CN101961532A - 伴随灾情机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伴随灾情机器人，包括总控平台和设置在其上的升降机械臂、及输送驱动电力的电力线，总控平台上设置有车载综合控制计算机和定位导航设备，机械臂上设置有环境气体参数检测传感器、风速风向参数检测传感器、语音通讯设备、温度传感器、导航和监控摄像机，电力线在输送驱动电力的同时进行遥控信号和检测数据的传输，遥控端通过电力线向车载综合控制计算机控制传输遥控信号，以控制机器人上设置的各设备完成指令工作。本发明伴随灾情机器人可由人工远距离遥控行驶，作为抢险人员的开路先锋，先进入矿井，通过其载有多种传感器，到井下收集瓦斯、氧气、温度、风速、煤尘、水位、塌方等信息，传到地面，为抢险方案决策提供依据。

Description

伴随灾情机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其是用于地质条件复杂条件下的瓦斯爆炸、突水、顶板垮塌等事故将要发生时，进行灾害各项指标预报的机器人。

背景技术

在国外，救灾机器人发展迅速，技术日益成熟，并进入实用化阶段，日本、美国、英国等已在灾难现场中使用，救灾机器人能迅速找到幸存者的位置。日本大阪大学研制出蛇形机器人，能在高低不平的模拟废墟上前进，其顶端带有一部小型监视器，身体部位安装传感器，可以在地震后的废墟里寻找幸存者。美国iRobot公司研制PackBot系列机器人，能适应崎岖不平的地形环境和爬楼梯，主要执行探测任务、寻找幸存者、勘探化学品泄漏等任务，InuKtun公司研制了机器人MicroVGTV，机身可变位，采用电缆控制，含有直视的彩色摄像头，并带有微型话筒和扬声器，可用于与灾难现场的幸存者通话，适用于在小的孔洞和空间中执行任务。除了中小型救灾机器人，微型救灾机器人也正在研究中，美国加州大学伯克利分校研制出世界第一个苍蝇机器人，通过装在它脑袋上的微型传感器与微型摄像机，可以到倒塌的建筑物废墟底下或其他灾难场所寻找幸存者；在国内，探测救灾机器人的研究刚刚起步，现在已经有中国矿业大学和唐山开诚电控设备集团等多家科研机构和企业，已经开展了矿山救灾机器人的研制工作。

目前全国共有高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井约9000多处，占矿井总数的30％左右，每年因突出事故死亡人数近千人。突出矿井产量约占世界突出矿井总产量的24％，累计突出次数约占世界总突出次数的40％以上。

由于煤层地质条件差，各种类型构造、陷落住发育，在原有地应力、采动应力的影响下，在开采过程中，巷道和采面发生瓦斯爆炸、涌水、顶板跨落等事故，由此造成重1大的人员伤亡事故。之所以发生这些灾难，是因为在含煤层的沉积岩中，一般岩体都经历过自中国大陆板块形成以来的几次大的构造运动，构造复杂、不均匀，围岩很破碎强度低，松动图扩散速度大，顶板发生跨落的情况时有发生。根据勘察手段无法每个巷道完全清楚的查明，没有两条巷道的地质与生产条件完全相同，同一条巷道不同地段的地质条件也不相同，生产条件随时面临的危险，特别是在新构造影响强烈的地区，地应力很大，煤与瓦斯突出比较严重；在构造发育矿区，奥灰水对煤矿的生产造成了很大隐患。

因此，要实时对巷道和采面进行检测，随时向地面报告地下不同部位瓦斯的浓度、通风情况，顶板支护变形情况，断层、小构造扩展情况，是相当重要的，如果在灾难发生之前，及时发出警报，停止生产，人员撤出，采取相应的措施，避免灾难的发生。所以在灾难发生之前进行预报尤为重要，做到防患于未然。

发明内容

本发明的目的在于提供一种伴随灾情机器人，包括总控平台和设置在其上的升降机械臂、及输送驱动电力的电力线，总控平台上设置有车载综合控制计算机和定位导航设备，机械臂上设置有环境气体参数检测传感器、风速风向参数检测传感器、语音通讯设备、温度传感器、导航和监控摄像机，电力线在输送驱动电力的同时进行遥控信号和检测数据的传输，遥控端通过电力线向车载综合控制计算机控制传输遥控信号，以控制机器人上设置的各设备完成指令工作。

进一步，所述机器人上还设置有照明设备和电子调速器。

进一步，所述导航和监控摄像机包括若干方向上的监控摄像头和多路视频切换器，该多路视频切换器随时控制所述导航和监控摄像机选择前左视、前右视及后视图像。

进一步，所述总控平台上设置有电力线缆收放装置，其上设置有自载电缆和拉力传感器，该拉力传感器用于测量所述电力线拉力，以防止电力线被拉断的。

进一步，所述电力线缆收放装置上设置有电力线波动机构，以防止缆线被卡。

进一步，所述电力线上设置有标尺标识，为所述总控平台运行距离综合计算提供辅助信息。

进一步，所述车载综合控制计算机采用一片基于ARM9架构的AT91RM9200微处理器及外围元器件实现。

进一步，所述总控平台为遥控履带式平台。

进一步，所述机器人上设置的各种设备均采用密封防水设计和模块化设计，所述机器人采用整体防爆设计。

本发明伴随灾情机器人可由人工远距离遥控行驶，将传统需要由人员冒较大危险完成的任务交由机器人来完成。在矿难发生后，作为抢险人员的开路先锋，机器人首先进入矿井，通过其载有多种传感器，到井下收集瓦斯、氧气、温度、风速、煤尘、水位、塌方等信息，传到地面，为抢险方案决策提供重要依据。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为总控平台克服垂直障碍情况示意图；

图3为机器人便携式控制台结构图；

图4为机器人车载部分电子设备连接结构图；

图5为双功率流转向机构原理简图示意图。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明伴随灾情机器人，包括总控平台1和设置在其上的升降机械臂2、及输送驱动电力的电力线3、照明设备，总控平台1上设置有车载综合控制计算机7和定位导航设备，机械臂1上设置有环境气体参数检测传感器4、风速风向参数检测传感器5、语音通讯设备、温度传感器、导航和监控摄像机6、视音频服务器8和扩频数传电台16。

总控平台1为遥控履带式平台，其具有成本低、机动性能好、通过性好、越障性好的优点，最高可翻越20cm的连续台阶。由于采用先进的结构材料使履带式平台的结构重量大大减轻，空载27kg的自重可方便运输与携带，这在同类小型机器人平台中具有很大的先进性。本实施例中，总控平台1尺寸为长930*宽470*高254(mm)，无负载时设计重量27公斤。驱动系统采用两台额定功率为250瓦，额定转速3000rpm的直流电机，瞬间最大速度为9km/h，巡航速度7km/s。在无负载情况下，可爬45度坡。

升降机械臂2在车载综合控制计算机的指令控制下，按照采样的要求，升降机械臂2抬升到指定的高度，使相应传感器获取探测参数。

车载综合控制计算机7采用嵌入式结构，其嵌入安装在总控平台1上，其由一片基于ARM9架构的AT91RM9200微处理器及外围元器件实现。车载综合控制计算机7是整个控制系统车载部分的核心，除接收数传数据链路从遥控端传输过来的遥控信息并提取正确的控制信号外，还完成对传感器及导航设备采集的平台行驶过程中的位置信息、速度、航向、载荷设备状态等数据的接收，根据路线规划任务进行处理，并向执行模块发送指令执行相应任务。另外，车载综合控制计算机7还控制多路图像的切换，使摄像头能随时选择前左视、前右视及后视图像。

导航和监控摄像机6包括前左视摄像头11、前右视摄像头12、后视摄像头13和多路视频切换器10，多路视频切换器10随时控制各摄像头选择前左视、前右视及后视图像。

语音通讯设备包括高灵敏话筒14和大功率喇叭15，高灵敏话筒14可扑捉到矿井、巷道中的微弱声音，以及时发现灾难时被埋人员，大功率喇叭15可向矿井、巷道中传入井外的指挥信息等，利于矿难时对被困人员的救助，减小损失。

视音频服务器8接收导航和监控摄像机6的视频信息和语音通讯设备的语音信息，并将其转化压缩后输送到地面。

电力线3在输送驱动电力的同时进行遥控信号和检测数据的传输，遥控端17通过电力线3向车载综合控制计算机控制传输遥控信号，以控制机器人上设置的各设备完成指令工作。采用电力线3进行数据传输，使机器人平台在输送电力的同时进行数据传输，一举两得，将车载电池替换下来的重量用于线缆，搭载，解决了通信距离的问题。通过电力线3进行图像语音传输通信，在为平台提供电力的同时，承担通信任务，满足高带宽的要求。

本发明伴随灾情机器人在地面上还配备有小型移动计算机18，其可监控总控平台1的位置、行驶方向、行驶轨迹及现场图像，便于超视距控制总控平台1。机器人上电子调速器9可有效的调配总控平台1的运行状态，使其准确地到达目标区域。

总控平台1上设置有电力线缆收放装置，其上设置有自载电缆和拉力传感器，该拉力传感器用于测量电力线3拉力，以防止电力线3被拉断的。自载电缆使得总控平台1能够运行到更深处的区域，提高其机动性。电力线缆收放装置上设置有电力线波动机构，在施放的过程中，电力线波动机构能波动电力线，防止缆线被卡。同时，电力线1上设置有标尺标识，为总控平台1运行距离综合计算提供辅助信息。

本发明伴随灾情机器人设置的各种设备均采用密封防水设计和模块化设计，模块化的结构可方便地将机器人平台拆卸装箱，因而使矿用救灾探测机器人平台的生产、装配、调试、运输十分方便，且对操作人员技术水平要求不高，容易掌握，使用成本大大降低。并且其采用密封防水设计和整体防爆设计，提高了矿用救灾探测机器人平台的机动能力，具备较强的涉水。

如图5所示，本发明伴随灾情机器人的总控平台1中驱动机构的结构及运动学原理如下：

总控平台1中的驱动机构包括左转向电机19、右转向电机20、PWM控制器21、大太阳轮22、星齿轮23、行星架24、左汇流行星排25、右汇流行星排26、驱动电机27、小太阳轮28、左侧传动29和右侧传动30、零轴31和换向器32。

a.直线运动

直线运动时，左转向电机19、右转向电机20制动从而使汇流行星排的大太阳轮22制动。此时驱动电机27的动力经减速器、小太阳轮28输入两侧的左汇流行星排25、右汇流行星排26，再经行星齿轮23带动行星架24输出至左侧传动29和右侧传动30。直线行驶时，汇流行星排相当于一个减速器。只要转向电机制动可靠，两侧的驱动轮转速就能保持一致。

b.转向运动

转向运动时，有两种工作情况(为便于叙述，规定机器人向前运动时的小太阳轮28的旋转方向为正向，大太阳轮22的方向和小太阳轮28方向相同时也为正，反之为负向，大太阳轮22完全制动时为零；

(1)规定转向半径Rg＞0的转向

在这种情况下，驱动电机27与左转向电机19、右转向电机20都参与工作。转向电机通过差速齿轮的作用使两侧大太阳轮22的角速度大小相等、方向相反，内侧大太阳轮22正转，而外侧大太阳轮反转。驱动电机27经过减速器传到两侧汇流行星排的小太阳轮28上，使两侧小太阳轮28正转。由于行星架24输出的转速是相对于大太阳轮22的转速，故内侧输出的转速是行星架24的转速与大太阳轮转速22之差(速度降低)；外侧则是行星架24转速与大太阳轮22转速之和(速度增加)。机器人向低速侧转向。此时两侧行星轮三元件(大太阳轮、小太阳轮、行星架)的运动关系如下：

外侧

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xt}2}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{qf}}}{i_b}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dt}2}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zf}}}{i_z}---\left(2\right)$

式中ω_xt2——外侧小太阳轮角速度；

ω_qf——驱动电机角速度；

i_b——驱动分路变速比；

ω_dt2——外侧大太阳轮角速度；

ω_zf——转向电机角速度；

i_z——转向分路变速比；

由行星排运动学方程式[9]可知，外侧行星架的角速度ω_j2和ω_xt2、ω_dt2如下关系：

${\mathrm{\ω}}_{j2}=\frac{({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dt}2}+{\mathrm{k\ω}}_{\mathrm{xt}2})}{(1+k)}---\left(3\right)$

将上式中ω_xt2、ω_dt2代入该式得：

${\mathrm{\ω}}_{j2}=\frac{(\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zf}}}{i_z}+k\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{qf}}}{i_b})}{(1+k)}---\left(4\right)$

其中k为行星排特性参数，即行星架固定时小太阳轮和大太阳轮之间的传动比绝对值，在此

$k=\frac{r_{\mathrm{xt}}{r}_2}{r_1{r}_3}---\left(5\right)$

式中r_x为齿轮的节圆半径。

内侧

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xt}1}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{qf}}}{i_b}---\left(6\right)$

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dt}1}=-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zf}}}{i_z}---\left(7\right)$

${\mathrm{\ω}}_{j1}=\frac{(k\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{qf}}}{i_b}-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zf}}}{i_z})}{(1+k)}---\left(8\right)$

比较ω_j2和ω_j1两式可知ω_j2＞ω_j1，所以机器人向内侧转向。

显然，只要改变转向电机的转速或方向，就能实现机器人在各种规定半径R_g下的转向运动，即无级转向。在此，汇流行星排所起的作用是将转向电机的动力与驱动电机的动力汇合在一起，同时还通过变速器中的传动机构平衡左右两侧的功率流，即将转向内侧驱动轮上的部分功率传输到外侧驱动轮，提高了功率的利用率。另外，转向电机的加入，增大了转向时的总体驱动功率，这与履带车辆在转向时需更大的输入功率相吻合。由于直线行驶时大太阳轮的转速为零，故这套装置属于“零差速式双流转向机构”。

(2)规定转向半径R_g＝0的转向

当驱动电机不输出功率，而转向电机工作(转向功率全部由转向电机提供)时，两侧太阳轮等速反转，两条履带作相向运动。特殊情况下(两条履带的地面附着情况完全相同，转向阻力中心位于车体中间时)，履带的这种运动能使机器人实现相对转向半径为零的转向。也称为不稳定中心转向或称原位转向。而在一般情况下，此时的转向中心位于车体平面之内。可以求得其转向半径的一般方程式：

$R_g=\frac{{\mathrm{Bk\ω}}_{\mathrm{xt}}}{{2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dt}}}---\left(9\right)$

式中B为两条履带的中心距。

本发明伴随灾情机器人的主要技术指标：

1.两端数字设备组成一个系统。

2.系统在堤电力线线路上点到点应用。

3.系统容量：1路二线话音，异步数据1路，以太网接口1路。

4.通信距离：在4*0.25铜线轻型电力线上，传输速率为2048kbit/s时通讯距离不小于2km。

5.系统采用对称高比特数字用户线(SHDSL)技术，使用TC-PAM线路编码、自适应均衡和回波抵消，在电力线上双向对称传输2048kbit/s下速率可变的数字信号，对话音、数据、IP业务进行复用和传输。

6.电话信道采用时分复用(TDM)；异步数据与电话信令及设备监控数据、或以太网数据与电话信令及设备监控数据，采用基于分组的统计复用(STM)。被关闭业务占用的带宽，动态分配给其他业务使用。

7.线路传输特性

1)传输速率：256kbit/s～2048kbit/s

2)比特误码率：BER≤1×10^-7(6dB噪声边际)

3)误码率：ESR≤2.4×10^-3，

4)严重误码率：SESR≤1.2×10^-4

8.语音业务

1)二线接口

a.话音编码方式：64kbit/s PCM编码

b.话路有效带宽：300HZ～3400Hz

c.接口电平：输入：0dBm    输出：-4±1dBm

d.阻抗：600Ω对地平衡

e.远端机至用户接口特性

空闲回路电压：20V～32V

回路电阻：≤1KΩ

振铃信号：电压≥75Vrms  频率：25HZ±3Hz

f.局端机至交换机接口特性

摘机状态直流电阻≤300Ω

收铃状态阻抗≥3KΩ

振铃信号检测：25V～90V

9.RS232数据接口

1)工作方式：异步

2)速率：9.6kbit/s、19.2kbit/s

3)数据位长：7、8比特

4)停止位：1、1.5、2比特位

5)检验：奇偶效验，或无效验位

6)接口线：GDN、TXD、RXD、DSR、DTR

7)接口协议：标准RS232

8)传输控制：透明控制

10.以太网接口

1)接口类型：Ethernet(IEEE802.3)

2)速率：10/100Mbps自适应

11.线路接口

SHDSL技术的功能描述、SHDSL核心功能、帧结构、传输方法、启动程序、操作和维护、收发器的电气特性、单个SHDSL的收发器性能和公共电路符合ITU-TG.991.2——2001中的规定要求。

12.供电：直流+24V  功耗：≤18W

13.电磁兼容性要求

符合GJB151A、GJB152A电磁兼容性规定。

14.环境适应性

1)工作温度：-40℃～+55℃

2)储存温度：-55℃～+70℃

3)相对湿度：≤98％

4)湿热：设备能在温度不低于40度，相对湿度不低于95％的高温高相对湿度的环境下工作。

5)振动

6)冲击

15.设备体积，重量

用在标准的19“机架上，1U高度可安装两台设备；设备重量≤3Kg。

本发明中，操控者通过车载视频设备所传输回来的影象以及地理信息与定位系统，操控探测机器人进入作业区域，通过车载综合控制计算机控制系统及功能设备完成探测的各种动作。

当需要进行环境信息采集时，操控者将向机器人发出停车指令，启动环境信息采样的指令，车载综合控制计算机7控制升降机械臂2升起，同时传感器工作、导航和监控摄像机6工作，监视升降机械臂2的提升过程，以避免升降机械臂2与周围环境发生碰撞，待提升到指定的高度后，启动升降机械臂2上的相应传感器获取环境参数，通过传感器数据传输总线传输到综合控制计算机并发回到地面供救灾人员分析决策，完成采样后，关闭升降机械臂上的所有设备，升降机械臂撤收回到初始状态。

Claims (9)

1.伴随灾情机器人，其特征在于，该机器人包括总控平台和设置在其上的升降机械臂、及输送驱动电力的电力线，总控平台上设置有车载综合控制计算机和定位导航设备，机械臂上设置有环境气体参数检测传感器、风速风向参数检测传感器、语音通讯设备、温度传感器、导航和监控摄像机，电力线在输送驱动电力的同时进行遥控信号和检测数据的传输，遥控端通过电力线向车载综合控制计算机控制传输遥控信号，以控制机器人上设置的各设备完成指令工作。

2.如权利要求1所述的伴随灾情机器人，其特征在于，所述机器人上还设置有照明设备和电子调速器。

3.如权利要求1所述的伴随灾情机器人，其特征在于，所述导航和监控摄像机包括若干方向上的监控摄像头和多路视频切换器，该多路视频切换器随时控制所述导航和监控摄像机选择前左视、前右视及后视图像。

4.如权利要求1所述的伴随灾情机器人，其特征在于，所述总控平台上设置有电力线缆收放装置，其上设置有自载电缆和拉力传感器，该拉力传感器用于测量所述电力线拉力，以防止电力线被拉断的。

5.如权利要求4所述的伴随灾情机器人，其特征在于，所述电力线缆收放装置上设置有电力线波动机构，以防止缆线被卡。

6.如权利要求5所述的伴随灾情机器人，其特征在于，所述电力线上设置有标尺标识，为所述总控平台运行距离综合计算提供辅助信息。

7.如权利要求1所述的伴随灾情机器人，其特征在于，所述车载综合控制计算机采用一片基于ARM9架构的AT91RM9200微处理器及外围元器件实现。

8.如权利要求1所述的伴随灾情机器人，其特征在于，所述总控平台为遥控履带式平台。

9.如权利要求1所述的伴随灾情机器人，其特征在于，所述机器人上设置的各种设备均采用密封防水设计和模块化设计，所述机器人采用整体防爆设计。

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