CN201264655Y - 煤矿救援探测机器人 - Google Patents

Abstract

一种煤矿救援探测机器人，包括移动机构、动力系统、通讯系统和人机界面，其中移动机构为履带－摆腿复合移动机构，包括左驱动履带、右驱动履带和摆腿机构，动力系统包括左驱动电机、右驱动电机和摆腿电机，左驱动电机与左驱动履带相连接，右驱动电机与右驱动履带相连接，摆腿电机与摆腿机构相连接。与现有技术相比，本实用新型通行能力更强。

Description

煤矿救援探测机器人

技术领域

本实用新型涉及一种机器人，特别涉及一种煤矿救援探测机器人。

背景技术

目前全国煤矿各种矿难频繁发生，导致了重大人员伤亡和财产损失。在煤矿开采过程中，出现“火点”的巷道会产生大量的一氧化碳等有毒有害气体，必须将“火点”完全熄灭、气体完全排空、温度降至常温后方可打开封闭巷道继续开采。然而，“火点”何时完全熄灭、开采环境是否安全，很难准确知道。若派人员进入现场检测封闭巷道情况则是非常危险的，在这类检测作业中曾多次出现安检人员死亡的重大事故。煤炭开采企业迫切需要有一种替代人去现场检测的采掘特种安全自动化装备。

另外，目前煤矿瓦斯爆炸、透水、冒顶等事故频频发生，事故发生后，由于矿难原因和矿难现场情况不明，救援人员在抢险中遇难的情况时有发生，所以，预警煤矿事故发生和深入矿井探测矿难位置和探知事故现场不明情况，实时给救援指挥中心传送井下关键信息，在最短时间内、最大限度的减少人员和财产损失已成为当务之急。

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，迫切需要煤矿采掘安全配套救援探测机器人这类先进采掘特种安全自动化设备。从国内外文献、专利等数据库的检索结果以及各种传媒的报道中，还没有发现真正能用于煤矿救援探测的机器人产品。究其原因主要是国外煤矿企业的生产条件较好，与之相关的机器人研究主要集中在煤矿作业机器人及输送等方面。在我国，虽然在反恐防爆、消防救援等特种机器人研究领域取得了巨大成绩，但由于煤矿井下环境的特殊性，机器人的工作环境通常很恶劣，需要同时考虑防尘、防水、防爆、放火、防压等，另外井下路面崎岖不平，障碍物较多，通行空间非常有限且不规则，甚至呈现出非结构化的特点，这就对救援探测机器人的驱动系统、通行能力和结构设计提出了新的要求。

发明内容

本实用新型克服了现有技术中的不足，提供了一种通行能力强、越障性能好的煤矿救援探测机器人。

为了解决上述问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种煤矿救援探测机器人，包括移动机构、动力系统、通讯系统和人机界面，其中移动机构为履带-摆腿复合移动机构，包括左驱动履带、右驱动履带和摆腿机构，动力系统包括左驱动电机、右驱动电机和摆腿电机，左驱动电机与左驱动履带相连接，右驱动电机与右驱动履带相连接，摆腿电机与摆腿机构相连接，双履带提供运动动力，差速实现转弯。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果采用履带驱动方式，对复杂地面的适应能力更强，越障性能也更好；所设摆腿机构，完全展开时，增加平台长度，可以跨越更宽的坑/沟；向上转动摆腿调整到适当角度，可以翻越过高于平台自身高度的石块、台阶等障碍；平台前部陷入坑内后，向下转动摆腿，支撑地面，可以将平台前部抬起，从坑中爬出；平台下台阶时，向下转动摆腿，支撑地面，降低平台对地面的冲击。所以通行能力更强。

附图说明

图1为本实用新型煤矿救援探测机器人系统机构示意图

具体实施方式

请参见图1所示，本实用新型煤矿救援探测机器人，包括移动机构、动力系统、通讯系统和人机界面。

对于移动机构，由于井下空间狭窄，机器人机动范围小，对于前方障碍，机器人只能以越障为主，另外废弃巷道及矿难后巷道复杂地面条件复杂，所以机器人采用履带-摆腿复合运动机构。双履带提供平台的运动动力，差速实现平台转弯。相对于轮式驱动，履带驱动方式对复杂地面的适应能力更强，越障性能也更好；为提高平台在巷道内的越障及通过能力，在履带驱动的基础上，在平台前部安装越障摆腿，其主要的作用：

(1)完全展开时，增加平台长度，可以跨越更宽的坑/沟。

(2)向上转动摆腿调整到适当角度，可以翻越过高于平台自身高度的石块、台阶等障碍。

(3)平台前部陷入坑内后，向下转动摆腿，支撑地面，可以将平台前部抬起，从坑中爬出。

(4)平台下台阶时，向下转动摆腿，支撑地面，降低平台对地面的冲击。

动力系统包括：主控计算机、驱动电机、通讯设备、电源等。为达到境下应用的要求，机器人的控制动力系统采用整体隔爆方式。机器人的控制及动力系统舱内部为铝合金主框架结构，外层为3毫米钢板外壳。

基于低成本，大负载的要求，机器人拟用两台200w直流力矩电机，分别驱动两侧履带，一台100w直流减速电机驱动摆腿。

机器人自带锂离子充电电池：24v，40/Ah(960瓦小时)，重量约10公斤，支持平台连续行走2小时。

对于通讯系统，由于煤矿巷道对无线电波的回波效应，在井下实施长距离无线通讯目前仍然是不可行的。机器人采用长距离光纤通讯为主，近距离无线通讯辅助的遥控通讯方式，达到易于操作的目的。具体措施包括：

(1)使用微型光缆，减轻光缆重量：光缆直径3mm，重量为7Kg/KM.最大张力350N(长期)；700N(短期)；最小弯曲半径：40mm。

(2)机器人自身携带光缆收放装置，通过光缆张力控制实现其自动收放。在机器人出发时，光缆完全绕在机器人收放器上，机器人前进时释放光缆，后退时回收光缆。机器人运动过程中光缆相对地面无拖动，不会出现光缆被卡住的情况，保证在复杂环境下的机器人可靠运动。当搜救队员准备跟随机器人前进时，需要使用携带的手动收放装置回收光缆。机器人与搜救队会员会合后，通过两套装置的配合，将光缆重新绕到机器人的光缆盘上，为机器人的继续深入作好准备。

(3)近距离无线遥控方式：当机器人与搜救队员距离较近且在直视范围内时，例如机器人与搜救队员一起沿航道行进过程中，可以使用无线遥控方式，可选的方式包括：局域网、蓝牙等。

(4)中继通讯方案。机器人自带光缆长度为2公里，如果需要更大的遥控距离，可以考虑两种方案：

a)光缆中继方式：多台机器人以纵队列依次用光缆连接编队移动，位于队列末尾的机器人停留在2000米处充当中继点，位于倒数第二位的机器人停留在4000m处并依此类推；

b)无线中继方式：机器人自身携带无线通讯中继节点，根据情况自主沿途布放的多中继点无线通讯实现方案。

人机界面包括：显示器、操作面板、手持式遥控盒、电池、通讯接口。显示器为操作者提供遥控信息，包括，搜救机器人返回的视频图像、传感器数据、设备状态反馈及电池剩余电量信息。利用机器人不断回传的图像、温度、瓦斯等有害气体浓度、机器人位置和姿态等信息，采用增强现实技术，在终端界面上实时显示机器人所处环境的视频图像、瓦斯等有害气体浓度、温度等信息。

操作面板上，布置布置有微型遥杆、按钮或开关。多自由度摇杆用于对平台运动及摆腿转动进行遥控。按钮和开关完成系统的设置、指令下达。手持式遥控盒与控制台通过电缆连接，可以在不打开控制台界面的情况，完成简单的遥控操作。主要与于在近距离可视范围内以及行走过程中对机器人进行遥控。

摄像机是机器人基本传感器，安装在隔爆仓体内。其拍摄的视频图像通过光纤实时传输，并在操作台显示屏上播放。摄像机为白光型，采用高亮度LED冷光源型本质安全矿灯进行照明。

可选择的其他传感器载荷包括：瓦斯、煤尘、co、co2、风速、风压、温度、生命体征等。这些传感器均可以购买或改造为专用矿用型，安装在隔爆仓外。经改造，各传感器与计算机间采用标准串口通讯，采用同一电源电压标准，实现各种传感器的可更换。

以惯性元件、数字罗盘和嵌入式系统为主体及车载分布式传感器为辅助传感器的定位与导航硬件平台。采用三维里程估计技术，以及基于多源信息融合和滤波处理方法的误差补偿技术，推算机器人在井下的行进位置，参照数字地图和机器人传回的现场图像信息，确定行进中遇到的有限自然路标与推算出的机器人位置之间的偏差，在人工干预的前提下在数字地图上修正机器人航迹，实现机器人精确定位。

在巷道复杂的环境下运动，完全依赖直接遥控将导致机器人的运动效率低下甚至是无法实现；因此，自主环境适应技术对于井下搜救机器人是至关重要的。

采用基于惯导传感器的地形地势参数预测估计技术，以此为基础，实现机器人面向复杂地形的自主构形调整以及自主越障，增强复杂地面的通过能力。

采用驱动器效率参数实时估计技术，对机器人的驱动健康状态实施自主监控，并根据驱动器效率参数实现针对驱动器软性故障(非100％故障)的自主容错控制，提高机器人的可靠性。

当光缆传输出现故障时，机器人依据其记忆的里程计数据结合自主巷道跟踪与避障能力自主返回。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果采用履带驱动方式，对复杂地面的适应能力更强，越障性能也更好；所设摆腿机构，完全展开时，增加平台长度，可以跨越更宽的坑/沟；向上转动摆腿调整到适当角度，可以翻越过高于平台自身高度的石块、台阶等障碍；平台前部陷入坑内后，向下转动摆腿，支撑地面，可以将平台前部抬起，从坑中爬出；平台下台阶时，向下转动摆腿，支撑地面，降低平台对地面的冲击。所以通行能力更强。

Claims (1)

1、一种煤矿救援探测机器人，包括移动机构、动力系统、通讯系统和人机界面，其特征在于：其中移动机构为履带-摆腿复合移动机构，包括左驱动履带、右驱动履带和摆腿机构，动力系统包括左驱动电机、右驱动电机和摆腿电机，左驱动电机与左驱动履带相连接，右驱动电机与右驱动履带相连接，摆腿电机与摆腿机构相连接。

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