和左从动履带组件；
枢转地联接到所述主体的操纵器臂，其中，所述操纵器臂包括联接到所述主体的第一连杆、联接到所述第一连杆的肘部和联接到所述肘部的第二连杆，其中所述肘部被配置成独立于所述第一连杆和所述第二连杆旋转；以及
安装在所述肘部上的传感器模块。
2.根据权利要求1所述的无人地面车辆，其特征在于，所述无人地面车辆包括机器人控制器，所述机器人控制器被配置成通过向一个或多个驱动系统马达和一个或多个操纵器马达提供控制信号来控制所述驱动系统和所述操纵器臂。
3.根据权利要求1所述的无人地面车辆，其特征在于，所述无人地面车辆包括延伸超出所述主体的前端的右翻转件和左翻转件，其中，所述右翻转件和所述左翻转件中的每一个围绕驱动系统的驱动轴线枢转，并且其中所述右翻转件和所述左翻转件中的每一个包括卷绕在翻转件驱动轮上的从动翻转件履带，所述翻转件驱动轮围绕所述驱动轴线被驱动。
4.根据权利要求1所述的无人地面车辆，其特征在于，所述无人地面车辆包括通信系统，所述通信系统被配置成与远程操作员控制单元通信以及将来自所述传感器模块的传感器数据发送到所述远程操作员控制单元。
5.根据权利要求4所述的无人地面车辆，其特征在于，所述通信系统被配置成接收命令以伸展或收起所述操纵器臂。
6.根据权利要求4所述的无人地面车辆，其特征在于，所述通信系统被配置成接收命令以使用所述肘部马达使所述肘部平移/倾斜。
7.根据权利要求4所述的无人地面车辆，其特征在于，所述无人地面车辆包括在所述第二连杆的远端上的夹持器，其中，所述通信系统被配置成接收命令以使所述夹持器收缩以接触物体。
8.根据权利要求1所述的无人地面车辆，其特征在于，所述传感器模块包括多个不同类型的传感器，所述多个不同类型的传感器至少包括相机。
9.根据权利要求1所述的无人地面车辆，其特征在于，所述第二连杆枢转地联接到所述肘部，所述第一连杆包括用于旋转所述肘部的第一马达，并且所述第二连杆包括用于使所述第二连杆围绕所述肘部枢转的第二马达，使得所述第一马达和所述第二马达被配置成控制所述传感器模块和所述第二连杆相对于所述第一连杆的位置。
10.根据权利要求1所述的无人地面车辆，其特征在于，所述操纵器臂通过转台联接到所述主体，所述转台被配置成为所述操纵器臂提供偏航能力。
11.一种无人地面车辆，其特征在于，所述无人地面车辆包括：
主体；
由所述主体支撑的驱动系统，所述驱动系统包括安装在所述主体的右侧和左侧的右从动履带组件和左从动履带组件；
传感器模块；
枢转地联接到所述主体的操纵器臂，其中，所述操纵器臂包括联接到所述主体的第一连杆、联接到所述第一连杆的肘部和枢转地联接到所述肘部的第二连杆；以及
在所述肘部上的、用于所述传感器模块的第一安装座和在所述第二连杆的远端处的、用于所述传感器模块的第二安装座。
12.根据权利要求11所述的无人地面车辆，其特征在于，所述无人地面车辆包括肘部马达，所述肘部马达被配置成使所述肘部独立于所述第一连杆和所述第二连杆旋转。
13.根据权利要求11所述的无人地面车辆，其特征在于，用于所述传感器模块的所述第一安装座包括一个或多个螺栓孔以及一个或多个带。
14.根据权利要求11所述的无人地面车辆，其特征在于，所述第二安装座包括皮卡汀尼导轨，并且所述传感器模块包括皮卡汀尼夹具。
15.根据权利要求11所述的无人地面车辆，其特征在于，所述无人地面车辆包括在所述第二连杆的所述远端处的夹持器，其中，所述第二安装座位于所述夹持器的顶部。
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