多地形考察机器人装置及其配置及引导方法与流程

本发明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。

背景技术：

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，此文献中提出的发明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。

技术实现要素：

本发明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，本发明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。下文解释本发明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接头，在主体的每一侧上为三个。每一接头轴6由dc电动机7致动，dc电动机7具有总共六个独立电动机，其可在位置、速度或扭矩模式下受到控制。每一电动机通过行星齿轮8及传动带9耦合到轴。

快速可重新配置的运动模块

所提出的机器人装置具有可快速更换的不同运动机构。其允许同一装置具有不同运动特性及能力。图4演示此模块如何工作。其基于快速释放/附接销来改变运动机构。第一个框展示通过销附接到接头轴的运动机构(图4.a)。为改变特定机构，有必要释放销(图4.b)，释放运动机构(图4.c)，在轴中插入所需运动机构(图4.d)并最终附接销(图4.e)。

此模块省去使用任何额外工具。这是非常理想的，因为自然洞穴通常见于难以进入的区，并且所有硬件必须由操作员携带；考虑到这一点，需要携带的重量越轻越好。

本发明提出的运动机构是：弧形腿10(图5)、普通轮11(图6)、星形轮12(图7)及转向轨道13(图8)。组装配置图案可单一的，仅使用一种类型的运动机构，或为混合的，一起使用不同类型。组装模式可经配置为但不限于：六(6)个普通轮11(图9)；六(6)个弧形腿10(图10)；角上的四(4)个普通轮11及两(2)个中央腿10(图11)；角上的四(4)个普通轮11及两个(2)中央星形轮12(图12)；六(6)个星形轮12(图13)；角上的四(4)个轮11，其中转向轨道13耦合在其上(图14)。在特殊情况下，转向轨道不能直接附接在接头轴上；代替地，其耦合到两个普通轮。在此情况下，任何可用运动机构都可附接到中央轴，以便帮助进行运动。

在此文献中将组装模式称为“运动配置”；因此，每一配置是运动机构的组合。每一运动配置具有其自己的优点及局限性。作为实例，基于普通轮的配置消耗更少能量但对于障碍物跨越效率较低。当使用腿时，特性是最相反的，使装置能够在较不平整地形上方移动但消耗更多能量。与普通轮及腿相比，星形轮呈现中等性能。转向轨道最适用于泥泞的地形，并且呈现大于轮的功耗。简单地说，每一运动配置适用于不同种类的地形，并且决定在任务中应使用哪一者是优化机器人的行进距离、稳定性及能量消耗的基础。

制图单元

制图单元14在图15中说明并且可在图16中看到其尖端的分解图。其安装在机器人的顶部以产生表示周围环境的3d彩色点云数据集，将三维几何数据与来自洞穴壁的彩色高分辨率图像组合。使用dc伺服电动机，制图单元围绕机器人连续旋转360°，从而收集及管理来自传感器的数据。为此，制图单元由超紧凑的计算机单元及传感器组成，所述传感器包含激光扫描仪-lidar15、具有大视场透镜的rgb摄像机16、高亮度led外部照明器17及惯性测量单元(imu)。所有组件均防水防尘，ip代码为从54到67。替代地，所有组件均可安装在机器人或制图单元机箱内部，其完全免受外部影响。

出于软件开发的目的，制图过程被分成子功能性：扫描管理器、单元旋转、图像捕获及点捕获(图17)。

·扫描管理器

扫描管理器负责协调由lidar执行的数据收集过程。通过命令接口发送命令之后，状态机执行开始。状态机的第一个动作是检查电池的状态，以评估进行拍摄的可行性。稍后，状态机发送命令以连接lidar、两个摄像机、4个led及dc伺服电动机。执行将旋转的零点标识为针对拍摄的初始参考。随后，lidar点存储开始。图像捕获在08(八)个旋转点处完成(制图单元角度：0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°)。如果失败，将显示警告消息，并且用户决定何时重新启动扫描管理器。用户还可在任何阶段停止扫描。在成功完成的情况下，关闭组件并重新定位制图单元。

所提出的系统可在不同操作条件(其包含机器人停止或移动)下对环境进行制图。为衰减在机器人移动时在制图期间引起的振动，制图单元可通过由弹簧及/或气囊制成的悬架连接到机器人装置。

·制图单元旋转

制图单元应使用直齿轮传动装置及dc伺服电动机绕垂直安置的轴旋转。制图单元的360°转动由dc伺服电动机的4个完整转动组成；归因于齿轮的存在，dc伺服电动机的每一完整旋转表示单元的90°旋转。dc伺服电动机编码器在第4转动结束之后指示制图单元旋转的结束，随后完成数据获取。针对图像存储步骤，此功能性应在捕获时发送dc伺服电动机及象限的编码器角度。

·图像捕获

针对图像捕获，根据图16定位两个摄像机，可能调整其定位。在开始拍摄之后，同时从两个摄像机捕获图像。在执行拍摄期间存储此数据。

·3d点捕获

lidar提供3d几何数据以产生具有其相应深度的点的表面。其将返回参考lidar坐标系的点坐标(x,y,z)。此句柄数据编译称为点云的文件，所述文件在拍摄结束时产生。在此步骤之后，执行校准以将点云与由hd摄像机拍摄的照片相关联。针对每一3d点，具有在拍摄执行期间收集的照片的对应颜色的像素是相关的，使得产生彩色3d点云。

可从点云产生3d网格。3d网格是平面的集合，在本发明的情况下是三角形，其表示三维形状。因此，从点云(图18.b)获得的3d网格(图18.a)表示机器人周围环境的地势。

操作辅助模块

远程操作考察机器人通常与向操作员提供命令接口相关，其中可向装置发送命令，并且接收摄像机及其它传感器反馈以便使机器人周围环境可视化。在本发明的情况下，由两个嵌入式摄像机提供的图像在用户接口20处向操作员展示，并且操纵杆21用于向机器人发送命令。

与本地操作相比，远程操作的主要缺点是操作员丧失周围环境概念。因此，操作辅助模块是合乎需要的，因为其促进任务执行并允许操作员将其注意力集中在高级任务上。所提出的辅助模块帮助操作员指示机器人可能倾翻的区域，并且建议能够跨越每一段地形的适当运动配置。

操作辅助模块使用机器人周围环境的地势图22作为输入而不考虑洞穴的壁及顶板23。基于此，针对已知地图的每一段，辅助模块估计机器人姿势(位置及定向)以及与倾翻风险相关的稳定性。为此，可采用不同移动性度量，其包括由埃万盖洛斯·帕帕多普洛斯(evangelospapadopoulos)及丹尼尔a.雷伊(daniela.rey)提出的倾翻稳定性裕度的力角测量，以及由梅苏利(messuri)及克莱因(klein)提出的能量稳定性裕度。机器人稳定性预测允许突出显示在所有操作期间应避开的地图的倾翻风险区域24。

针对剩余地图区域，分析地势以识别可通过使用中的运动配置跨越的区域22。鉴于被归类为不可跨越的区域25，评估其它可用运动机构以识别用于跨越此类障碍物的适当的运动机构。此评估通过在线或离线模拟完成，所述模拟使用所有可能的运动配置分析机器人移动性性能，同时跨越类似障碍物。如果没有可用运动机构能够克服这些区，那么其也应在地图中突出显示为在操作期间要避开的区域。

操作辅助模块使用信息来产生地形的经修改地图，其明确地向用户指示应避开的不可跨越或翻滚风险区域，以及更多地指示另一个运动机构可跨越的障碍物。

因此，本发明还提出一种用于引导多地形考察机器人装置的方法。根据以下步骤引导机器人装置：获得机器人周围环境的更新地势图；考虑所有可能运动配置，估计众多地图位置上方的机器人姿势；计算所有那些估计姿势的稳定性度量；识别地图中机器人在使用运动机构的情况下可能倾翻的区域，分析用其它运动机构获得的度量结果，并识别在跨越此类障碍物时不倾翻的配置；并且产生具有在使用运动机构的情况下可跨越、具有倾翻风险及不可跨越的区域的地图，还指示用以跨越受限区域的其它运动配置。

自主导航模块

自主模式下的操作也是可用的。此策略与经典方法不同，因为其考虑机器人运动配置以计算其稳定性及障碍物跨越能力以进行最优路径规划。

在任务开始之前，操作员向模块指示应优化哪个移动性度量：最短路径、最小倾翻风险或最小能量消耗。此信息对应于操作员设置的特定增益，还允许在不同移动性度量之间建立折衷。

克服高障碍物通常意味着走捷径，然后执行更快考察。然而，覆盖不平整地形使机器人的倾翻风险更高，并且考虑到电动机施加额外功率来跨越环境中的障碍物，这会消耗更多能量。这样，行进通过较平坦地形应更安全，并且能量消耗更友好。

自主导航模块需要来自周围环境的更新地势图作为输入。使用稳定性度量及关于使用中的运动配置的信息，模块从地图抽出倾翻风险及不可跨越区域；这样，路径规划将不会考虑风险区域。

计算到目标点的三个路径-最短，根据倾翻风险更安全，以及节能。选择将执行哪一者将取决于先前定义的移动性策略。

此策略(图21)实施如下：机器人位于开始点26并且应移动下一个目标点27，这可由操作员直接通知或者经由例如单元分解的探索算法获得以用于完整的覆盖路径规划。使用中的运动配置不可跨越的障碍物25及倾翻风险区域24不被路径规划算法考虑在内。计算最短30，最安全31及能量最友好32路径；根据先前定义的移动性策略来定义执行路径。

在探索实际运动配置可跨越的所有可能区之后，机器人返回到基地并向操作员指示能够进入未考察区域的替代运动机构。使用推荐运动配置，机器人能够重新进入任务区域，直接进入未覆盖区域，以便完成被考察环境的3d地图。

因此，本发明进一步提供一种用于引导多地形考察机器人装置的方法。根据以下步骤引导机器人装置：获得机器人周围环境的更新地势图；获得表示移动性策略的增益值，所述增益值指示待优化的度量：最短路径，最小倾翻风险或最小能量消耗；获得机器人装置的下一个目标点，其可直接通知或经由例如单元分解的探索算法获得以用于完整的覆盖路径规划以考察整个环境；从地势图移除具有倾翻风险及使用中的运动机构不可跨越的区域；考虑所产生的经修改地图，使用例如a*或d*的路径规划算法跟踪到目标点的最短路径；考虑经修改地图，使用基于例如倾翻稳定性裕度或基于能量的稳定性裕度的力角测量来跟踪到目标点的具有较小倾翻风险的路径；考虑经修改地图，使用基于机器人电动机的能量消耗的路径规划算法来跟踪到目标点的最优能量消耗路径；取决于针对自主导航系统的移动性策略，选择将使用所获得路径中的哪一者；命令机器人装置达到目标点。

虽然上文已经描述各种实例实施例，但应理解，其是通过实例的方式而非限制来呈现的。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可在其中进行形式及细节上的各种改变。