即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于封閉空間中復雜環(huán)境地圖創(chuàng)建、地形勘測、搜救等任務的機 器人，尤其涉及一種地勢崎嶇條件下的狹小洞穴、災區(qū)等未知區(qū)域的環(huán)境探測及可能生命 體搜救的即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人。
【背景技術】
[0002] 近年來，地震、海嘯、塌方、核電站泄漏等災難相繼發(fā)生。災難事故發(fā)生后，現(xiàn)場建 筑結構坍塌，導致其環(huán)境及地形結構空間狹小、復雜且不穩(wěn)定，目前的救援方法是外部搜 救，即利用一些生命體感知裝置檢測廢墟下是否有待救人員，然而普通探測裝置無法從外 部直接了解內部情況，而對于結構i丹塌的建筑物這種高危未知環(huán)境，在無法保證安全的情 況下，救援人員是不能貿然進入的，致使搜救人員無法立刻進入災區(qū)進行勘察和搜救，延誤 救援時機。而災后"黃金72小時"內受災人員的存活率隨時間呈急速遞減趨勢：在第一天 (即24小時內），存活率為90%左右，第二天為50%~60%，第三天僅為20%~30%。因 此，迫切需要一種可以代替搜救人員進入危險未知環(huán)境中進行地形勘測及生命搜救的機器 人。救援人員可在廢墟外部遙控機器人進入危險地帶進行自主搜索，及時返回搜索區(qū)域三 維地圖；同時利用傳感器感應可能的生命體，使救災人員即時了解內部情況，確定有效方 案，方便盡快展開搜救工作。該類機器人不僅可以大大縮短搜救時間，提高災民生還希望， 同時也減少了搜救人員的二次傷亡。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對上述需求，提供一種即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人， 能夠進入未知的核反應堆、洞穴、自然災害后的封閉空間等不利于救災人員和科研人員進 入的環(huán)境，具有很強的地形適應性，具有即時定位與地圖創(chuàng)建和進行生命體探測的功能，提 高作業(yè)效率，減少了勘測和搜救人員勞動損耗和傷亡，可提升我國的勘測水平，為未來數(shù)字 化勘測和救援提供技術手段。
[0004] 本發(fā)明所提供的技術方案是提出一種即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人，其包 括：
[0005] 其包括越障底盤，車身平臺，三維掃描模塊，主控單元，車身外殼和驅動模塊；其 中，越障底盤由主體框架和行走輪腿組成，使車體具有對不同地形的被動自適應性；三維掃 描模塊能夠獲得被勘測空間的三維地圖信息以及可能生命體的數(shù)據(jù)。
[0006] 所述越障底盤的左右兩側分別安裝一個前輪退和二個后輪腿，各輪腿均采用直角 梯形的四桿機構懸架，每個懸架在直角邊和長邊桿件間的鉸鏈和短邊與斜邊桿件間的鉸鏈 處安裝了一個空氣減震器；每個懸架斜邊桿件的末端都裝有一個車輪；所述三維掃描模塊 包括有三維掃描機構、激光掃描雷達、紅外溫度傳感器、激光慣性傳感器和固定支架；三維 掃描機構由二個完全一樣且同步動作的無急回特性的鉸鏈四桿機構組成，鉸鏈四桿機構中 的曲柄勻速轉動時，二個同步動作的鉸鏈四桿機構可實現(xiàn)其中的托架以同一個平均速度往 復擺動；激光掃描雷達正下方對應掃描范圍內，均勾扇形分布若干個紅外溫度傳感器；所 述主控單元為平板電腦，緊密鑲嵌于車身外殼的頂部；所述越障底盤、三維掃描模塊的三維 掃描機構均采用高強度鋁型材，車身平臺采用不銹鋼板，車身外殼采用ABS工程塑料。
[0007] 此外，本發(fā)明還提出了應用上述即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人進行地形勘 測和可能生命體搜救的方法。
[0008] 本發(fā)明的有益效果為：該即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人進入不適宜工作人 員進入的，危險未知且空間狹小的環(huán)境，該機器人可適應較崎嶇的地形，且在行進過程中自 動探測周圍環(huán)境，并實時創(chuàng)建周邊環(huán)境的三維地形圖，同時探測該環(huán)境中是否有可能生命 體存在；并能將實時三維地圖、可能生命體搜救位置等重要信息反饋給操作人員；幫助操 作人員快速、準確地了解位置環(huán)境及可能生命體的存在，以便搜救人員盡快展開救援工作， 同時減少勘測和搜救人員不必要的人員傷亡和勞動損耗。
【附圖說明】
[0009] 下面結合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明：
[0010] 圖1為本發(fā)明的即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人的整體結構圖；
[0011] 圖2為本發(fā)明的越障底盤結構圖；
[0012] 圖3為本發(fā)明的三維掃描模塊結構圖；
[0013] 圖4為本發(fā)明的三維地圖創(chuàng)建及可能生命體探測方法流程圖。
[0014] 附圖標記：
[0015] 1-越障底盤； 2-車身平臺； 3-三維掃描模塊；4-激光慣性傳感器；
[0016] 5-主控單兀； 6-車身外殼； 7-驅動模塊； 8-車體慣性傳感器；
[0017] 9-主體框架； 10-前輪； 11-轉向電機； 12-直流伺服電機；
[0018] 13-懸架； 14-空氣減震器；15-后輪； 16-紅外溫度傳感器；
[0019] 17-激光掃描雷達；18-連桿； 19-曲柄； 20-減速電機；
[0020] 21-減速電機支架；22-聯(lián)軸器； 23-固定支架； 24-機架；
[0021 ] 25-托架； 26-斜邊桿件；
【具體實施方式】
[0022] 本發(fā)明的即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人，其較佳的【具體實施方式】如圖1至 圖4所示：
[0023] 如圖1所示，本發(fā)明的即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人包括越障底盤1，車身 平臺2,三維掃描模塊3,主控單元5,車身外殼6和驅動模塊7。如圖1和圖2所示，越障底 盤1的主體框架9上搭載了主要機構和傳感器，包括有車身平臺2,驅動模塊7,車體慣性傳 感器8和三維掃描模塊3。車身平臺2上安裝有三維掃描模塊3和車身外殼6,車身外殼6 通過剛性支架支撐，以防止變形或破壞。即時定位與地圖創(chuàng)建勘測搜救機器人的越障底盤 1、三維掃描模塊3的三維掃描機構均采用高強度鋁型材，車身平臺2采用不銹鋼板，車身外 殼6采用ABS工程塑料，在保證強度和高度的同時，大幅降低整體重量。
[0024] 1、越障底盤1:
[0025] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明中，越障底盤1采用六輪驅動的仿生學懸架結構，由主 體框架9和6個行走輪腿組成。主體框架9的左右兩側，分別安裝了 1個前輪腿和2個后 輪腿，各輪腿均采用直角梯形的四桿機構懸架13,各桿件通過鉸鏈連接，可發(fā)生相互轉動； 每個懸架13在直角邊和長邊桿件間的鉸鏈和短邊與斜邊桿件26間的鉸鏈處安裝了一個空 氣減震器14,對懸架13的四桿機構起到約束作用，同時能夠根據(jù)地形或者障礙物的不同調 節(jié)空氣減震器的伸縮量對車輪施加不同支撐力并使車輪產(chǎn)生移動，從而使車體具有對不同 地形的被動自適應性；空氣減震器14作為儲能元件，當機器人在崎嶇路面行進時，還可對 車體起到緩沖吸振的作用；越障底盤1通過仿生學懸架機構對機器人運動姿態(tài)進行調整， 實現(xiàn)越障的同時盡量減小機器人位姿發(fā)生較大變化。每個懸架13的斜邊桿件26的末端都 裝有1個越野車輪，越野車輪為粗花深溝耐磨型實心橡膠車輪，不會因為碾壓尖銳物體而 破損，同時具有良好的爬坡和抓地能力；左右兩側的前輪10上分別安裝有一個轉向電機11 和一個直流伺服電機12,其中轉向電機11控制前輪10轉動，實現(xiàn)機器人的轉向功能，直流 伺服電機12為前輪10提供行進動力；此外，左右兩側的后輪15上也安裝了與前輪10 -樣 的直流伺服電機12,使每個后輪都具有行進動力。所有的轉向電機11和直流伺服電機12 均通過電機支架安裝于各輪腿之上。每個直流伺服電機12均配有編碼里程計，用以測量 每個車輪在一定時間周期內的行進距離，先利用式（1)分別計算出每排輪腿的平均行進距 離，然后利用式（2)計算出機器人的行進距離。
[0028] 其中，S1S每排輪腿的平均行進距離，S 1和S lR分別為每排輪腿左側車輪和右側車 輪的行進距離（i = 1，2,3,其中1為前排輪腿，2為中間排輪腿，3為后排輪腿）；S為機器 人的行進距離。
[0029] 2、三維掃描模塊3:
[0030] 三維掃描模塊3能夠三維掃描被勘測空間，并實時創(chuàng)建該環(huán)境的三維地形圖，同 時探測該環(huán)境中是否有可能生命體存在。如圖3所示，三維掃描模塊3包括有三維掃描機 構，激光掃描雷達17,紅外溫度傳感器16,激光慣性傳感器4、無急回特性的鉸鏈四桿機構 和固定支架23組成，其中三維掃描機構由兩個完全一樣且同步動作的鉸鏈四桿機構組成， 包括有2個同軸曲柄19、2個連桿18、1個托架25和1個U型的機架24組成；一個減速電 機20通過減速電機支架21固定在機架24上，并通過聯(lián)軸器22與傳動軸連接，帶動2個曲 柄19同步轉動，傳動軸與曲柄19固連，并通過滑動軸承安裝于機架24之上；曲柄19與連 桿18,連桿18與托架25,托架25與機架24之間的鉸鏈均為滑動軸承；鉸鏈四桿機構設計 成無急回特性（即極位夾角為0° )的四桿機構，使其四個桿件的長度滿足式（3)的要求：
[0032] 其中，I1, 12, 13, 14分別為曲柄19、連桿18、托架25和機架24的長度。當減速電 機20帶動曲柄19沿某一方向勻速轉動時，2個同步動作的鉸鏈四桿機構可實現(xiàn)托架25以 同一個平均速度在一定擺角？》范圍內往復擺動；SICK LMS511Pro型激光掃描雷達17固定 于托架25之上，激光掃描雷達17可實現(xiàn)與托架25平行的二維平面掃描并獲得掃描區(qū)域內 的物體的輪廓點數(shù)據(jù)，其掃描起始角度為10°，終止角度為170°，掃描角度范圍為160°， 掃描角度分辨率為〇. 5°，對應的數(shù)據(jù)更新頻率為75Hz，最大探測距離為26m。激光掃描雷 達17通過以太網(wǎng)與主控單元5進行數(shù)據(jù)通訊；激光掃描雷達17正下方對應160°掃描范 圍內，均勻扇形分布8個紅外溫度傳感器16,用以非接觸探測可能的生命體，各紅外溫度傳 感器16之間的夾角為20°，溫度測量范圍0°C~100°C，最大測量距離為2m ;三維掃描機構 的減速電機20帶動曲柄19勻速轉動，帶動安裝在托架25上的激光掃描雷達17和紅外溫 度傳感器16在一定擺角9?范圍內垂直于車身平臺2上下往復擺動（圖1)，將二維掃描轉化 成三維掃描，用以勘測周圍環(huán)境的三維空間信息；激光慣性傳感器4緊密固定在激光掃描 雷達17頂部，用以實時測量激光掃描雷達17在移動三維探測過程中的俯仰角、滾動角& 和航向角Y1，與主控單元5通過RS485進行數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)更新頻率為IOOHz。整個三維掃 描機構通過螺栓緊密固定在固定支架23上，固定支架23緊密固定在車身平臺2上。
[0033] 3、驅動模塊7:
[0034] 如圖1所示，本發(fā)明中，驅動模