CN211076110U - 一种多元信息救援机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多元信息救援机器人，其结构包括由多个水平的层板组成的层式机体结构，层板上下排布，层板由金属柱固定在一起，在层式机体结构的两侧分别设置有履带机构，在层式机体结构内设置有主控驱动板和电池组，在层式机体结构上设置有热感应传感器、超声探头以及红外距离探头，在层式机体结构上设置有驱动电机，每个履带机构由一个驱动电机单独驱动，电池组为主控驱动板、热感应传感器、超声探头、红外距离探头以及驱动电机提供电能，主控驱动板与热感应传感器、超声探头、红外距离探头以及驱动电机之间电连接。本实用新型能够自动追踪定位，通过性强，灵活性高，结构简单但具有足够的结构强度，质量小。

Description

一种多元信息救援机器人

技术领域

本实用新型涉及一种救援机器人，具体地说是一种多元信息救援机器人。

背景技术

地震、火灾等极端自然灾害或人为灾害，极大的危害人们的生命财产安全。如何在灾害发生时，对灾害场所内受灾人员或火灾现场内危险热源进行准确定位，成为推进救援工作开展至关重要的环节。由于灾害现场存在极大的不确定性和危险性，通过人员进入灾害现场进行对目标的搜索定位，极容易对救援人员造成二次伤害，不利于减轻救援负担。

随着电子技术和自动控制技术的飞速发展，通过机器人进行灾害现场的侦测救援工作成为了目前重点发展的对象。基于此，如何通过机器人快速灵活的到达目标所在位置，同时能够提升救援人员的实用体验，降低实用难度成为当前救援机器人发展的热点问题。

机器人在复杂地形环境下对热源目标的准确定位监测，需要对目标信号的及时捕捉和准确锁定。同时，对机器人的地形适应性和通过性具有较高的要求，需要机器人可以准确的识别障碍物和无法通过路段，并且能够在狭小空间内实现对自身姿态的灵活调整。基于以上的要求，可以总结为机器人需要具备特征信号准确提取、路况信息识别、通过性以及狭小空间内灵活控制自身姿态的能力。

现有的针对于复杂地形环境的巡检机器人主要是通过使用履带或大型轮胎，结合操作员进行远程行进控制来提升其通过性和灵活性。通过摄像头回传的图像信息，进行需监测目标的侦测及确定。

现有的机器人传感器使用单一，使得路面障碍检测面覆盖不全，或是使用云台搭载传感器，造成在旋转云台方向过程中存在检测时间延迟，现有的机器人无法自主行进避障，机器人对人工操作控制的依赖程度过高。现有的救援机器人都是全金属机体，制作成本过高、自重过大，导致救援机器人无法普及。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种多元信息救援机器人，以解决现有救援机器人需要人工控制、不够灵活、通过性差的问题。

本实用新型是这样实现的：一种多元信息救援机器人，包括由多个水平的层板组成的层式机体结构，所述层板上下排布，所述层板由金属柱固定在一起，在所述层式机体结构的两侧分别设置有履带机构，在所述层式机体结构内设置有主控驱动板和电池组，在所述层式机体结构上设置有热感应传感器、超声探头以及红外距离探头，在所述层式机体结构上设置有驱动电机，每个所述履带机构由一个所述驱动电机单独驱动，所述电池组为所述主控驱动板、热感应传感器、超声探头、红外距离探头以及驱动电机提供电能，所述主控驱动板与所述热感应传感器、超声探头、红外距离探头以及驱动电机之间电连接。

所述层式机体结构由三层层板组成，由上至下依次为上层板、中间层板以及下层板。

所述热感应传感器设置于所述上层板的前端，所述超声探头设置于所述上层板的后端，所述红外距离探头共有四个且设置于所述上层板的四角。

所述主控驱动板设置于所述上层板与所述中间层板之间，且所述主控驱动板固定在所述金属柱上，所述电池组设置于所述中间层板与所述下层板之间。

所述驱动电机与所述履带机构设置于所述下层板的两侧。

所述电池组为锂电池组。

所述主控驱动板包括主控芯片、电机驱动芯片、传感器接口以及电源管理模块。

所述层式机体结构采用ABS工程塑料制成。

所述金属柱设置于所述层式机体结构的四角。

本实用新型采用层式的机体结构，使救援机器人的机体具有足够的结构强度，同时能够做到轻量化，使救援机器人能够灵活的移动。在层式机体结构上安装有热感应传感器、超声探头、红外距离探头，使救援机器人能够同时对机体四周全方向的障碍物进行实时检测，多种传感器组合使用，提升检测信息的准确性。使用履带机构作为行走机构，能够最大程度的提升救援机器人的抓地力，能够提升救援机器人在复杂路面下的通过能力，同时两个履带机构分别由单独的驱动电机驱动，两个履带能够以不同的速度移动实现不同角度的转弯，提高救援机器人的灵活性。救援机器人直接由安装在层式机体结构上的主控驱动板控制，能够自动检测并通过障碍物，自动追踪热源，完成对被困人员或火源的追踪定位。

本实用新型能够自动追踪定位，通过性强，灵活性高，结构简单但具有足够的结构强度，质量小。

附图说明

图1是本实用新型的结构图。

图2是本实用新型的前视图。

图3是本实用新型初始路面信息检测执行流程图。

图4是本实用新型行进期间对障碍物信息的检测执行流程图。

图5是本实用新型检测到障碍物后避免误判以及强制通过流程图。

图6是本实用新型热红外成像自主追踪机构的运行流程图。

图中：1、下层板；2、中间层板；3、上层板；4、金属柱；5、电池组；6、主控驱动板；7、热感应传感器；8、超声探头；9、红外距离探头；10、驱动电机；11、履带；12、主动轮；13、从动轮。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实用新型包括由多个水平的层板组成的层式机体结构，层板上下排布，层板由金属柱4固定在一起，在层式机体结构的两侧分别设置有履带机构，在层式机体结构内设置有主控驱动板6和电池组5，在层式机体结构上设置有热感应传感器7、超声探头8以及红外距离探头9，在层式机体结构上设置有驱动电机10，每个履带机构由一个驱动电机10单独驱动，电池组5为主控驱动板6、热感应传感器7、超声探头8、红外距离探头9以及驱动电机10提供电能，主控驱动板6与热感应传感器7、超声探头8、红外距离探头9以及驱动电机10之间电连接。

层式机体结构采用ABS工程塑料制成。层式机体结构由三层层板组成，由上至下依次为上层板3、中间层板2以及下层板1。金属柱4设置于层式机体结构的四角，金属柱4的下端固定在下层板1上，金属柱4穿过中间层板2，上层板3固定在金属柱4的顶端。整个机器人的主体结构仅包括这三个层板以及连接层板的金属柱4，ABS材料的层式结构在能够保证机体强度的同时，最大程度的使机体轻量化，降低成本，同时使机器人的功能拓展能力大幅提升。

热感应传感器7设置于上层板3的前端，超声探头8设置于上层板3的后端，红外距离探头9共有四个且设置于上层板3的四角。救援机器人的红外距离探头9能够通过红外反射信号进行实时的全方向的障碍物信息检测，并配合超声波探头构成多元信息获取单元，能够使机器人在灾害现场自主躲避障碍物，热感应传感器7能够检测到热源信号，并与多元信息获取单元配合，实现自主追随目标热源。

主控驱动板6设置于上层板3与中间层板2之间，且主控驱动板6固定在金属柱4上，金属柱4穿过主控驱动板6，金属柱4能够作为散热部件将主控驱动板6产生的热量传导并散发出去，金属柱4最好采用铜等导热性好的材料。电池组5设置于中间层板2与下层板1之间，使整个机器人的中心位于下部，同时中间层板2与下层板1能够对电池组5进行保护。电池组5为锂电池组5，能够在重量较小的前提下储存足够多的电量，以保证救援机器人能够长时间的运行。主控驱动板6包括主控芯片、电机驱动芯片、传感器接口以及电源管理模块等。

驱动电机10与履带机构设置于下层板1的两侧。履带机构由主动轮12、从动轮13以及一条连接主动轮12和从动轮13的履带11组成，每个主动轮12由一个单独的驱动电机10进行驱动。针对复杂路面环境下驱动电机10高效率运行问题，使用TB6612FNG集成电机驱动芯片，并将驱动电机10控制输出引脚之间连接100pF滤波电容，提升驱动信号的稳定性，同时通过集成电机驱动芯片的使用，接受由主控芯片输出的PMW波进行转速调节，并使用其引脚输出的电平控制信号，能够控制驱动电机10工作在正转、反转、制动、停止四个状态，两侧履带11转速转向不同使得机器人实现灵活转向以及原地转向等动作。

救援机器人的电源采用锂电池组5作为电能储蓄单元，通过主控驱动板6上集成的ASM1117稳压芯片，并在输出引脚加装100pF和22uF滤波电容，减少电源信号噪声，使控制芯片STM32F103C8T6工作更加稳定可靠。同时考虑到电机的驱动需要+12V的开启电压，在主控驱动板6上设计了使用MC34063开关电源芯片构成的+12V升压模块。

主控驱动板6为PCB印制电路板，主控驱动板6上将STM32F103C8T6一种Cortex-M内核嵌入式处理器全部引脚引出，预留有拓展插针接口，方便后期根据环境需要加装传感器，同时直接引出四个红外距离传感器连接接口，保证最基本传感器要求。主控驱动板6预留有经过稳压之后的+5V及+3.3V电压输出插针，能够提升主控驱动板6拓展性。主控驱动板6为保证电机驱动输出部分散热，在其走线背面设置大面积散热片区，并开过孔，保证驱动电机10运行过程中主控驱动板6温度保持正常范围内。

针对于救援机器人驱动电机10的有效驱动，通过使用集成双MOSFET-H全桥驱动TB6612FNG芯片对驱动电机10进行驱动。通过集成全桥驱动芯片的使用，能够减少分立式MOSFET驱动电路存在的集成度低、功耗大、发热较高的弊端，能够做到基本不发热，具有较高的转换效率。

针对于传感器接口部分，将各类传感器直接接入控制芯片进行数据传送，同时使用IIC协议对热红外信息进行快速传输处理，提升了机器人信息处理速度。

由于较为极端的环境下存在较为杂乱的路面信息，常有障碍物阻碍救援机器人的行进过程。为实现救援机器人能够在复杂地形条件下自动行进，将融合多点红外距离感知和超声障碍物感知信息，将机器人行进算法中加入对路面环境监测并及时做出转向的指令部分，引导机器人自主前行的过程中，自主避开障碍物。

如图3所示，为初始路面信息检测执行流程：首先系统初始化，救援机器人通过机体周围红外距离探头9和超声探头8检测周围是否存在有障碍物，当检测到障碍物时，救援机器人将根据检测到障碍物信号的传感器的方位，做出行走方向的选择，确定所选行进方案上没有障碍物。如果没有检测到障碍物则直接在当前无障碍方向行进。

如图4所示，为行进期间对障碍物信息的检测执行流程：初始化系统之后，救援机器人行进并检测机体周围是否有障碍物，如果检测到障碍物就执行减速动作，并扫描其他方向传感器是否检测到障碍信息，并选定一个无障碍方向进行前进。如果没有检测到障碍物信息，则救援机器人保持当前行进路线。

如图5 所示，具有履带机构的救援机器人具有较强的通过能力，当救援机器人检测到障碍物后避免误判以及强制通过流程：开始连续计数，同时调用由红外距离传感器和超声波传感器组成的多元信息获取单元获取障碍物信息，并判断是否为可通过障碍物，如果可直接通过，则救援机器人直接越过障碍物，否则执行先前制定的躲避策略。

针对于灾害环境中需要对人员或危险热源进行准确定位和自主追踪的要求，在救援机器人上加装热红外成像单元-热感应传感器7AMG8833，并通过设计热红外感知自主追踪算法，在救援机器人检测到目标热源信息后，及时确定目标位置并进行自主实时追踪。

自主追踪机构的信息源于热感应传感器7，通过检测画面中热量突变区域，捕捉目标热源，并以此引导机器人调整机身姿态，通过闭环姿态控制结构，将热源目标稳定在图像中央位置，实现对目标热源进行自主跟踪。

如图6所示，为热红外成像自主追踪机构的运行流程图。当热感应传感器7检测到热源物体，将逐行计算热感应传感器7热信号变化率，若变化率较之前发生突变，则记录突变点坐标，若较之前未发生突变，则置式计算热感应传感器7信号变化率，直至发生突变。突变后检索记录坐标信息，对比热源目标特征信息，若热源目标信息符合，则检测目标是否在矩阵中央位置，若不是，则调整角度。直至达到目标位于矩阵中央位置。若热源目标信息不符合，则再次检索记录坐标信息，直至热源目标特征信息符合为止。将监测目标调整为矩阵中央位置后，并持续保证跟踪目标位于矩阵中央位置。

Claims (9)

1.一种多元信息救援机器人，其特征在于，包括由多个水平的层板组成的层式机体结构，所述层板上下排布，所述层板由金属柱固定在一起，在所述层式机体结构的两侧分别设置有履带机构，在所述层式机体结构内设置有主控驱动板和电池组，在所述层式机体结构上设置有热感应传感器、超声探头以及红外距离探头，在所述层式机体结构上设置有驱动电机，每个所述履带机构由一个所述驱动电机单独驱动，所述电池组为所述主控驱动板、热感应传感器、超声探头、红外距离探头以及驱动电机提供电能，所述主控驱动板与所述热感应传感器、超声探头、红外距离探头以及驱动电机之间电连接。

2.根据权利要求1所述的多元信息救援机器人，其特征在于，所述层式机体结构由三层层板组成，由上至下依次为上层板、中间层板以及下层板。

3.根据权利要求2所述的多元信息救援机器人，其特征在于，所述热感应传感器设置于所述上层板的前端，所述超声探头设置于所述上层板的后端，所述红外距离探头共有四个且设置于所述上层板的四角。

4.根据权利要求2所述的多元信息救援机器人，其特征在于，所述主控驱动板设置于所述上层板与所述中间层板之间，且所述主控驱动板固定在所述金属柱上，所述电池组设置于所述中间层板与所述下层板之间。

5.根据权利要求2所述的多元信息救援机器人，其特征在于，所述驱动电机与所述履带机构设置于所述下层板的两侧。

6.根据权利要求1所述的多元信息救援机器人，其特征在于，所述电池组为锂电池组。

7.根据权利要求1所述的多元信息救援机器人，其特征在于，所述主控驱动板包括主控芯片、电机驱动芯片、传感器接口以及电源管理模块。

8.根据权利要求1所述的多元信息救援机器人，其特征在于，所述层式机体结构采用ABS工程塑料制成。

9.根据权利要求1所述的多元信息救援机器人，其特征在于，所述金属柱设置于所述层式机体结构的四角。

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