本发明公开了一种夜巡机器人，包括机器人主体，以及驱动机器人主体移动的底盘机构，还包括执行机构、声光装置、传感器单元和控制单元；其中，所述的传感器单元包括热成像仪，所述控制单元根据热成像仪采集的红外热像数据，并根据人体生命体征，判断巡检区域中人体生命体征类型，当判断为正常行为时，则发出控制指令，通过执行机构驱动底盘机构，从而带动驱动机器人主体移动；当判断为异常行为时，则发出报警指令驱动声光装置报警。本发明的夜巡机器人，不仅可代替狱警执行监室夜间巡逻任务，捕获夜间人类活动的红外热像；而且“能说会听可思考”，可主动分析被监禁人员的作息情况与夜间活动，智能识别异常行为，及时发现潜在安全隐患。
1.一种夜巡机器人，包括机器人主体(200)，以及驱动机器人主体(200)移动的底盘机构(300)，其特征在于，还包括执行机构(140)、声光装置(150)、传感器单元(160)和控制单元(110)；
其中，所述的传感器单元(160)包括热成像仪(165)，所述控制单元(110)根据热成像仪(165)采集的红外热像数据，并根据人体生命体征，判断巡检区域中人体生命体征类型，当判断为正常行为时，则发出控制指令，通过执行机构(140)驱动底盘机构(300)，从而带动驱动机器人主体(200)移动；当判断为异常行为时，则发出报警指令驱动声光装置(150)报警，并向后台计算机发送红外图像；
所述的机器人主体(200)还包括隔离板(211)、顶板(212)、旋转台(213)、升降机构、旋转机构和俯仰机构，隔离板(211)、顶板(212)、旋转台(213)从下至上依次固定连接；
升降机构包括步进电机一(221)、主动同步轮(222)、从动同步轮(223)、同步带(224)、同步夹(225)、转接块(226)、旋转隔离轴承组件(227)、多边形管(228)，主动同步轮(222)与步进电机一(221)的输出端固定连接，步进电机一(221)与隔离板(211)固定连接，从动轮设置在顶板(212)的上表面，同步带(224)设置在主动同步轮(222)和从动同步轮(223)之间，同步夹(225)与同步带(224)固定连接；多边形管(228)与旋转隔离轴承组件(227)内圈固定连接，同步夹(225)和旋转隔离轴承组件(227)外圈分别与转接块(226)固定连接；
旋转机构包括步进电机二(231)、主动齿轮(232)以及与主动齿轮(232)啮合的从动齿轮(233)，主动齿轮(232)与步进电机二(231)的输出端固定连接，从动齿轮(233)与旋转台(213)旋转连接，从动齿轮(233)中心设置有多边形孔，多边形管(228)滑动连接在多边形孔内；
俯仰机构包括固定块(241)和活动块(242)，多边形管(228)与固定块(241)固定连接，活动块(242)与固定块(241)枢接连接，固定块(241)和活动块(242)之间设置有用于驱动活动块(242)作上下转动的步进电机三(243)，步进电机三(243)与固定块(241)固定连接，活动块(242)与步进电机三(243)的输出端固定连接，热成像仪(165)与活动块(242)固定连接。
所述的控制单元(110)包括数据模块(111)、运动模块(113)和报警模块(112)，所述的数据模块(111)包括数据库(111b)和数据处理器(111a)，数据库(111b)用于实时写入传感器单元(160)收集的数据，并将数据分类封装后送入数据处理器(111a)，数据处理器(111a)根据数据类型的不同，分别进行数据计算，然后转换成运动参数和报警参数，运动参数发送至运动模块(113)，报警参数发送至报警模块(112)；所述的运动模块(113)用于将运动参数转换成控制指令驱动执行机构(140)，所述的报警模块(112)用于将报警参数转换成报警指令驱动声光装置(150)报警。
所述的传感器单元(160)还包括声音采集器(166)、磁阻传感器(164)、陀螺仪(163)、激光雷达(162)和超声传感器(161)，声音采集器(166)用于采集声音数据，并根据异常规则筛选声音数据，当判断为正常行为时，则发出控制指令，通过执行机构(140)驱动底盘机构(300)，从而带动驱动机器人主体(200)移动；当判断为异常行为时，则发出报警指令驱动声光装置(150)报警；
所述的磁阻传感器(164)和陀螺仪(163)用于配合电机的转角脉冲、计算机器人位置数据，控制单元(110)根据计算的位置数据进行定位数据计算，然后通过所述的控制指令控制执行机构(140)；
所述的激光雷达(162)和超声传感器(161)用于采集行进数据，控制单元(110)根据采集的行进数据进行行进数据计算，然后通过所述的控制指令控制执行机构(140)避开障碍。
所述的底盘机构(300)包括底盘主体(301)，以及四个正交分布的全向轮(303)，所述四个全向轮(303)分别通过等长双叉臂悬挂结构(302)安装在底盘主体(301)下方，且每个全向轮(303)由单独的驱动电机(304)驱动，四个驱动电机(304)分别与执行机构(140)连接。
所述的升降机构还包括直线滑轨(229a)和滑块(229b)，滑轨与隔离板(211)固定连接，滑块(229b)与直线滑轨(229a)滑动连接，滑块(229b)与转接块(226)固定连接。
所述的旋转机构还包括转接轴承(234)，转接轴承(234)与从动齿轮(233)同轴分布，转接轴承(234)内圈与旋转台(213)固定连接，转接轴承(234)外圈与从动齿轮(233)固定连接。
一种夜巡机器人
技术领域
[0001] 本发明属于行走机器人技术领域，具体涉及一种夜巡机器人。
背景技术
[0002] 监狱的夜间巡视由狱警执行，夜间狱警巡逻不仅工作繁重，而且因监管对象的特殊性，预警执行巡逻的危险性较高，如遇到紧急状况，巡逻者可能会有较大的人身安全隐患。
[0003] 除了通过人为的巡逻监控，现有的监控技术还主要依赖固定设置的摄像头，通过摄像头采集图像，然后从监控室中观察监控区域的情况。但是，由于摄像头固定，导致监控区域会存在一定的死角，监控不完全，并且采集图像较多，监控室的监控人员工作较为繁重，容易产生疏忽。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于针对现有的监控技术中存在的问题，提供一种夜巡机器人，不仅可代替狱警执行监室夜间巡逻任务，捕获夜间人类活动的红外热像；而且“能说会听可思考”，可主动分析被监禁人员的作息情况与夜间活动，智能识别异常行为，及时发现潜在安全隐患，为干预处置提供前期预判信息，可减轻值班预警的工作压力，降低狱警处置的危险性，极大提高监狱的监管智能化水平和能力。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] 一种夜巡机器人，包括机器人主体，以及驱动机器人主体移动的底盘机构，还包括执行机构、声光装置、传感器单元和控制单元；
[0007] 其中，所述的传感器单元包括热成像仪，所述控制单元根据热成像仪采集的红外热像数据，并根据人体生命体征，判断巡检区域中人体生命体征类型，当判断为正常行为时，则发出控制指令，通过执行机构驱动底盘机构，从而带动驱动机器人主体移动；当判断为异常行为时，则发出报警指令驱动声光装置报警，并向后台计算机发送红外图像。
[0008] 作为优选地技术方案，所述的控制单元包括数据模块、运动模块和报警模块，所述的数据模块包括数据库和数据处理器，数据库用于实时写入传感器单元收集的数据，并将数据分类封装后送入数据处理器，数据处理器根据数据类型的不同，分别进行数据计算，然后转换成运动参数和报警参数，运动参数发送至运动模块，报警参数发送至报警模块；所述的运动模块用于将运动参数转换成控制指令驱动执行机构，所述的报警模块用于将报警参数转换成报警指令驱动声光装置报警。
[0009] 作为优选地技术方案，所述的传感器单元还包括声音采集器、磁阻传感器、陀螺仪、激光雷达和超声传感器，声音采集器用于采集声音数据，并根据异常规则筛选声音数据，当判断为正常行为时，则发出控制指令，通过执行机构驱动底盘机构，从而带动驱动机器人主体移动；当判断为异常行为时，则发出报警指令驱动声光装置报警；
[0010] 所述的磁阻传感器和陀螺仪用于配合电机的转角脉冲、计算机器人位置数据，控制单元根据计算的位置数据进行定位数据计算，然后通过所述的控制指令控制执行机构；
[0011] 所述的激光雷达和超声传感器用于采集行进数据，控制单元根据采集的行进数据进行行进数据计算，然后通过所述的控制指令控制执行机构避开障碍。
[0012] 作为优选地技术方案，所述的底盘机构包括底盘主体，以及四个正交分布的全向轮，所述四个全向轮分别通过等长双叉臂悬挂结构安装在底盘主体下方，且每个全向轮由单独的驱动电机驱动，四个驱动电机分别与执行机构连接。
[0013] 作为优选地技术方案，所述的机器人主体还包括隔离板、顶板、旋转台、升降机构、旋转机构和俯仰机构，隔离板、顶板、旋转台从下至上依次固定连接；
[0014] 升降机构包括步进电机一、主动同步轮、从动同步轮、同步带、同步夹、转接块、旋转隔离轴承组件、多边形管，主动同步轮与步进电机一的输出端固定连接，步进电机一与隔离板固定连接，从动轮设置在顶板的上表面，同步带设置在主动同步轮和从动同步轮之间，同步夹与同步带固定连接；多边形管与旋转隔离轴承组件内圈固定连接，同步夹和旋转隔离轴承组件外圈分别与转接块固定连接；
[0015] 旋转机构包括步进电机二、主动齿轮以及与主动齿轮啮合的从动齿轮，主动齿轮与步进电机二的输出端固定连接，从动齿轮与旋转台旋转连接，从动齿轮中心设置有多边形孔，多边形管滑动连接在多边形孔内；
[0016] 俯仰机构包括固定块和活动块，多边形管与固定块固定连接，活动块与固定块枢接连接，固定块和活动块之间设置有用于驱动活动块作上下转动的步进电机三，步进电机三与固定块固定连接，活动块与步进电机三的输出端固定连接，热成像仪与活动块固定连接；
[0017] 作为优选地技术方案，所述的升降机构还包括直线滑轨和滑块，滑轨与隔离板固定连接，滑块与直线滑轨滑动连接，滑块与转接块固定连接。
[0018] 作为优选地技术方案，所述的旋转机构还包括转接轴承，转接轴承与从动齿轮同轴分布，转接轴承内圈与旋转台固定连接，转接轴承外圈与从动齿轮固定连接。
[0019] 由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0020] 1.通过红外视觉系统，智能识别监室内人员的夜间活动状况，以及异常情况，为提前预判意外/异常状况提供了智能而直观的技术方法；
[0021] 2.监室内人员情绪的基本识别，为监禁人员的心理矫正与治疗，提供了准确而及时信息；
[0022] 3.可代替狱警执行监室夜间巡逻任务，捕获夜间人类活动的红外热像；可主动分析被监禁人员的作息情况与夜间活动，智能识别异常行为，及时发现潜在安全隐患，为干预处置提供前期预判信息，可减轻值班预警的工作压力，降低狱警处置的危险性，极大提高监狱的监管智能化水平和能力。
附图说明
[0023] 图1是本发明的夜巡机器人主视图。
[0024] 图2是本发明的夜巡机器人全剖视图。
[0025] 图3是本发明的夜巡机器人的热成像仪状态调整机构部分主视图。
[0026] 图4是图3的A处的放大图。
[0027] 图5为图3中B处的放大图。
[0028] 图6为本发明中夜巡机器人的热成像仪状态调整机构部分从动齿轮的装配示意图。
[0029] 图7为本发明夜巡机器人的热成像仪状态调整机构部分的俯视图。
[0030] 图8为本发明中升降机构的俯视图。
[0031] 图9为本发明的底盘机构结构示意图。
[0032] 图10为本发明的底盘机构局部结构示意图。
[0033] 图11为本发明的夜巡机器人结构示意框图。
[0034] 图12为本发明的异常体征模式匹配图。
[0035] 图中标记：101-客服端，110-控制单元，111-数据模块，111a-数据处理器，111b-数据库，112-报警模块，113-运动模块，140-执行机构，150-声光装置，160-传感器单元，161-超声传感器，162-激光雷达，163-陀螺仪，164-磁阻传感器，165-热成像仪，166-声音采集器，170-日志模块；
[0036] 200-机器人主体，211-隔离板，212-顶板，213-旋转台，221-步进电机一，222-主动同步轮，223-从动同步轮，224-同步带，225-同步夹，226-转接块，227-旋转隔离轴承组件，228-多边形管，229a-直线滑轨，229b-滑块，231-步进电机二，232-主动齿轮，233-从动齿轮，234-转接轴承，241-固定块，242-活动块，243-步进电机三；
[0037] 300-底盘机构，301-底盘主体，302-等长双叉臂悬挂结构，303-全向轮，304-驱动电机。
具体实施方式
[0038] 参照图1-12，本发明的一种夜巡机器人，包括机器人主体200，以及驱动机器人主体200移动的底盘机构300，还包括执行机构140、声光装置150、传感器单元160和控制单元110。
[0039] 参照图11，传感器单元160包括热成像仪165，所述控制单元110根据热成像仪165采集的红外热像数据，并根据人体生命体征，判断巡检区域中人体生命体征类型，当判断为正常行为时，则发出控制指令，通过执行机构140驱动底盘机构300，从而带动驱动机器人主体200移动；当判断为异常行为时，则发出报警指令驱动声光装置150报警，并向后台计算机发送红外图像。
[0040] 传感器单元160还包括声音采集器166、磁阻传感器164、陀螺仪163、激光雷达162和超声传感器161，声音采集器166用于采集声音数据，并根据异常规则筛选声音数据，当判断为正常行为时，则发出控制指令，通过执行机构140驱动底盘机构300，从而带动驱动机器人主体200移动；当判断为异常行为时，则发出报警指令驱动声光装置150报警；磁阻传感器164和陀螺仪163用于配合电机的转角脉冲、计算机器人位置数据，控制单元110根据计算的位置数据进行定位数据计算，然后通过所述的控制指令控制执行机构140；所述的激光雷达
162和超声传感器161用于采集行进数据，控制单元110根据采集的行进数据进行行进数据计算，然后通过所述的控制指令控制执行机构140避开障碍。
[0041] 传感器单元160是夜巡机器人的感知系统，主要实现对周边环境的感知以及相关的交互。通过传感器单元160的超声传感器161、激光雷达162、陀螺仪163、热成像仪165等各种功能的传感器，以实现对周围环境的精确识别、所需巡视方位的精准定位以及异常环境的及时报警。
[0042] 控制单元110包括数据模块111、运动模块113和报警模块112，所述的数据模块111包括数据库111b和数据处理器111a，数据库111b用于实时写入传感器单元160收集的数据，并将数据分类封装后送入数据处理器111a，数据处理器111a根据数据类型的不同，分别进行数据计算，然后转换成运动参数和报警参数，运动参数发送至运动模块113，报警参数发送至报警模块112；所述的运动模块113用于将运动参数转换成控制指令驱动执行机构140，所述的报警模块112用于将报警参数转换成报警指令驱动声光装置150报警。
[0043] 数据模块111相当于夜巡机器人的大脑，负责整个软件系统的数据处理及数据存储等一切与数据相关的工作。其功能可以分为三大类：夜巡机器人各传感器部件数据的实时写入；对数据库111b中数据进行相应封装以满足组件层的数据需求；日志需求数据的存储。
[0044] 日志需求的数据是通过日志模块170来实现的，日志模块170的主要作用是记录夜巡机器人任务巡视过程中的关键节点和特殊节点，包含：每天的巡视次数；每次巡视的开始时间、结束时间；每个监舍的开始巡视时间、结束巡视时间；每次异常报警的时间、方位、报警类别；每次充电的开始时间及相应电量状态、充电结束时间。
[0045] 夜巡机器人自动巡视该层楼的每个监室，检测监室内的红外图像，进行图像处理与识别，可完成：
[0046] 1)判断室内服刑人员是否在规定地点。如服刑人员超出指定的活动范围，则向后台报警；
[0047] 2)检测房间状况。如果房间为空，或有服刑人员异常聚集，向后台报警；
[0048] 3)如在后台管理系统未有指令的前提下，楼层的走廊上有人走动，则向后台报警；
[0049] 4)检测声音，对超出40分贝(夜间)声响，录制并向管理中心传输声音信号并报警。
[0050] 夜巡机器人通过红外热像，可区别人体姿态和行为识别功能，例如是否有服刑人员躺在床上(正常)，躺在地上，坐在床上，坐在地上，站在床上，站在地上，靠在墙上，倒立在地上，倒立在床上，悬在空中，蹲在地上，蹲在床上；如果有非正常体姿，向后台报警。检测服刑人员是否有非正常行为，如果出现有异常行为模式匹配列表的行为则告警，躺在床上失眠不做处理。异常行为包括：异常声音、自言自语、唱歌、四肢有较大的异常动作(如撕布条、手臂反复划动等行为)。如果有非正常行为，向后台报警。
[0051] 还可以通过红外图像，检测服刑人员生命体征是否正常，如果出现在异常体征模式匹配列表中则告警。异常体征包括：anger,fear,disgust,happiness,sadness,surprise,neutral,anxiety,love,depression,contempt,pride,shame,envy，异常体征模式匹配列表如图12所示。
[0052] 本发明的夜巡机器人，通过传感器单元160采集数据，然后实时写入数据模块111的数据库111b中，然后通过数据处理器111a进行分类封装，包括热成像仪165影像的特征提取、激光传测距感器162数据的位置计算、声音采集器166数据的阈值判断、超声传感器161数据的逻辑判断、磁阻传感器164数据的数值计算。然后转换成运动参数和报警参数，运动参数发送至运动模块113，报警参数发送至报警模块112；通过运动模块113发送控制指令即可控制执行机构140驱动不同的机构运动，而通过报警模块112则可以实现声光报警。
[0053] 运动模块113通过执行机构140驱动夜巡机器人的各部件执行相关的运动，主要分为三部分：机器人主体的运动、热像仪的旋转升降运动和热像仪的俯仰运动。
[0054] 参照图9，图10，机器人主体200的运动包含夜巡机器人的前行、后退、转弯、横向移动、静止，机器人主体200的运动主要则是通过底盘机构300来实现，底盘机构300包括底盘主体301，以及四个正交分布的全向轮303，所述四个全向轮303分别通过等长双叉臂悬挂结构302安装在底盘主体301下方，且每个全向轮303由单独的驱动电机304驱动，四个驱动电机304分别与执行机构140连接。底盘机构300采用等长双叉臂悬挂结构302，形成平行四边形的独立悬挂式结构，确保全向轮303始终垂直于底盘主体301，有效提高了底盘运行机构的平稳性、抗震性和缓冲能力，以适用夜巡机器人运行的不同路况。
[0055] 参照图3-8，热成像仪165的旋转升降运动和俯仰运动则是通过以下结构来实现的：
[0056] 机器人主体200还包括隔离板211、顶板212、旋转台213、升降机构、旋转机构和俯仰机构，隔离板211、顶板212、旋转台213从下至上依次固定连接。
[0057] 升降机构包括步进电机一221、主动同步轮222、从动同步轮223、同步带224、同步夹225、转接块226、直线滑轨229a、滑块229b、旋转隔离轴承组件227、多边形管228，主动同步轮222与步进电机一221的输出端固定连接，步进电机一221与隔离板211固定连接，从动轮设置在顶板212的上表面，同步带224设置在主动同步轮222和从动同步轮223之间，同步夹225与同步带224固定连接；多边形管228与旋转隔离轴承组件227内圈固定连接，滑块229b与直线滑轨229a滑动连接，同步夹225、旋转隔离轴承组件227外圈、滑块229b分别与转接块226固定连接。步进电机一221能够驱动同步带224上的同步夹225上下移动，从而带动多边形管228和热成像仪165165升降，多边形管228在从动齿轮233上的多边形孔内滑动，使得多边形管228的升降不受旋转机构的影响。
[0058] 旋转机构包括步进电机二231、主动齿轮232、转接轴承234以及与主动齿轮232啮合的从动齿轮233，主动齿轮232与步进电机二231的输出端固定连接，转接轴承234与从动齿轮233同轴分布，转接轴承234内圈与旋转台213固定连接，转接轴承234外圈与从动齿轮233固定连接，从动齿轮233中心设置有多边形孔，多边形管228滑动连接在多边形孔内。滑块229b和直线滑轨229a的配合能够稳定升降路径；步进电机二231能够驱动从动齿轮233转动，由于多边形孔对多边形管228的限制作用，多边形管228和热成像仪165旋转，在旋转隔离轴承组件227的作用下，多边形管228的旋转能够不受升降机构其他部件的影响。
[0059] 俯仰机构包括固定块241和活动块242，多边形管228与固定块241固定连接，活动块242与固定块241枢接连接，固定块241和活动块242之间设置有用于驱动活动块242作上下转动的步进电机三243，步进电机三243与固定块241固定连接，活动块242与步进电机三243的输出端固定连接，热成像仪165165与活动块242固定连接。步进电机三243能够驱动热成像仪165完成俯仰动作。整个装置结构简单，并能够使得热成像仪165的姿态调整灵活、动作互不干涉、运行灵活流畅。
[0060] 基于上述所述的夜巡机器人的机动功能、环境感知功能，结合监狱走廊的结构参数，实现机器人在走廊机动以及各监室的巡检。
[0061] 监室巡检流程：
[0062] 获取监室的各项属性；
[0063] 机器人机动到指定点；
[0064] 激光雷达162校验位置。如发送底盘机构300运行指令，则当前位置写数据库111b；
[0065] 机器人原地旋转90度，向前运行靠紧监室门口，通过磁阻传感器164微调角度；
[0066] 获取该监室最佳热像镜头姿态；
[0067] 调整热像镜头姿态到最佳摄取姿态；
[0068] 打开热成像仪165，捕获图像；
[0069] 保存，并启动图像处理与分类。
[0070] 通过上述巡检流程，即可实现对监狱等场所的巡检监控工作。
[0071] 夜巡机器人通过无线网与后台计算机通信，将热像数据和报警信息上传，用户可通过客户端101查看。后台计算机通过无线ether网，与机器人进行数据通信与操作交互。
