CN215433704U - 一种多信息融合的辅助救援机器人及其控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种多信息融合的辅助救援机器人及其控制系统，包括医疗仓、云台底座、第一饲服电机、第二饲服电机、第三饲服电机、第一L型连接杆、第二L型连接杆、毫米波雷达、广角摄像头、探测器、SLAM激光雷达以及四足机器人；四足机器人包括若干条小腿、若干个关节电机、若干条大腿骨架、若干个髋关节电机、后固定板、连接杆、机身仓以及前固定板。本实用新型采用四足机器人嵌入高清广角摄像头和SLAM激光雷达分析现场环境，再利用毫米波技术进行搜索受困人员，从而实现高效完成救援任务，保障救援人员的安全。
Description
技术领域
本实用新型涉及搜救机器人技术领域，尤其涉及一种多信息融合的辅助救援机器人及其控制系统。
背景技术
根据近几年地震救援情况不难看出，超过48小时后被困在废墟中的幸存者存活概率变得越来越低，尽快救出被困者是救援人员面临的紧迫任务。但是地震发生后废墟结构极不稳定，不能立即掌握灾情，冒然进入废墟救援很容易对在废墟中的救援队员造成危险。
目前国内外对于四足机器人研究的领域都取得很好的成果，国内较有代表性的是宇树科技开发的四足机器人莱卡狗。在现有阶段，世界上最有代表性的是波士顿动力公司在2016年推出的SpotMini四足仿生机器人体型小巧，质量仅约30kg，在崎岖的地形下比大型的四足机器人更灵活，表现出惊人的成果。现有救援机器人基本采用轮式、履带式底盘结构，使得它无法在复杂地形行走。与现有的轮式和履带式机器人相比，足式机器人具有更好的机动性和更适应复杂搜救地形的能力。然而，现有的四足搜救机器人探测系统基本使用红外热成像与机器视觉相结合的方式，红外热成像受限于环境温度，因而只能探测近距离物体，探测盲区大。
发明内容
为解决现有技术所存在的技术问题，本实用新型提供一种多信息融合的辅助救援机器人及其控制系统，采用四足机器人嵌入高清广角摄像头和SLAM激光雷达分析现场环境，再利用毫米波技术进行搜索受困人员，从而实现高效完成救援任务，保障救援人员的安全。
本实用新型采用以下技术方案来实现：一种多信息融合的辅助救援机器人，包括医疗仓、云台底座、第一饲服电机、第二饲服电机、第三饲服电机、第一L型连接杆、第二L型连接杆、毫米波雷达、广角摄像头、探测器、SLAM激光雷达以及四足机器人；
其中，四足机器人包括若干条小腿、若干个关节电机、若干条大腿骨架、若干个髋关节电机、后固定板、连接杆、机身仓以及前固定板；
四足机器人分别与医疗仓、云台底座和SLAM激光雷达连接；
云台底座与第一饲服电机连接；第一饲服电机通过第一L型连接杆与第二饲服电机连接；第三饲服电机通过第二L型连接杆与第二饲服电机连接；探测器分别与第二饲服电机、第三饲服电机、毫米波雷达和摄像头连接；
小腿通过关节电机与大腿骨架连接，大腿骨架与髋关节电机连接，机身仓分别与髋关节电机、连接杆和前固定板连接，前固定板与髋关节电机连接，后固定板分别与连接杆、髋关节电机连接。
本实用新型控制系统采用以下技术方案来实现：一种多信息融合的辅助救援控制系统，包括定位模块、通讯模块、感知模块、控制模块和监控平台；其中，定位模块包括定位反馈模块、SLAM激光雷达；通讯模块包括无线网关、远程语音交互模块；感知模块包括毫米波雷达、广角摄像头；控制模块包括若干个关节电机；定位模块、通讯模块、感知模块和控制模块，各个模块相互连接，监控平台与通讯模块连接。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本实用新型采用四足机器人嵌入高清广角摄像头和SLAM激光雷达分析现场环境，再利用毫米波技术进行搜索受困人员，从而实现高效完成救援任务，保障救援人员的安全。
2、本实用新型可应用于野外、灾后、污染区等事故后极端环境下的搜救及生命探测，不仅可以代替人工执行危险人物，同时还能够提高救援效率，增大被困者的获救希望。
3、本实用新型使用毫米波雷达，使得通讯具有较好的全天候能力，保证工作持续可靠，毫米波与广角摄像头的结合，提高对被困人员的精准识别，降低误判率。
4、本实用新型利用WIFI和蓝牙的结合，使得无线通信搭建简单，传输距离远，传输速率高，可满足视频拉流的需求。
5、本实用新型可根据灾区环境情况搭载在不同的载体机器人上，同时可结合搜救的不同需求装载不同的传感器。
附图说明
图1是本实用新型的救援机器人结构示意图；
图2是本实用新型的四足机器人结构示意图；
图3是本实用新型的控制系统结构图；
图中，1是医疗仓，2是云台底座，3是第一饲服电机，4是第二饲服电机，5是第三饲服电机，6是第一L型连接杆，7是第二L型连接杆，8是毫米波雷达，9是广角摄像头，10是探测器，11是SLAM激光雷达，12是四足机器人，13是小腿，14是关节电机，15是大腿骨架，16是髋关节电机，17是后固定板，18是连接杆，19是机身仓，20是前固定板。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本实用新型一种多信息融合的辅助救援机器人，主要包括医疗仓1、云台底座2、第一饲服电机3、第二饲服电机4、第三饲服电机5、第一L型连接杆6、第二L型连接杆7、毫米波雷达8、广角摄像头9、探测器10、SLAM激光雷达11以及四足机器人12。
其中，四足机器人包括4条小腿13、若干个关节电机14、4条大腿骨架15、4个髋关节电机16、后固定板17、连接杆18、机身仓19以及前固定板20。
四足机器人分别与医疗仓、云台底座和SLAM激光雷达连接；
云台底座与第一饲服电机连接；第一饲服电机通过第一L型连接杆与第二饲服电机连接；第三饲服电机通过第二L型连接杆与第二饲服电机连接；探测器分别与第二饲服电机、第三饲服电机、毫米波雷达和摄像头连接；
小腿通过关节电机与大腿骨架连接，大腿骨架与髋关节电机连接，机身仓分别与髋关节电机、连接杆和前固定板连接，前固定板与髋关节电机连接，后固定板分别与连接杆、髋关节电机连接。
本实施例中，四足机器人每条腿由小腿、关节电机和大腿骨架构成，且都具有三个自由度的仿生结构。
本实施例中，为适应复杂搜救地形选用了四足机器人，通过嵌入高清广角摄像头和SLAM激光雷达分析现场环境，并利用毫米波雷达进行搜索受困人员。
本实施例中，通过配备医疗仓放置医疗包和必备求生资源，在救援人员未到达时，为幸存者提供救援物资。
相应的，本实施例一种多信息融合的辅助救援控制系统，主要包括定位模块、通讯模块、感知模块、控制模块和监控平台；其中，定位模块包括定位反馈模块、SLAM激光雷达；通讯模块包括无线网关、远程语音交互模块；感知模块包括毫米波雷达、广角摄像头；控制模块包括12个关节电机；定位模块、通讯模块、感知模块和控制模块，各个模块相互连接，监控平台与通讯模块连接。
具体地，辅助救援控制系统的各功能模块的详细情况分别如下：
定位模块：通过定位反馈模块实时反馈救援机器人位置信息，当发现幸存者后回传位置信息到监控平台，为救援队规划路线提出参考，有效完成救援任务并保障救援人员的安全；通过SLAM激光雷达为救援人员实时构建环境地图，使救援人员对灾区有初步的了解，同时利用SLAM激光雷达的声波接收器检索到被求救者后，发送机器人的实时位置至物联网平台。
具体地，SLAM激光雷达应用2D Hector slam方法，此方法不需要里程计，只根据激光信息便可构建地图，使救援机器人在不平坦区域建图存在运用的可行性。在救援探测现场，辅助救援控制系统移动的过程中通过根据输入的激光点云数据和现有的栅格图进行对齐，直接用函数更新栅格地图，完成同步定位地图构建的任务，在各种狭窄环境中进行快速定位和构建地图，精度为2cm，有效范围为3m。
通讯模块：用于通讯连接，利用无线网关和远程语音交互模块与幸存者进行交流，并将实际情况反馈给救援队。
感知模块：利用高清广角摄像头采集现场影像，对幸存者姿态进行人体特征识别辅助探测，并传回实时画面以控制机器人前进；利用毫米波雷达实时对周围的环境进行扫描探测，在扫描探测范围内捕获生命体进行幸存者检测。
具体地，广角摄像头采集现场影像后的处理过程为：利用广角摄像头获取图像，通过检测关键点从而对图像中的人体对象进行骨骼形态标记；具体地，根据结果用NMS算法获取关键点位置，最后将关键点连线构成人体骨架。NMS算法是基于OpenPsoe卷积神经网络和监督学习开发的二维人体姿态估计的一种算法；采用了自底向上的获取方法，在实时检测中不会受到画面中人数、人的位置与比例以及人与人间肢体互动的影响，具有很强的鲁棒性。
具体地，毫米波雷达的应用过程具体如下：
S11、进行信号处理；利用毫米波雷达将周期性的线性增加的频率性调频，即调频连续波(FMCW)发射到目标，信号经目标反射得到回波，该回波被接收机接收并与发送信号进行混频滤波处理变为差拍信号，通过对差拍信号进行快速傅里叶变换FFT并计算对象范围档处的相位来测量相位；
S12、进行杂项过滤；消除静态物体滤选出目标的信息，检测预定覆盖区域中的人和动物；
S13、生成热圈；使用IWR1642在单芯片器件上运行，以创建Range-Azimuth热图；
S14、利用Range-Azimuth热图进行特征提取，获取区域检测。
控制模块：用于控制关节电机的实时转动。通过采用主控器ESP32构建运动学模型获取机器人12个关节电机的目标转角值，转化为PWM波信号指令，再通过IIC通信协议发送给PCA9685，产生12PWM波控制信号，通过步态规划函数控制关节电机转动。该控制模块极大地节约了资源接口，仅需占用其4个接口就可以控制12个关节电机实时转动，提高了通信的稳定性；在信号传输方面，采用了蓝牙遥控的方式，由于主控器ESP32内置了WIFI和蓝牙，通过蓝牙遥控APP与主控器ESP32的蓝牙连接，从而进行对12个关节电机的控制。
监控平台：用于接收定位模块反馈的救援机器人位置信息，并与远程语音交互模块连接，与幸存者取得联系，了解幸存者伤情，进一步了解灾区现场环境。
本实施例可应用于野外、灾后、污染区等事故后极端环境下的搜救及生命探测，不仅可以代替人工执行危险人物，同时还能够提高救援效率，增大被困者的获救希望。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种多信息融合的辅助救援机器人，其特征在于，包括医疗仓、云台底座、第一饲服电机、第二饲服电机、第三饲服电机、第一L型连接杆、第二L型连接杆、毫米波雷达、广角摄像头、探测器、SLAM激光雷达以及四足机器人；
其中，四足机器人包括若干条小腿、若干个关节电机、若干条大腿骨架、若干个髋关节电机、后固定板、连接杆、机身仓以及前固定板；
四足机器人分别与医疗仓、云台底座和SLAM激光雷达连接；
云台底座与第一饲服电机连接；第一饲服电机通过第一L型连接杆与第二饲服电机连接；第三饲服电机通过第二L型连接杆与第二饲服电机连接；探测器分别与第二饲服电机、第三饲服电机、毫米波雷达和摄像头连接；
小腿通过关节电机与大腿骨架连接，大腿骨架与髋关节电机连接，机身仓分别与髋关节电机、连接杆和前固定板连接，前固定板与髋关节电机连接，后固定板分别与连接杆、髋关节电机连接。
2.根据权利要求1所述的一种多信息融合的辅助救援机器人，其特征在于，四足机器人每条腿由小腿、关节电机和大腿骨架构成，均包含三个自由度的仿生结构。
3.根据权利要求1所述的一种多信息融合的辅助救援机器人，其特征在于，广角摄像头和SLAM激光雷达用于分析现场环境，毫米波雷达用于进行搜索受困人员。
4.根据权利要求1所述的一种多信息融合的辅助救援机器人，其特征在于，医疗仓用于放置医疗包和必备求生资源，提供救援物资。
5.一种多信息融合的辅助救援控制系统，其特征在于，包括定位模块、通讯模块、感知模块、控制模块和监控平台；其中，定位模块包括定位反馈模块、SLAM激光雷达；通讯模块包括无线网关、远程语音交互模块；感知模块包括毫米波雷达、广角摄像头；控制模块包括若干个关节电机；定位模块、通讯模块、感知模块和控制模块，各个模块相互连接，控制平台与通讯模块连接。
6.根据权利要求5所述的一种多信息融合的辅助救援控制系统，其特征在于，辅助救援控制系统的各功能模块的详细情况分别如下：
定位模块：用于反馈救援机器人位置信息，为救援队规划路线提出参考；并实时构建环境地图，检索获取被求救者信息；
通讯模块：用于通讯连接，与幸存者进行交流，并将实际情况反馈给救援队；
感知模块：用于采集现场影像，对幸存者姿态进行人体特征识别辅助探测，并传回实时画面以控制机器人前进；利用毫米波雷达实时对周围的环境进行扫描探测，在扫描探测范围内捕获生命体进行幸存者检测；
控制模块：用于控制关节电机的实时转动，采用主控器ESP32控制关节电机转动；
监控平台：用于接收定位模块反馈的救援机器人位置信息，与远程语音交互模块连接，并与幸存者取得联系，获取幸存者伤情和灾区现场环境情况信息。
7.根据权利要求6所述的一种多信息融合的辅助救援控制系统，其特征在于，主控器ESP32内置WIFI和蓝牙，蓝牙遥控APP与主控器ESP32的蓝牙连接。
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