多地形考察机器人装置及其配置及引导方法制造方法及图纸

技术编号:22334395 阅读:65 留言:0更新日期:2019-10-19 13:05
本发明专利技术提出一种用于多地形考察的机器人装置,其由机器人主体、快速可重新配置的运动模块及能够通过3D彩色点云对被考察环境进行建模的制图单元组成。所述机器人具有可快速更换的不同运动机构,借此改变所述机器人的移动性特性。所述装置通过远程操作或自主地控制。当处于远程操作模式时,操作辅助模块向操作员提供相关运动信息,其包含展示所述机器人不可跨越或倾翻的区域的地图。此模块还向所述操作员建议其它运动配置以克服所述地图中呈现的障碍物。当处于自主模式时,导航模块提供一种策略来探索未知环境并且考虑行进距离,倾翻风险及能量消耗来跟踪最优运动路径。关于上文描述的发明专利技术特性,主要目的是对受限及风险区域即洞穴、下水道及大坝溢洪道地道以及有坍塌风险的区域执行考察。

Multi terrain inspection robot and its configuration and guidance method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多地形考察机器人装置及其配置及引导方法
本专利技术涉及一种能够考察受限及风险区域的机器人装置。机器人应用可重新配置的运动模块,以便在不规则及不平整地形中操作,携带能够将被覆盖地形建模为3D彩色点云的制图单元。地形模型充当操作辅助模块的输入,其指示不可跨越及倾翻风险区域并且建议适当运动配置以跨越每一障碍物。考虑行进距离、倾翻风险及能量消耗,自主导航模块还使用地形模型来产生最优路径。
技术介绍
自然洞穴通常见于铁形成区域中。为经济地探索这些区域,在环境及法律上要求对洞穴进行考察。考虑此情境,内部调查对评估洞穴的相关性以及因此确定其保护或开发至关重要。洞穴学者小组通常会聚集在一起进行所述研究。然而,由于存在有毒动物、有毒气体、蝙蝠排泄物、冒顶风险等,自然洞穴可能是危险的环境。人类在此类区域的存在总是与健康危害有关。考虑到这一点,使用机器人装置进入洞穴并执行这些考察可能是适当技术解决方案。从机器人的角度来看,自然洞穴可能极具挑战性。其可能呈现如下特性:不规则地形;封闭环境;无线通信困难;不存在GPS信号。一个特殊挑战在于地势,所述地势通常较复杂。地形未结构化,呈现出平坦区域及凹凸不平的区域的混合。考虑到此类特性,探索装置必须具有高效运动系统,结合障碍物跨越而不会倾翻,能量效率及有效载荷能力。探测装置必须具有进入洞穴的能量自主权,在所有内部区段中执行考察并返回到工作基地。这样,具有能量消耗友好的运动配置(例如轮)是有效解决方案。另一方面,与腿相比,轮跨越障碍物的效率较低。虽然基于腿的运动配置消耗额外的能量,但其在粗糙地形跨越上更有效。与洞穴的考察有关的另一问题是机器人的稳定性。此处的稳定性是指装置通过其自己的构件维持自身向上而不会倾翻的能力。未执行特殊考察及3D制图,必须在装置中嵌入额外传感器,从而向系统添加有效载荷。通常,硬件是易感的,并且不应受到机械冲击,其最终会在翻滚事件发生。鉴于此,在所有考察期间维持装置的稳定性是经验性的。尽管通常发现计划将机器人装置用于执行环境考察,但仅有少数机器人装置经专门设计用于自然洞穴考察。一些作者声称,经设计用于地下矿井考察的机器人适合这项工作,但将这种环境的条件与自然洞穴进行比较,第二者需要截然不同的移动性能力。特定来说,针对地下矿井考察,卡内基梅隆大学(CarnegieMellonUniversity)的研究提出开发土拨鼠机器人。其重700kg,高1m,宽1.2m,并且能够在远程操作或自主模式下对地下矿井进行制图。然而,其大尺寸使其不适合自然洞穴考察。机器人装置可能卡在受限区域或破坏周围环境脆弱的结构。仍然在卡内基梅隆大学,第7,069,124号美国专利描述一种用于空隙制图的机器人方法。作者揭示两种机器人,主要取决于空隙入口针对特定任务选择这两种机器人,而将地形结构条件作为背景。这是一种看似合理的方法,因为地下矿井通常具有结构化地形,路上很少存在障碍物或极端不平整的地形。正如作者所声称的那样,机器人可在平坦及半崎岖地形上方移动,能够克服一些障碍物;然而,更不平整的地形是不可跨越的,并且对所述区域进行制图的策略是将传感器安装在装置的机器人手臂处,并将手臂伸展到其工作空间边界。由SPAWAR太平洋系统中心(SPAWARSystemsCenterPacific)开发的应对隧道开采机器人(CTER)是一种经设计以考察走私隧道的小型机器人。其具有较小的尺寸,并使用基于转向轨道的运动配置。其主体长而灵活,从而允许装置行进通过小的空间及洞,以便进入隧道。尽管如此,CTER的设计考虑进入具有进入约束的受限区域的能力,而不是跨越不平整的地形。专门设计用于自然洞穴考察的来自SILES,I.及WALKER,I.D的机器人FREESE具有小尺寸、星形运动机构并且组装在柔性框架上。所述特性保证自然洞穴中的极大移动性;然而,其具有较小有效载荷能力,不允许其携带额外传感器或其它装备来执行环境的全3D彩色制图。与被认为是最先进的移动性解决方案相比,此文献中提出的专利技术通过提供快速改变考察装置的移动性特性的解决方案来解决若干运动限制,并且评估周围环境的地势图以便指示哪些运动配置能够跨越地形的每一部分。关于用于3D制图的装置,大多数商用3D激光扫描仪是由专家设置在三脚架上以执行扫掠的固定装备,其中需要制图。它们曾经与激光传感器、镜阵列、高清摄像机、GPS及惯性测量单元(IMU)复合。因此,在扫描时,收集点云及RGB成像以使其与软件相关联并在软件上进行后处理以产生3D彩色地图。尽管有所述装备,但由澳大利亚的CSIRO在AU2016205004下申请专利的名为西庇太(Zebedee)的3D激光扫描中存在特定解决方案。其由安装在弹簧机构上的2DLiDAR及微机电系统(MEMS)IMU组成。当操作员移动通过预期环境时,扫描仪在弹簧周围松散地振荡,产生将2D测量转换成3D视场的旋转。与其它解决方案类似,为提供结果,有必要进行直接的人工交互。
技术实现思路
本专利技术的目的在于一种机器人装置,其能够考察受限及风险区域(即洞穴、下水道及大坝溢洪道地道),以及具有坍塌风险的区域并对所述区域进行制图,能够克服非结构化地形并通过3D彩色点云对周围环境进行建模。所述装置依赖于可重新配置的运动模块,其特定配置基于地形模型来定义。地形模型还提供信息以指示不可跨越及倾翻风险区域,并考虑行进距离、倾翻风险及能量消耗来产生最优路径。附图说明图1.分解的机器人装置框架的正交视图;图2.机器人装置框架的前视图;图3.机器人装置框架的侧视图;图4(A)到(E).快速改变运动机构的步骤顺序;图5.弧形腿运动机构的详细视图;图6.普通轮运动机构的详细视图;图7.星形轮运动机构的详细视图;图8.转向轨道运动机构的详细视图;图9.六个普通轮运动配置;图10.六个弧形腿运动配置;图11.四个普通轮及两个弧形腿运动配置;图12.四个普通轮及两个星形轮运动配置;图13.六个星形轮运动配置;图14.带有转向轨道运动配置的四个普通轮;图15.制图单元的详细视图;图16.制图单元尖端的分解视图;图17.制图单元操作工作流程;图18.点云及所产生的网格;图19.装置的远程操作方案;图20.来自洞穴的地势图,展示可通过实际运动配置跨越的区域,可通过另一运动配置跨越的区域及倾翻风险区域;图21.描述自主导航模块操作的流程图;图22.具有基于移动性策略计算的不同路径的地势图的演示。具体实施方式自然洞穴具有非常特殊的地形地势。取决于地质构造,其可呈现从平滑及结构化地形到不平整及高度非结构化地形。此外,单个洞穴通常具有不同类型的地形,其构成非同质地势,针对最优地形跨越具有不同要求。考虑到这一点,本专利技术在于单个机器人装置,其运动特性可根据洞穴中呈现的每一种地形容易且快速地修改。操作辅助模块分析地形的地势,并基于此评估倾翻风险区域,提出可能的运动配置以沿地形跨越障碍物。下文解释本专利技术中存在的每一组件及模块。机器人装置的构造机器人框架具有矩形主体形状,如可在图1、图2及图3中见到。机器人携载核心计算机1、无线通信模块2及两个电池3。还有一组摄像机及照明模块位于机器人的前部4及后部5上。照明模块由白光明亮led及红外灯组成。所述摄像机是全高清的,具有广角透镜。运动机构致动使用六个旋转本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种多地形考察机器人装置,其包括:机器人框架,其包括具有照明系统(4、5)的多个摄像机;制图单元(14),其附接到所述机器人框架,所述制图单元包括多个传感器(15);可重新配置的运动模块,其包括根据可选择组装模式布置的多个运动机构;操作辅助模块,用于从所述传感器及摄像机接收数据,并识别运动机构的适当组装模式;及自主导航模块,其用于确定针对所述机器人装置的最优路径规划,其中所述自主导航模块进一步经配置以指示运动机构的替代组装模式。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.02.13 US 62/458,311;2017.02.13 US 62/458,4631.一种多地形考察机器人装置,其包括:机器人框架,其包括具有照明系统(4、5)的多个摄像机;制图单元(14),其附接到所述机器人框架,所述制图单元包括多个传感器(15);可重新配置的运动模块,其包括根据可选择组装模式布置的多个运动机构;操作辅助模块,用于从所述传感器及摄像机接收数据,并识别运动机构的适当组装模式;及自主导航模块,其用于确定针对所述机器人装置的最优路径规划,其中所述自主导航模块进一步经配置以指示运动机构的替代组装模式。2.根据权利要求1所述的多地形考察机器人装置,其中所述机器人框架具有矩形形状,其具有六个旋转接头(6),每一侧为三个。3.根据权利要求2所述的多地形考察机器人装置,其中每一接头(6)具有其自身的独立可控电动机。4.根据权利要求1所述的多地形考察机器人装置,其中所述可重新配置的运动模块的所述运动机构选自由以下各者组成的群组:普通轮(11);星形轮(12);弧形腿(10);及转向轨道(13)。5.根据权利要求4所述的多地形考察机器人装置,其中所述可重新配置的运动模块的所述运动机构使用快速释放销被迅速且一体地更换。6.根据权利要求4所述的多地形考察机器人装置,其中所述可重新配置的运动模块使用仅一种类型的运动机构使所述组装模式为同质的,或一起使用不同类型的可用运动机构使所述组装模式为非同质的,所述组装模式可经配置为但不仅限于:6个普通轮(11);6个星形轮(12个);6个弧形腿(10);角上的4个普通轮(11)及2个中央腿(10);角上的4个普通轮(11)及2个中央星形轮(12);角上的4个普通轮(11),其中所述转向轨道(13)耦合在其上。7.根据权利要求1所述的多地形考察机器人装置,其中所述制图单元(14)包括作为传感器的3D激光扫描仪(15)、全高清彩色摄像机(16)、高亮度LED外部发光器(17)及惯性测量单元。8.根据权利要求1所述的多地形考察机器人装置,其中所述制图单元(14)具有处于垂直位置的激光扫描仪(15),并且其尖端具有完全360°旋转机构,这使得所述传感器能够扫描所有机器人周围环境。9.根据权利要求7所述的多地形考察机器人装置,其中由所述制图单元传感器提供的原始数据包含3D点云及彩色图像。10.根据权利要求9所述的多地形考察机器人装置,其中所述点云及彩色图像数据经融合以产生所考察区域的彩色3D点云。11.根据权利要求8所述的多地形考察机器人装置,其中所述点云...

【专利技术属性】
技术研发人员:G·M·弗雷塔斯F·A·S·罗沙M·P·托雷A·F·丰特斯·尤尼奥尔V·R·拉莫斯L·E·D·C·诺盖拉A·S·桑托斯E·科塔W·苗拉M·A·多斯雷斯B·L·S·科斯塔L·C·M·雷德兹马R·P·埃万热利斯塔P·X·阿尔坎塔拉R·T·利马T·P·德苏扎I·V·布兰迪R·N·阿劳若M·F·M·戈梅斯G·C·加西亚
申请(专利权)人:淡水河谷公司巴伊亚区部国家工业学徒服务局
类型:发明
国别省市:巴西,BR

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