一种便携式煤矿井下救援本安探测机器人

摘要

本发明属于矿井救援机器人技术领域，涉及一种便携式煤矿井下救援本安探测机器人，包括机器人本体、移动平台和控制辅助系统；移动平台包括底盘系统和密封安装在底盘系统上的底盘盖板，底盘系统内依次固定设置有左侧隔离板、中部隔离板和右侧隔离板，左侧隔离板和右侧隔离板上均转动安装有四根固定安装有驱动轮的转轴，驱动轮为偏心轮且每侧驱动轮均轮按照最大径方向交替相反的方式装配，相邻转轴串联连接且通过四个电机驱动；解决了现有矿用探测机器人所存在的体积大笨重、防水性差、越障行走效率差的问题。

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种便携式煤矿井下救援本安探测机器人。

背景技术

现有矿用救援机器人本体大多采用隔爆或隔爆兼本安防爆设计，如履带式机器人笨重达数百公斤甚至上吨重，且体积大，不便于救援人员携带到井下危险环境应用。

现有矿用救援机器人安全可靠性与防爆等级较低(ExibI Mb)，严格来说不适合灾区0区环境下使用(ExiaI Ma)，存在一定的安全隐患和风险。

现有矿用救援机器人如果采用高速合力的本安机器人移动平台，存在负载能力小、动力不足和传动机构机械磨损的问题。

现有矿用救援机器人采用线缆操控的机器人，存在工作覆盖面小，受线缆影响大且通信距离较短，不方便机器人本体移动平台自由行走。

现有矿用救援机器人大都缺乏环境危险趋势智能感知和障碍识别的能力，不能及时给出危险气体爆炸区和一氧化碳中毒区的预警，以及识别危险障碍物/台阶和沟壑以及冒落危险声音/方位。

现有矿用救援机器人行走机构如采用单一的腿式结构，如机器狗，虽然越障能力强，但是通障能力差，不便于穿越井下狭小灾害空间，而且在矿井下容易陷入煤泥或卡入井下轨道和石缝等间隙而无法自拔，此外运动效率与能耗比也低，综合性能不占优势。

现有矿用救援机器人行走机构如采用单一的轮式结构，运动效率与能耗比虽然比单一的腿式结构得到了提升，但是越障能力较弱，翻越台阶容易打滑。

现有矿用救援机器人大多为固化安装的多参数检测仪，不便于灵活取出和日常周期校准维护，另外未采用泵吸式多参数检测仪，导致不能准确检测外界环境参数的变化。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决现有矿用探测机器人所存在的上述问题，提供一种便携式煤矿井下救援本安探测机器人。

为达到上述目的，本发明提供一种便携式煤矿井下救援本安探测机器人，包括机器人本体、与机器人本体固定连接的移动平台以及设置在机器人本体内的控制和环境感知探测系统；

机器人本体上安装有实现其远程的井巷环境音视频管控与驱动核心装置和驱动移动平台移动的辅助控制系统，其中井巷环境音视频管控与驱动核心装置包括主板、LCD显示单元、红外光照明、双目图像传感器、前后置拾音器/扬声器、工业以太网口、WIFI通信模块、TTL串口、本安电源电路、扩展存储、指示灯、设备驱动；机器人本体上还安装有机器人本体电源实时监测预警装置，其包括电源数据采集和安全保护电路板、数据处理与智能判断预警/通信/开关电路板、白光LED特种照明灯；电源数据采集和安全保护电路板能够实现限流保护、过放保护以及过充保护，数据处理与智能判断预警/通信/开关电路板能够保证机器人移动平台供电等工作状态远程可视且能及时预警；

移动平台包括底盘系统和密封安装在底盘系统上的底盘盖板，底盘系统内依次固定设置有左侧隔离板、中部隔离板和右侧隔离板，通过左侧隔离板、中部隔离板和右侧隔离板将底盘系统分隔为两侧的隔离舱和中部的工作舱，左侧隔离板和右侧隔离板上均转动安装有四根固定安装有驱动轮的转轴，驱动轮呈中空的半月弧形状，驱动轮的轮毂能镂空，轮毂外套装硅胶轮胎，每侧驱动轮均轮按照最大径方向交替相反的方式装配，即相邻驱动轮之间相位差为180°，相邻转轴联动合力且通过四个电机驱动；

控制和环境感知探测系统密封安装在机器人本体内且采用了物联网泵吸式多参数检测和无线mesh自组网通信技术，用于感知环境危险状况以及障碍物、沟壑；采用物联网泵吸式多参数检测仪有利于形成负压测定条件，准确检测外界环境参数的变化；无线mesh自组网通信技术能够将多个机器人本体自组联网且通信距离远。

进一步，所述左侧隔离板上转动安装有四根转轴，依次为第一转轴、第二转轴、第三转轴和第四转轴，第一转轴、第二转轴、第三转轴和第四转轴外侧依次固定安装有第一驱动轮、第二驱动轮、第三驱动轮和第四驱动轮，四个驱动轮按照最大径方向交替相反的方式装配，第一转轴、第二转轴、第三转轴和第四转轴内侧依次固定安装有第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮和第四传动轮，第一传动轮和第二传动轮联动，第三传动轮和第四传动轮联动，第二传动轮和第三传动轮联动；中部隔离板上依次固定安装有第一电机、第二电机、第三电机和第四电机，第二电机与第二转轴固定连接，第四电机与第四转轴固定连接；

右侧隔离板上转动安装有四根转轴，依次为第五转轴、第六转轴、第七转轴和第八转轴，第五转轴、第六转轴、第七转轴和第八转轴外侧依次固定安装有第五驱动轮、第六驱动轮、第七驱动轮和第八驱动轮，四个驱动轮按照最大径方向交替相反的方式装配，第五转轴、第六转轴、第七转轴和第八转轴内侧依次固定安装有第五传动轮、第六传动轮、第七传动轮和第八传动轮，第五传动轮和第六传动轮联动，第七传动轮和第八传动轮联动，第六传动轮和第七传动轮联动；中部隔离板上依次固定安装有第一电机、第二电机、第三电机和第四电机，第一电机与第五转轴固定连接，第三电机与第七转轴固定连接，第一驱动轮、第二驱动轮、第三驱动轮和第四驱动轮与其对应的第五驱动轮、第六驱动轮、第七驱动轮和第八驱动轮按照最大径方向相反的方式装配。

进一步，隔离舱中装配有微型排水泵，防止转轴处渗水进入工作舱。

进一步，所述移动平台上设置有气体采样处理装置，气体采样处理装置包括用于放置控制和环境感知探测系统的密封防水壳体和密封盖在密封防水壳体上的上翻盖，密封防水壳体上设置有便于气体排出的排气阀和便于气体导入的煤层过滤装置。

进一步，驱动轮形状相同且中空部分呈桃心状。

进一步，井巷环境音视频管控与驱动核心装置的LCD显示单元为触摸显示屏，显示屏上密封安装有保护盖。

进一步，底盘盖板设置在左侧隔离板、中部隔离板和右侧隔离板上方，底盘盖板通过带密封圈的螺栓与底盘周侧固定连接。

进一步，双目图像传感器底部安装有高度调节装置和倾角调节装置，高度调节装置和倾角调节装置安装在机器人本体上。

进一步，机器人本体外壳采用防爆ABS工程塑料，驱动轮采用防爆尼龙，有利于减轻机器人自重。

本发明的有益效果在于：

1、本发明所公开的便携式煤矿井下救援本安探测机器人，针对我国煤矿安全事故频发的现状和救援探测技术水平落后的突出矛盾，研制出便携式煤矿井下本安探测机器人，采用完全本安化设计，适用于煤矿井下爆炸性气体环境，主要应用于煤矿具有潜在危险区域或人员无法进入，机器人能够进入的区域进行环境探测，包括图像、气体参数、环境温度以及声音，并将这些信息实时传输到远方的遥控终端和地面指挥中心，给决策者提供决策依据，可以有效的防止救援队员执行任务过程中意外伤害。该机器人装置近距离采用矿用本安无线MESH宽带通信技术。

2、本发明所公开的便携式煤矿井下救援本安探测机器人，(1)通过模块化与标准化研究，提高功能负载电子设计的集成度，实现其轻量化和小型化难题，突破现有救援机器人隔爆移动平台笨重、体积大和安全防爆等级低，本安移动平台负重能力不足及高速合力机械磨损的难题。(2)采用人工遥控绕障和机器人自身智能传感避障相结合等行走运动控制算法；利用煤矿井下现场多种设施，采用复合行走机构模式实现越障，突破救援机器人运动控制、行走避障和越障难题。(3)本机器人采用无线mesh自组网通信技术，突破现有井下救援探测多参数物联网、线缆遥控通信现场环境易牵绊等弊端，通信距离较长；本机器人采用危险环境感知和障碍识别算法，能够给出危险气体爆炸区和一氧化碳中毒区的预警和识别危险障碍物/台阶和沟壑以及冒落危险声音/方位，避免机器人自身陷入困境，突破现有机器人环境危险感知识别的空白。(4)本机器人本体采用泵吸式多参数检测仪，便于灵活取出和日常周期校准维护，能够准确检测外界环境参数的变化。(5)本机器人本体外壳采用防爆ABS工程塑料，驱动轮采用防爆尼龙，有利于减轻机器人自重。

3、本发明所公开的便携式煤矿井下救援本安探测机器人，同一侧的四个驱动轮在两个电机的驱动下进行攀爬，在翻越障碍物时，同侧的四个驱动轮两两交替攀爬，攀爬效率高且平稳性好，能适应各种复杂路况环境，能爬楼梯、铁轨不会卡死，能够穿越井下狭小空间，不会陷入井下煤泥中。LCD显示单元为触摸显示屏，显示屏上保护盖可以绕转轴转动打开和关闭，转轴处设计为弹性结构方便保护盖的安装与更换，关闭处设计有磁性结构，使保护盖在探测机器人运动过程中保持平稳，安装显示屏处设计有防积水结构，防护等级达IP65。控制和环境感知探测系统外设置有密封防水壳体和密封盖在密封防水壳体上的上翻盖，使得控制和环境感知探测系统防护等级达IP65，满足国家要求。此外移动平台底盘系统上的底盘盖板和隔离舱的配合起到保护工作舱中电机的作用，提高整个机器人的使用寿命。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明便携式煤矿井下救援本安探测机器人的结构示意图；

图2为本发明便携式煤矿井下救援本安探测机器人中底盘系统的俯视图；

图3为本发明便携式煤矿井下救援本安探测机器人中井巷环境音视频管控与驱动核心装置的结构框图；

图4为本发明便携式煤矿井下救援本安探测机器人中泵吸式多参数检测仪信号连接示意图。

附图标记：机器人本体1、移动平台2、第一驱动轮21、第二驱动轮22、第三驱动轮23、第四驱动轮24、第五驱动轮25、第六驱动轮26、第七驱动轮27、第八驱动轮28、上翻盖3、双目图像传感器4、过滤装置5、散热片6、显示屏7、排气阀8、隔离舱9、工作舱10。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如图1～4所示的便携式煤矿井下救援本安探测机器人，包括机器人本体1、与机器人本体1固定连接的移动平台2以及设置在机器人本体1内的控制和环境感知探测系统；

机器人本体1上安装有实现其远程的井巷环境音视频管控与驱动核心装置和驱动移动平台2移动的辅助控制系统，其中井巷环境音视频管控与驱动核心装置包括主板、LCD显示单元、红外光照明、双目图像传感器4、前后置拾音器/扬声器、工业以太网口、WIFI通信模块、TTL串口、本安电源电路、扩展存储、指示灯、设备驱动；机器人本体1上还安装有机器人本体1电源实时监测预警装置，其包括电源数据采集和安全保护电路板、数据处理与智能判断预警/通信/开关电路板、白光LED特种照明灯；电源数据采集和安全保护电路板能够实现限流保护、过放保护以及过充保护，数据处理与智能判断预警/通信/开关电路板能够保证机器人移动平台2供电等工作状态远程可视且能及时预警；井巷环境音视频管控与驱动核心装置的LCD显示单元为触摸显示屏7，显示屏7上密封安装有保护盖。保护盖可以绕转轴转动打开和关闭，转轴处设计为弹性结构方便保护盖的安装与更换，关闭处设计有磁性结构，使保护盖在探测机器人运动过程中保持平稳，安装显示屏7处设计有防积水结构，防护等级达IP65。双目图像传感器4底部安装有高度调节装置和倾角调节装置，高度调节装置和倾角调节装置安装在机器人本体1上。

移动平台2包括底盘系统和密封安装在底盘系统上的底盘盖板，底盘盖板设置在左侧隔离板、中部隔离板和右侧隔离板上方，底盘盖板通过带密封圈的螺栓与底盘周侧固定连接。底盘系统内依次固定设置有左侧隔离板、中部隔离板和右侧隔离板，通过左侧隔离板、中部隔离板和右侧隔离板将底盘系统分隔为两侧的隔离舱9和中部的工作舱10，隔离舱9中装配有微型排水泵，防止转轴处渗水进入工作舱10。左侧隔离板和右侧隔离板上均转动安装有四根固定安装有驱动轮的转轴，驱动轮呈中空的半月弧形状，驱动轮的轮毂能镂空，驱动轮形状相同且中空部分呈桃心状。轮毂外套装硅胶轮胎，每侧驱动轮均轮按照最大径方向交替相反的方式装配，即相邻驱动轮之间相位差为180°，相邻转轴联动合力且通过四个电机驱动；

具体为：左侧隔离板上转动安装有四根转轴，依次为第一转轴、第二转轴、第三转轴和第四转轴，第一转轴、第二转轴、第三转轴和第四转轴外侧依次固定安装有第一驱动轮21、第二驱动轮22、第三驱动轮23和第四驱动轮24，四个驱动轮按照最大径方向交替相反的方式装配，第一转轴、第二转轴、第三转轴和第四转轴内侧依次固定安装有第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮和第四传动轮，第一传动轮和第二传动轮联动，第三传动轮和第四传动轮联动，第二传动轮和第三传动轮联动；中部隔离板上依次固定安装有第一电机、第二电机、第三电机和第四电机，第二电机与第二转轴固定连接，第四电机与第四转轴固定连接；

右侧隔离板上转动安装有四根转轴，依次为第五转轴、第六转轴、第七转轴和第八转轴，第五转轴、第六转轴、第七转轴和第八转轴外侧依次固定安装有第五驱动轮25、第六驱动轮26、第七驱动轮27和第八驱动轮28，四个驱动轮按照最大径方向交替相反的方式装配，第五转轴、第六转轴、第七转轴和第八转轴内侧依次固定安装有第五传动轮、第六传动轮、第七传动轮和第八传动轮，第五传动轮和第六传动轮联动，第七传动轮和第八传动轮联动，第六传动轮和第七传动轮联动；中部隔离板上依次固定安装有第一电机、第二电机、第三电机和第四电机，第一电机与第五转轴固定连接，第三电机与第七转轴固定连接，第一驱动轮21、第二驱动轮22、第三驱动轮23和第四驱动轮24与其对应的第五驱动轮25、第六驱动轮26、第七驱动轮27和第八驱动轮28按照最大径方向相反的方式装配。

移动平台2上设置有气体采样处理装置，气体采样处理装置包括用于放置控制和环境感知探测系统的密封防水壳体和密封盖在密封防水壳体上的上翻盖3，上翻盖3为卡扣式，方便取拿和保护作用。密封防水壳体上设置有便于气体排出的排气阀8和便于气体导入的煤层过滤装置5，过滤装置5为导气管和封堵在导气管自由端的蜂窝状堵头。控制和环境感知探测系统密封安装在机器人本体1内且采用了物联网泵吸式多参数检测和无线mesh自组网通信技术，用于感知环境危险状况以及障碍物、沟壑；采用物联网泵吸式多参数检测仪有利于形成负压测定条件，准确检测外界环境参数的变化；无线mesh自组网通信技术能够将多个机器人本体1自组联网且通信距离远。泵吸式多参数检测仪能够对一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲烷、温度等煤矿下的环境参数进行检测，检测信息通过无线mesh自组网通信技术传输到地面指挥平台，无线通信距离(单跳)不小于350m，帮助更换的指挥救援作业。密封防水壳体外侧设置有便于散热的散热片6。

机器人本体1采用防爆ABS工程塑料，驱动轮采用防爆尼龙，有利于减轻机器人自重。

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。