CN114260876A - 一种特种海冰探测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特种海冰探测机器人，包括主箱体，设置于主箱体上的行走机构、可见冰裂隙探测及感知***、不可见冰裂隙探测***、采样收集***和控制***；所述可见冰裂隙探测及感知***用于收集主箱体周围实时图像数据、可见冰裂隙信息及障碍物信息，并实时传输给控制***；所述不可见冰裂隙探测***用于获取雪层下不可见冰裂隙信息并发送给控制***；行走机构，包括履带行走机构和雪橇板支撑模块，用于支撑主箱体，并驱动机器人的转向和行走；采样收集***用于采集样品；控制***，用于与监视端上位机通信，并控制机器人运动作业。本发明可实时获取外部环境图像信息和获取可见冰裂隙信息。

Description

一种特种海冰探测机器人

技术领域

本发明属于探测机器人技术领域，特别是一种海冰探测机器人。

背景技术

在现今南极科考过程中，需要为科考站补给大量物资，而国际运输补给形式是破冰胡灿海冰卸货运输。由于环绕着南极大陆的海冰，季节变化大、年际波动大、隐伏冰裂缝发育，并且破冰船破坏了周围冰结构，如果工程机械或科考人员掉入冰裂隙将造成不可估量的损失。因此需要一种应用于极地环境的海冰探测机器人，通过机器人进行大范围冰裂隙探测得到安全的海冰运输路线。而现有机器人在尺寸重量、作业速度、行走适应性上难以达到大范围探测效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海冰探测机器人，用于获取实时外部环境图像信息和获取可见冰裂隙信息。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种特种海冰探测机器人，包括：主箱体，设置于主箱体上的行走机构、可见冰裂隙探测及感知***、不可见冰裂隙探测***、采样收集***和控制***；

所述可见冰裂隙探测及感知***用于收集主箱体周围实时图像数据、可见冰裂隙信息及障碍物信息，并实时传输给控制***；

所述不可见冰裂隙探测***用于获取雪层下不可见冰裂隙信息并发送给控制***；

行走机构，包括履带行走机构和雪橇板支撑模块，用于支撑主箱体，并驱动机器人的转向和行走；

采样收集***用于采集样品；

控制***，用于与监视端上位机通信，并控制机器人运动作业。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

本发明特种海冰探测机器人便于应对极端情况，可以通过远程遥控方式实现冰裂隙探测任务，保障监视者安全，相较于人工探测方式，探测效率高。

本发明三角履带采用全新设计，前进方向增加第一弹簧避震器，在越障与崎岖路面前进时能够减振，支承轮在崎岖路面时可以通过支承轮支承架摆动，实现机械减振，增加三角履带地面适应性。

本发明探冰雷达***可通过调节第一直线推杆长度调节探冰雷达天线离地高度，防止在崎岖路面或爬坡情况下探冰雷达天线接触地面出现损坏，空气弹簧保证在第一直线推杆突发故障时使探冰雷达能维持当前离地高度，探冰雷达通过重力作用保证垂直于地平面，可将得到的冰裂隙信息实时传输给监视者上位机，监视者可通过与GPS地图结合绘制冰裂隙位置图，监视者可通过冰裂隙位置图绘制海冰运输路线图。

本发明摄像机与探冰雷达安装于同一第一云台轴上，能够实现同一位置同步获取图像与扫描地形。

本发明特种海冰探测机器人前端行走机构采用雪橇板，接地面积更大，重量相比三角履带更轻，能有效减少接地比压，减少机器人在雪地沉陷，减小推雪阻力。第二弹簧避震器可以在行走过程中有效减振。雪橇板角度可以偏移，减小转向阻力。

附图说明

图1为本发明特种海冰探测机器人结构示意图之一。

图2为本发明特种海冰探测机器人主箱体上层结构示意图。

图3为本发明特种海冰探测机器人三角履带结构示意图之一。

图4为本发明特种海冰探测机器人三角履带结构示意图之二。

图5为本发明特种海冰探测机器人三角履带结构示意图之三。

图6为本发明特种海冰探测机器人主箱体下层结构示意图。

图7为本发明特种海冰探测机器人二自由度云台内部结构细节图。

图8为本发明特种海冰探测机器人雪橇板连接结构细节图。

图9为本发明特种海冰探测机器人探冰雷达***细节图。

图10为本发明特种海冰探测机器人转向与探冰雷达离地高度调节示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1-图10，本实施例提供的一种海冰探测机器人，包括主箱体5、设置于主箱体5之上的行走机构、可见冰裂隙探测及感知***、不可见冰裂隙探测***、采样收集***和控制***。

结合图1所示，本实施例中，主箱体5为长方体结构，三角履带13与雪橇板11分别在主箱体前部和后部两侧对称布置；可见冰裂隙探测及感知***用于收集主箱体5周围实时图像数据、可见冰裂隙信息及障碍物信息，并实时传输给机器人端下位机17，并进行路径规划与避障；不可见冰裂隙探测***用于获取雪层下不可见冰裂隙信息并发送给机器人端下位机17；采样收集***用于采集样品；控制***包括机器人端下位机17，机器人端下位机17通过与监视端上位机通信，并结合实时得到的信息控制机器人运动作业。

本发明的实施例中，所述行走机构包括三角履带13、雪橇板11。结合图3-5所示，设计的三角履带13包括支承架38、安装于支承架38一端上的第一弹簧避震器34、安装于支承架38另一端上的驱动轮连接臂42，安装于第一弹簧避震器34和驱动轮连接臂 42上的两个驱动轮支承架32、安装两个驱动轮支承架32之间的驱动轮31、安装于支承架38上的两对支承轮支承架39、安装在支承轮支承架39两侧的四对支承轮37、安装于支承架38一端的一对导向轮36、安装于支承架38另一端的一对张紧轮41、安装于支承架38上的一对张紧调节装置40，橡胶履带33、雪橇板11以及雪橇板连接臂12。

所述驱动轮31与橡胶履带33内齿啮合，用于传递动力。支承架38两侧均设有多个支承轮支承架39，支承轮支承架39转动连接在支承架38上，支承轮37的支承轮轴 47均并列转动连接在左右两侧的支承轮支承架39之间，四对支承轮37连接在对应的支承轮轴47上，四对支承轮37并列布置，用于增加三角履带13承载能力，在崎岖路面与越障行驶地面产生冲击时，支承轮37通过支承轮支承架39摆动实现机械减振。两个导向轮36之间的导向轮转轴44与导向轮连接臂35连接，导向轮36使得三角履带13 前部存在导向角，提高了三角履带13的越障行驶能力。两对导向轮连接臂35通过螺栓连接在支承架38上，保证导向轮36位置的固定，并保证橡胶履带第一接地段33-1所在平面与橡胶履带第二接地段33-2所在平面导向角角度为45度，同时通过调整两对导向轮连接臂35长度，能够实现调整导向角角度与橡胶履带33长度。第一弹簧避震器34 通过安装轴43铰接在两个支承架32之间，在越障与崎岖路面行驶对三角履带13造成冲击时，第一弹簧避震器34能够实现减振，提高了三角履带13的地面适应性。驱动轮支承架32铰接在驱动轮连接臂42和第一弹簧避震器34上，在受到冲击时驱动轮支承架32通过摆动使第一弹簧避震器34产生形变，从而减振。驱动轮连接臂42上端通过安装轴48铰接在两个支承架32之间，下端与支承架38铰接。支承架38两侧均设有张紧装调节置40，张紧调节装置40与张紧轮41转轴连接，通过张紧调节装置40调节张紧轮41位置能够对橡胶履带33提供一个张紧力，防止在磨损后运动时产生脱带现象，该结构的三角履带13既保证了机器人的机动性也兼顾了越障能力。

结合图2，本实施例中，三角履带13的两组驱动装置设置于主箱体5内后部两侧，每个驱动装置均包括直流伺服电机24、直角行星减速机23、第一链轮30、链条29、第二链轮28及伺服电机驱动器22。直流伺服电机24布置于纵向方向，此处指的纵向方向为机器人长度方向(行进方向)，横向为机器人宽度方向。直流伺服电机24输出轴与所述直角行星减速机24输入孔配合，将动力传输给直角行星减速机23，直角行星减速机 23输入孔在纵向方向，直角行星减速机23输出轴方向在纵向方向，直角行星减速机23 输出轴与第一链轮30配合，第一链轮30、链条29与第二链轮28组合为链传动，第二链轮28与输出轴连接，直角行星减速机24输出轴通过链传动将动力传递给输出轴，输出轴与驱动轮31连接，将动力传递给三角履带13，继而驱动三角履带13运动。伺服电机驱动器22通过将直流伺服电机24实时数据传送给机器人端下位机17，机器人端下位机17再与监视端上位机通信，监视端上位机给出信号来控制直流伺服电机24转速来控制机器人直线行驶速度。

本实施例中，雪橇板11铰接于雪橇板连接臂12下端，雪橇板连接臂12与上下布置的一对A型连接臂21铰接，并与伸出轴20铰接，A型连接臂21与主箱体5通过销轴相连(销轴轴向为竖向方向)。所述伸出轴20设置在主箱体5内，能够横向(沿机器人宽度方向)滑动。雪橇板11对应的驱动装置包括第二直线推杆18、伸出轴连接件19、伸出轴20，第二直线推杆18通过伸出轴连接件19与伸出轴20连接。第二直线推杆18 通过直线推杆驱动器25控制第二直线推杆18长度来控制雪橇板11绕与A型连接臂21 之间的转轴左右摆动的角度，雪橇板11可在-30度到30度范围内偏移，机器人转向方式采用前轮(雪橇板11)偏移转向，雪橇板11根据阿克曼转角公式偏移一定角度，后部一对三角履带13产生速度差实现转向，该种转向方式转向阻力小，转向半径小，使机器人得到更高机动性。雪橇板11相比三角履带13接地面积更大，重量更轻，能够减小接地比压，减小机器人在雪地中的沉陷，减小行驶阻力，使机器人得到更高机动性。所述主箱体5与下部A型连接臂21之间铰接有第二弹簧避震器55，A型连接臂21与主箱体5之间设有竖向的销轴，转轴具有小幅上下窜动的幅度，在越障与崎岖路面行驶时，雪橇板11可绕铰接点转动，提高路面适应性，在地面造成冲击时，第二弹簧避震器55能够实现主箱体5减振。

如图7，本实施例中，可见冰裂隙探测及感知***包括二自由度云台7及设置于二自由度云台7上的摄像机6和激光雷达8。二自由度云台7内部存在两组减速机构52，第一云台轴53与第二云台轴54分别转动连接于对应减速机构52，第一云台轴53与第二云台轴54均可绕自身轴向方向旋转实现两自由度转动。在上部减速机构52中的第一云台轴53两端分别用于安装相机基板51和激光雷达，摄像机6安装于相机基板上51，摄像机6与激光雷达8随第一云台轴53同步转动，能够同步获取同一位置实时图像数据与可见冰裂隙信息及获取障碍物信息，并将收集到的信息传输给机器人端下位机17。

如图9-10，本实施例中，不可见冰裂隙探测***包括探冰雷达1、探冰雷达天线2、探冰雷达连接臂16、第一直线推杆3、空气弹簧15，探冰雷达1与探冰雷达天线2连接，探冰雷达连接臂16铰接于探冰雷达1与主箱体5之间，第一直线推杆3两端分别铰接于探冰雷达连接臂16与主箱体5上。通过直线推杆驱动器25调整第一直线推杆3长度，探冰雷达连接臂16将绕着主箱体5铰接端上下转动，改变探冰雷达连接臂16与橡胶履带第二接地段33-2所在平面角度，从而调节探冰雷达天线2离地高度，防止在崎岖路面或爬坡情况下探冰雷达天线2接触地面出现损坏，空气弹簧15保证在第一直线推杆3 突发故障时使探冰雷达天线2能维持当前离地高度，探冰雷达1通过重力作用保证垂直于地平面。探冰雷达1用于探测雪层覆盖下的不可见冰裂隙信息，探病雷达1通过对雪层发出电磁波，然后所探冰雷达天线2接受雪层下反射的信号来判断冰裂隙位置，监视者可通过与GPS地图结合绘制冰裂隙位置图，监视者可通过冰裂隙位置图绘制海冰运输路线图。

本实施例中，所述采样收集***包括机械臂10、采样盒9及机械臂控制柜49；机械臂10布置于主箱体5前端，采样盒9布置于所述主箱体5前端顶部，用于暂存样品。

本实施例中，所述控制***包括机器人端下位机17、惯性导航仪26、惯性导航天线14、微波图传数传电台27、微波图传数传电台天线4；机器人端下位机17用于与监视端上位机通信，监视端上位机通过所述机器人端下位机17控制机器人运动作业，机器人端下位机17通过伺服电机驱动器22控制电机22转速来控制机器人速度，机器人端下位机17通过直线推杆驱动器25控制第一直线推杆3和第二直线推杆18长度来分别控制所述雪橇板11偏移角度和探冰雷达1离地高度，机器人端下位机17通过机械臂控制柜49来控制所述机械臂10作业，机器人端下位机17通过惯性导航仪26及惯性导航天线14得到机器人位姿与位置信息，机器人端下位机17通过微波图传数传电台31 及微波图传数传电台天线4传输实时图像数据及机器人各种数据给所述监视端上位机。

当机器人启动时，电池50为整机提供电源，机器人端下位机17实现与监视端上位机通信，实现数据与图像实时传输，监视端上位机负责控制伺服电机驱动器22、直线推杆驱动器25、机械臂控制柜49来控制相对应结构作业，同时监视端上位机还负责处理机器人端下位机17传输的探冰雷达数据接收处理、GPS导航进行机器人任务路线创建与下发、人机交互等功能。机器人端下位机17负责处理各种传感器与驱动器数据处理与发送、控制指令收发、底层控制命令处理等。机器人端下位机17通过微波图传数传电台27及微波图传数传电台天线4实现对监视端上位机的图像与数据通讯的发送与接受。监视端上位机通过伺服电机驱动器22获取直流伺服电机24实时转速，并通过伺服电机驱动器22调节直流伺服电机24实时转速，直流伺服电机24将动力通过传动***传递给三角履带13来实现机器人直线与转向行驶。监视端上位机通过直线推杆驱动器 25调节第二直线推杆18来调整雪橇板11角度来进行转向。机器人端下位机17通过惯性导航仪26及惯性导航天线14实现对监视端上位机的机器人位姿与位置信息发送与接收。监视端上位机通过机械臂控制柜49控制机械臂10进行作业，机械臂10具有六自由度，末端可设置不同的抓手，采集的样品暂存于采样盒9。探冰雷达1通过对雪层发出电磁波，然后探冰雷达天线2接受雪层下反射的信号来判断冰裂隙位置，并将不可见冰裂隙信息实时传输给机器人端下位机17，机器人端下位机17再传输给监视端上位机，监视端上位机将GPS地图与不可见冰裂隙数据信息结合，得到不可见冰裂隙GPS位置图。探冰雷达连接臂16存在1个转动自由度，监视上位机可以通过直线推杆驱动器25 调节第一直线推杆3长度来调整探冰雷达1离地高度，在越过雪脊时，可以提高离地高度，避免探冰雷达天线2碰撞地面产生损坏。摄像机6及激光雷达8固定在二自由度云台7上进行环境感知与探测，二自由度云台7能够根据监视端上位机要求进行俯仰和回转来调整摄像机6及激光雷达8的视野范围，摄像机6获取机器人周围实时图像数据，激光雷达8扫描并收集可见冰裂隙信息及获取障碍物信息，并将收集到的信息传输给机器人端下位机17，机器人端下位机17再传输给监视端上位机，监视端上位机将可见冰裂隙数据信息与之前不可见冰裂隙位置图结合就可以得到探测区域的冰裂隙位置图，可根据该地图绘制海冰运输路线。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种特种海冰探测机器人，其特征在于，包括：主箱体，设置于主箱体上的行走机构、可见冰裂隙探测及感知***、不可见冰裂隙探测***、采样收集***和控制***；

所述可见冰裂隙探测及感知***用于收集主箱体周围实时图像数据、可见冰裂隙信息及障碍物信息，并实时传输给控制***；

所述不可见冰裂隙探测***用于获取雪层下不可见冰裂隙信息并发送给控制***；

行走机构，包括履带行走机构和雪橇板支撑模块，用于支撑主箱体，并驱动机器人的转向和行走；

采样收集***用于采集样品；

控制***，用于与监视端上位机通信，并控制机器人运动作业。

2.根据权利要求1所述的特种海冰探测机器人，其特征在于，所述履带行走机构包括支承架、第一弹簧避震器、驱动轮连接臂、驱动轮支承架、驱动轮、支承轮支承架、支承轮、导向轮、张紧轮、履带；

所述驱动轮与履带内齿啮合；所述支承架后端设有张紧轮，前端设有导向轮；

所述导向轮通过导向轮连接臂与支承架相连，使得履带前部存在导向角；

所述支承架两侧均设有多个支承轮支承架；所述支承轮转动连接在两侧的支承轮支承架之间；

所述支承轮支承架与支承架转动连接；

所述驱动轮连接在两个驱动轮支承架之间；驱动轮支承架前端与支承架之间铰接有第一弹簧避震器；驱动轮支承架后端与支承架之间铰接有驱动轮连接臂。

3.根据权利要求1所述的特种海冰探测机器人，其特征在于，所述雪橇板支撑模块包括雪橇板、雪橇板连接臂、A型连接臂；

所述雪橇板铰接在雪橇板连接臂下端；

所述雪橇板连接臂与上下布置的一对A型连接臂铰接，并与伸出机构铰接；

所述伸出机构用于推动雪橇板左右摆动；

所述A型连接臂与主箱体通过销轴相连，该转轴轴向为竖向方向，且能够上下窜动；

所述主箱体与下侧的A型连接臂之间铰接有第二弹簧避震器。

4.根据权利要求3所述的特种海冰探测机器人，其特征在于，所述伸出机构包括伸出轴、第二直线推杆、伸出轴连接件；

所述伸出轴与雪橇板铰接；

所述伸出轴设置在主箱体内，能够横向滑动；

所述第二直线推杆通过伸出轴连接件与伸出轴连接，用于推动雪橇板绕与A型连接臂之间的转轴左右摆动。

5.根据权利要求1所述的特种海冰探测机器人，其特征在于，所述不可见冰裂隙探测***包括探冰雷达、探冰雷达天线、探冰雷达连接臂、第一直线推杆、空气弹簧；

所述探冰雷下端与探冰雷达天线连接；

所述探冰雷达连接臂铰接于探冰雷达与主箱体之间；

所述第一直线推杆两端分别铰接于探冰雷达连接臂与主箱体上；

通过调整第一直线推杆长度，探冰雷达连接臂将绕着主箱体铰接端上下转动，带动探冰雷达连接臂，从而调节探冰雷达天线离地高度。

6.根据权利要求1所述的特种海冰探测机器人，其特征在于，可见冰裂隙探测及感知***包括二自由度云台及设置于二自由度云台上的摄像机和激光雷达；

所述摄像机和激光雷达用于同步获取同一位置实时图像数据与可见冰裂隙信息及获取障碍物信息，并将收集到的信息传输给控制***。

7.根据权利要求6所述的特种海冰探测机器人，其特征在于，所述二自由度云台包括第一云台轴、第二云台轴、二自由度云台内部的两组减速机构；

第一云台轴与第二云台轴分别转动连接于对应减速机构，第一云台轴与第二云台轴均可绕自身轴向方向旋转实现两自由度转动；在上部减速机构中的第一云台轴两端分别用于安装相机基板和激光雷达；摄像机安装于相机基板上。

8.根据权利要求1所述的特种海冰探测机器人，其特征在于，所述采样收集***包括机械臂、采样盒；所述机械臂布置于主箱体前端，采样盒布置于所述主箱体前端顶部，用于暂存样品。

9.根据权利要求1-8任一项所述的特种海冰探测机器人，其特征在于，所述控制***包括机器人端下位机、惯性导航仪、惯性导航天线、微波图传数传电台、微波图传数传电台天线；

所述机器人端下位机用于与监视端上位机通信，监视端上位机通过所述机器人端下位机控制机器人运动作业，机器人端下位机通过伺服电机驱动器控制电机转速来控制机器人速度，机器人端下位机通过直线推杆驱动器控制控制雪橇板偏移角度和探冰雷达离地高度，机器人端下位机通过机械臂控制柜来控制所述机械臂作业，机器人端下位机通过惯性导航仪及惯性导航天线得到机器人位姿与位置信息，机器人端下位机通过微波图传数传电台及微波图传数传电台天线传输实时图像数据及机器人各种数据给所述监视端上位机。

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