一种载人航天器舱内智能灭火机器人的制作方法

本实用新型涉及机械自动化技术领域，尤其涉及一种载人航天器舱内智能灭火机器人。

背景技术：

随着载人航天工程的发展，未来将建立长期在轨运行的载人航天器，供多名航天员巡访、长期工作和生活，以支持大量的空间科学实验和空间探测活动，对于长期在轨运行的载人航天器而言，火灾安全是必须妥善解决的最重要问题之一。历史上各种载人航天器中一直都安装有固定式和手持式灭火器。但是两种灭火器都有很大的缺点，无法适应航天器舱内微重力的环境。随着现代各领域科学技术的快速发展，移动机器人在各领域己有广泛应用。随着相关支撑技术的不断进步，在一些人类不适应或力所不及的环境下，如宇宙、海洋、火灾、放射性区域等，移动机器人能够很好地代替人类完成一些工作。

所以，实用新型一种可以适用于载人航天器舱内的智能灭火机器人，以此代替航天员进行着火初期、小范围的灭火操作，使航天员可以远离着火点，避免浓烟、高温和有毒气体对生命安全产生的威胁。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种载人航天器舱内智能灭火机器人，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种载人航天器舱内智能灭火机器人，主要包括机身主体和机械臂，所述机械臂安装在所述机身主体上，所述机身主体包括推进器、控制器、供电设备、传感器、热控结构、通信设备、电控设备和支撑结构；

所述推进器包括主喷嘴、分布在所述机身主体上的运动喷嘴、储气结构和共轴双螺旋桨；所述主喷嘴与所述共轴双螺旋桨分别位于所述机身主体的两侧，所述储气结构放置于两个气瓶卡槽中间，所述储气结构包括气瓶、膨胀室、减压阀和多通接口，所述气瓶通过所述多通接口与所述主喷嘴和所述运动喷嘴相连；

优选的，为了保护所述机器人及太空舱内人员安全，在共轴双螺旋桨外设置桨叶保护罩；

所述支撑结构用于支撑整个机身主体，由外壳、结构支架和加强板采用26面体结构构成；

优选的，所述气瓶中存有液态二氧化碳，所述液态二氧化碳经所述减压阀至所述膨胀室，气化后通过所述多通接口供给所述主喷嘴和所述运动喷嘴；

所述主喷嘴与所述运动喷嘴均包括喷嘴头和内置的电磁阀(图中未示出)；

优选的，所述机械臂位于所述机身主体上端，采用二自由度机械臂，通过传动装置，当机器人自由运动时，所述机械臂收回机身主体内；当机器人开启自锁功能时，所述机械臂伸出机身主体来抓住舱壁上的把手来固定自身。

优选的，所述控制器采用立方星载计算机和Raspberry Pi控制器(树莓派控制器)，采用ROS系统(机器人操作系统)进行分布式计算；所述供电设备是锂电池，可由人工更换或者通过充电接口进行无线充电；所述的传感器包括RGB-D相机、红外热成像仪、激光雷达和内置于控制器中的惯性测量单元；所述电控设备用来进行电量的分配，给各个电磁阀供电从而控制通断，给各个传感器供电，给电机供电驱动螺旋桨；所述的热控结构包括安装在所述控制器、所述通信设备和所述电控设备中的散热片；所述的通信设备实现所述控制器、所述传感器的所有信息与航天员上位机的传输与交换，向所述机器人发送指令，并备份所有信息。

优选的，所述控制器、电控设备和通信设备均固定在机体内部；所述充电接口、所述激光雷达与所述机械臂设置于同一面板上，所述热传感器、RGB-D相机、所述红外热成像仪与所述主喷嘴设置于同一面板上。

本实用新型的另一个目的在于使用本实用新型提供的机器人在载人航天器舱内进行灭火的方法，为实现该目的，采取的技术方法如下：

A.在火源附近释放所述机器人，所述机器人通过所述主喷嘴喷射二氧化碳气体进行灭火，并与所述运动喷嘴和所述共轴双螺旋桨共同控制机器人运动与姿态；

B.如果因烟雾覆盖无法判断火源位置时，所述机器人首先进行图像去雾处理，然后进行以RGB-D相机和红外热成像仪为中心的语义场景重建；

C.利用步骤B中所述的语义场景重建得到位置信息，指导所述机器人的运动轨迹；

D.当所述机器人停止灭火时，将自动启动返回模式，靠近舱壁扶手处，此时机身上部的激光雷达开机，机械臂伸出，精确抓住所述舱壁扶手，动力系统关闭，机器人自锁在所述舱壁附近，等待航天员下一步操作。

优选的，步骤A中所述主喷嘴流量控制为所述电磁阀开关控制，所述电磁阀控制主喷嘴流量输出为开、关两种状态；

优选的，步骤B中所述的语义场景重建方法为利用由RGB、深度和热信号组成的多模传感器数据流作为新框架的输入项，由扩展卡尔曼滤波融合其他惯性测量单元信号；航天员通过上位机显示的检测结果和数据，通过遥控手柄操纵机器人运动轨迹进行灭火；

优选的，步骤D中所述停止灭火的原因包括灭火完成、二氧化碳耗尽、机器人电量耗尽或者控制器监测到的异常状况中的至少一项；

优选的，控制器监测到的异常状况，包括所述机器人移动速度过快、所述控制器温度过高、所述喷嘴异常、姿态出现较大偏差。

本实用新型还能提供利用本实用新型提供的机器人进行载人航天器舱内巡检的方法，能够记录航天员活动、监测实验状态，为了实现这一目的，采取的技术方案是：

a.由所述主喷嘴、所述运动喷嘴和所述共轴双螺旋桨共同控制所述机器人的运动状态；

b.通过视觉惯性组合定位，利用即时定位与建图算法，重建舱内语义地图，在舱内自主运动，进行记录监测活动；

c.当机器人电量将要耗尽时，机器人将自主移动到充电桩处，此时机身上部的激光雷达开机，进行与充电桩的高精度对接，开始进行无线充电。

优选的，步骤a巡检时所述主喷嘴流量为阶梯输出，由所述电磁阀控制所述主喷嘴流量输出为三种状态，即多级运动控制；

优选的，所述步骤b中视觉惯性组合定位是通过前RGB-D相机、惯性测量单元和红外热成像仪共同实现；

优选的，所述定位与建图算法的方法为对视频流的每一帧分别进行相机定位、语义分割、稀疏建图等工作，并不断进行迭代；所述稀疏建图和相机定位的方法采用ORB-SLAM算法，语义分割基于多种先验信息；

优选的，所述机器人进行监测活动时，在运动控制算法中融合自然语言处理算法，使所述机器人能够“听懂”航天员的一些简要指令，并采取相应的动作。

优选的，所述的先验信息包括在进行重建舱内语义地图之前进行动静态物体的区分、温度、形状、颜色模型。

本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型提供的智能灭火机器人可通过自身结构控制运动方向，不需任何轨道装置，完全适应航天器舱内失重的环境；

2)由航天员根据传输回的图像等信息，操纵机器人到着火点进行灭火，使航天员可以远离着火点，避免浓烟、高温和有毒气体对生命安全产生的威胁；

3)进行语义场景重建时，所得到的位置信息指导机器人运动轨迹，控制器预先在误差允许的范围内，设置与障碍物最近距离的安全包络线，机器人自动保持安全距离，防止与航天员或舱内物品的碰撞。

附图说明

图1是机器人整体拆分图；

图2是机器人完整视图；

图3是支撑结构示意图；

图4是储气结构放置示意图；

图5是储气结构示意图；

图6是机器人背面内部框架示意图；

图7控制器装置图；

图8是共轴双螺旋桨示意图；

图9是机械臂收缩时状态；

图10是机械臂伸出时状态。

1、运动喷嘴*24；2、激光雷达；3、机械臂；4、充电接口；5、加强板*12；6、桨叶保护罩；7、外壳；8、气瓶卡槽*2；9、结构支架；10、主喷嘴；11、红外热成像仪；12、RGB-D相机；13、共轴双螺旋桨；14、供电设备；15膨胀室；16、气瓶；17、多通接口；18、减压阀；19、通信设备；20、控制器；21、电控设备；22、电机；23、桨叶。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

本实施例提供一种载人航天器舱内智能灭火机器人(如图1)，主要包括机械臂和机身主体，机械臂安装在机身主体上，所述机身主体包括推进器、支撑结构、控制器、供电设备、传感器、热控结构、通信设备和电控设备；

所述推进器包括主喷嘴、分布在机身上的24个运动喷嘴、储气结构和共轴双螺旋桨；所述主喷嘴与所述共轴双螺旋桨分别位于机身的两个对立面，为了保证安全，在所述共轴双螺旋桨外安装桨叶保护罩；所述储气结构放置于两个气瓶卡槽中间，包括气瓶、膨胀室、减压阀和多通接口，所述气瓶通过所述多通接口与所述主喷嘴和所述24个运动喷嘴相连。

所述气瓶中存有液态二氧化碳，所述液态二氧化碳经所述减压阀至所述膨胀室，气化后通过所述多通接口供给所述主喷嘴和所述运动喷嘴；

所述主喷嘴和所述运动喷嘴包括喷口和集成于内部的电磁阀(图中未示出)；

所述支撑结构由外壳、结构支架和12个加强板采用26面体结构构成；加强板能够安装在由所述结构支架构成的斜面正方形中间，其目的在于加强整个结构的稳定性，其个数可以是12个，也可以是其他个数；

所述机械臂位于所述机身主体上端，采用二自由度机械臂，通过传动装置，当机器人自由运动时，机械臂收回机体内(图9)；当机器人开启自锁功能时，机械臂伸出机体来抓住舱壁上的把手来固定自身(图10)。

所述供电设备是存储电量的锂电池，通过充电接口进行充电，充电接口位于所述机械臂旁，所述供电设备安装在侧面内部；另外锂电池也可以进行人工更换。

所述电控设备用来进行电量的分配，可以给控制器供电，给各个电磁阀供电从而控制通断，给各个传感器供电，给电机供电从而驱动共轴双螺旋桨旋转；

所述控制器采用立方星载计算机和Raspberry Pi控制器，采用ROS系统进行分布式计算；

所述的传感器包括RGB-D相机、红外热成像仪、激光雷达和内置于控制器中的惯性测量单元；所述激光雷达与所述机械臂位于同一面板上，所述RGB-D相机及所述红外热成像仪与所述主喷嘴位于同一面板上。

所述的热控结构主要是控制所述机身主体的散热情况，包括安装在所述控制器、所述通信设备和所述电控设备中的散热片；

所述的通信设备实现所述控制器、所述传感器的所有信息与航天员上位机的传输与交换，向所述机器人发送指令，并备份所有信息。所述控制器、电控箱和通信设备均安装在与所述机械臂安装面的对立面内。

实施例2

本实施例提供上述机器人进行灭火模式的步骤。

①在灭火模式下，机器人的运动与姿态由主喷嘴、分布在机身上的运动喷嘴和共轴双螺旋桨共同控制，主喷嘴流量控制为开关控制，电磁阀控制主喷嘴流量输出为开、关两种状态，即ON-OFF运动控制，此时，主喷嘴喷射二氧化碳气体进行灭火，并与运动喷嘴和共轴双螺旋桨共同控制机器人运动与姿态；

②在一定情况下，着火可能引发舱段内弥漫烟雾、水汽等，由视觉传感器采集到的场景信息可能较为模糊，所以在进行定位与建图之前，首先对图像进行去雾处理，使处理后的场景信息更加可靠；

③进行以RGB-D热成像为中心的语义场景重建。利用由RGB、深度(depth)和热信号(thermal)组成的多模传感器数据流(RGB-D-T)作为新框架的输入项，由扩展卡尔曼滤波融合其他惯性测量单元等信号，航天员通过上位机显示的检测结果和数据等信息，通过遥控手柄操纵机器人运动轨迹进行灭火；

④在进行RGB-D-T语义场景重建时，所得到的位置信息指导机器人运动轨迹，控制器预先在误差允许的范围内，设置与障碍物最近距离的安全包络线，机器人自动保持安全距离，防止由航天员误操作或者紧急情况下的碰撞。

⑤当机器人机身携带的气瓶内的二氧化碳气体将要耗尽，或者电量将耗尽时，机器人将自动启动返回模式，靠近舱壁扶手处，此时机身上部的激光雷达开机，机械臂伸出，精确抓住扶手，动力系统关闭，机器人自锁在舱壁附近，等待航天员下一步操作。

实施例3

本实施例将提供机器人进行巡检模式的步骤

①在巡检模式下，机器人的运动与姿态仍由主喷嘴、分布在机身上的运动喷嘴和共轴双螺旋桨共同控制，可以在各个舱室内自主运动。此时主喷嘴流量为阶梯输出，由电磁阀控制，从而控制机器人运动；

②通过前置RGB-D相机、IMU和红外热成像仪进行视觉惯性组合定位，利用即时定位与建图算法，采用了ORB-SLAM，对视频流的每一帧进行相机位置稀疏建图，基于温度、形状、颜色模型、动静态物体的区分等先验信息，进行语义分割工作，并不断进行迭代，重建舱内语义地图，在舱内自主运动，记录航天员活动、监测实验状态。

③在进行语义场景重建时，所得到的位置信息指导机器人运动轨迹，控制器预先在误差允许的范围内，设置与障碍物最近距离的安全包线，机器人自动保持安全距离，防止机器人与实验设备、舱壁或航天员发生碰撞。

④机器人运动控制算法中融合自然语言处理算法，使机器人能够“听懂”航天员的一些简要指令，并采取相应的动作。

⑤当机器人电量将要耗尽时，机器人将自主移动到充电桩处，此时机身上部的激光雷达开机，进行与充电桩的高精度对接，开始进行无线充电。

通过采用本实用新型公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

1)本实用新型提供的智能灭火机器人可通过自身结构控制运动方向，不需任何轨道装置，完全适应航天舱内近乎失重的环境；

2)由航天员根据传输回的图像等信息，操纵机器人到着火点进行灭火，使航天员可以远离着火点，避免浓烟、高温和有毒气体对生命安全产生的威胁；

3)进行语义场景重建时，所得到的位置信息指导机器人运动轨迹，控制器预先在误差允许的范围内，设置与障碍物最近距离的安全包络线，机器人自动保持安全距离，防止与航天员和舱内物品的碰撞。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。