CN102787861B - 矿井防爆机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种矿井防爆机器人，包括活动平台，传动平台，隔爆壳体；所述活动平台包括多个移动装置；所述传动平台包括联接并驱动所述多个移动装置的传动装置；所述隔爆壳体联接传动平台；矿井防爆机器人的控制设备设置在所述隔爆壳体中；所述隔爆壳体为水平设置的具有拱形截面、底面为水平面的圆筒形壳体，所述圆筒形壳体两端以金属前后端盖通过焊接和/或螺栓固定联接在所述隔爆壳体的前后端。其防爆性能优越，地面适应性好。

Description

矿井防爆机器人

技术领域

本发明涉及机器人制造技术领域，特别是涉及一种矿井防爆机器人。

背景技术

人们从一开始制作物品时，就有各种方式制作机器人的想法，现实生活中经常见到由能工巧匠们制作的能够模仿人类运动行为的机器。随着现代技术的发展，机器人把过去神话科幻小说中出现的故事变成现实，创造出很多奇迹，产生很好的经济效益和社会效益。机器人从诞生以来，已经走过了四十多年的历程，它综合了机械学、电子、计算机科学、自动控制工程、人工智能、仿生学多个学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当今世界科学技术发展最活跃的领域之一。机器人的研究、制造和应用，正受到许多国家的广泛重视，是一个国家科技水平和经济实力的象征。

近年来，随着机器人学及其应用的发展，机器人的能力不断提高，机器人的应用领域和范围也不断扩展，应用到包括矿井在内的各种危险的环境中，即矿井机器人。

但现有技术中，矿井机器人存在防爆性能差，机械平台不灵活，不能适应各种矿井应用环境等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种矿井防爆机器人，其防爆性能优越，地面适应性好，能够实现在矿井下不同条件、不同环境对机器人的要求，能够充分发挥机器人的作用。

为实现本发明目的而提供的一种矿井防爆机器人，包括活动平台，传动平台，隔爆壳体；

所述活动平台包括多个移动装置；

所述传动平台包括联接并驱动所述多个移动装置的传动装置；

所述隔爆壳体联接传动平台；

矿井防爆机器人的控制设备设置在所述隔爆壳体中；

所述隔爆壳体为水平设置的具有拱形截面、底面为水平面的圆筒形壳体，所述圆筒形壳体两端以金属前后端盖通过焊接和/或螺栓固定联接在所述隔爆壳体的前后端。

较优地，所述隔爆壳体顶部具有一圆形开口；

所述开口处由防爆钢化玻璃镶嵌密封防爆隔离，所述控制设备中的摄像机的摄像头设置正对圆形开口，所述摄像机固定在隔爆壳体的水平底面上；

所述矿井防爆机器人还包括一密封嵌镶在隔爆壳体顶部圆形开口上的圆筒形的透明全向视觉结构；

所述全向视觉结构，包括由防爆钢化玻璃制成的作为密封外壳嵌镶在隔爆壳体上的套筒，以及密封在套筒中的圆锥形全向镜面。

较优地，所述圆筒形壳体的前后端盖通过焊接和/或螺栓固定联接在所述圆筒形壳体的前后端；

所述金属前后端盖或者是平面状金属端盖，或者是冠状金属端盖，或者是圆锥状金属端盖。

较优地，所述隔爆壳体两端还包括联接在圆筒形壳体上的两个端体；

所述端体联接到圆筒形壳体上的一端为拱形面，联接到端盖的另一端为直径小于隔爆壳体圆筒形截面直径的圆形面；所述端体截面为梯形的壳体；

所述圆筒形壳体与端体一体化铸造；所述端体和端盖之间通过焊接和/或螺栓联接。

较优地，在密封联接所述套筒与隔爆壳体的联接处，以及钢化玻璃与隔爆壳体联接处，设置金属或金属包覆的衬垫；

所述金属或金属包覆的衬垫采用符合ISO1210中的可压缩的不燃材料紫铜制成。

较优地，所述活动平台为车轮式或者车轮履带式结构平台，所述移动装置包括六个车轮，两侧各有三个车轮。

较优地，所述六车轮机构，两侧各三个车轮中的中间两个车轮中，添置有橡胶填充物。

较优地，所述传动平台的传动装置包括两主驱动轴，所述两主驱动轴还分别联接并驱动所述六车轮机构两侧的中间两个车轮；

所述两主驱动轴与设置在隔爆壳体的底部平面上的两电机联接。

较优地，所述传动装置，还包括联接在主驱动轴上的两同步带；以及由同步带联接带动的分别设置在两主驱动轴前后的四个联动轴；所述四个联动轴分别联接并驱动两侧前后四个车轮。

较优地，所述同步带传动主驱动轴和联动轴的传动比为1；

所述同步带以玻璃纤维绳为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体制成。

较优地，所述隔爆壳体侧壁上设置有轴座和安装孔；

所述主驱动轴穿过安装孔装配到轴座上后与隔爆壳体联接，所述主驱动轴和所述轴座间设有轴承和轴套；所述主驱动轴一端与电机的电机轴联接，另一端联接同步带轮与同步带啮合；

所述主驱动轴的圆柱面的外壁与轴承盖的孔内壁形成了一对隔爆接合面，所述轴承盖伸入所述轴座的孔内的圆柱面与轴座的内壁形成了一对隔爆接合面；

在所述轴承盖与所述主驱动轴间设置有密封圈，在所述轴承盖与所述轴座之间还设有调整垫片。

较优地，所述传动装置还包括设置在隔爆壳体两侧的铝梁，所述铝梁环绕包裹联接所述传动装置的所述主驱动轴、同步带、联动轴以及同步带轮；

在所述隔爆壳体两侧的所述铝梁上，设置有两端利用弹簧或橡胶垫联接所述铝梁的两个悬架；所述悬架的一侧与隔爆壳体通过焊接和/或螺栓固定联接。

较优地，所述传动装置的主驱动轴联接电机轴的轴线与水平线之间设置有3-5°夹角。

本发明的有益效果在于：本发明的矿井防爆机器人，形体较小、运动灵活、结构简单、牢固、可靠，具备很强的防爆能力，同时具有很好的机动性，其地面适应性好、越障能力强，是可靠性很高的矿井防爆机器人。

附图说明

图1是本发明实施例的矿井防爆机器人结构示意图；

图2是图1中本发明实施例的矿井防爆机器人结构示意图；

图3是图1中本发明实施例的矿井防爆机器人隔爆壳体与套筒联接剖视结构示意图；

图4是图1中矿井防爆机器人隔爆壳体与传动平台联接剖视结构示意图；

图5是图1中矿井防爆机器人主驱动轴与联动轴通过同步带联接同步带结构示意图；

图6是本发明实施例的具有圆锥形状端盖的矿井防爆机器人结构示意图；

图7是本发明实施例的具有冠状端盖的矿井防爆机器人结构示意图；

图8是本发明实施例的具有梯形截面端体的矿井防爆机器人结构示意图；

图9是图8中矿井防爆机器人的侧视结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明的矿井防爆机器人进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明而不是对本发明的限制。

如图1-5所示，作为一种可实施方式，本发明实施例的矿井防爆机器人，包括活动平台1，传动平台2，隔爆壳体3。

所述活动平台1包括多个移动装置11；

所述传动平台2包括联接并驱动所述多个移动装置11的传动装置21；

所述隔爆壳体3联接传动平台2；

矿井防爆机器人的控制设备(未示出)设置在所述隔爆壳体中，所述控制设备包括但不限于摄像机、驱动电机、通信控制装置、数据传输装置等(未示出)。

矿井防爆机器人通过密封在隔爆壳体3中的控制设备驱动电机和通信控制装置自动控制所述传动平台2的动力，利用摄像机获取机器人外的环境视频或者图像并由数据传输装置传输到外部设备中，由所述传动平台2带动所述活动平台1的运动和转向，从而控制防爆机器人在矿井中的运动与转向。

所述防爆机器人的控制设备驱动电机和通信控制装置自动控制所述传动平台2的动力，利用摄像机获取机器人外的环境视频或者图像并由数据传输装置传输到外部设备中，由所述传动平台2带动所述活动平台1的运动和转向是一种现有技术，其不是本发明的发明创造点，因此，在本发明实施例中，不再一一详细描述。

下面先进一步详细描述说明本发明实施例的矿井防爆机器人的隔爆壳体结构：

如图1和图2所示，本发明实施例的隔爆壳体3为水平设置的具有拱形截面、底面为水平面的圆筒形壳体，所述圆筒形壳体两端以金属前后端盖31通过焊接和/或螺栓固定联接在所述隔爆壳体3的前后端；

如图1所示，所述隔爆壳体3顶部具有一圆形开口32，所述开口处由防爆钢化玻璃33镶嵌密封防爆隔离，所述摄像机的摄像头(未示出)设置正对圆形开口32，所述摄像机(未示出)固定在隔爆壳体的水平底面上；

如图3所示，所述矿井防爆机器人还包括一密封嵌镶在隔爆壳体3顶部圆形开口32上的圆筒形的透明全向视觉结构5；

所述全向视觉结构5，包括由防爆钢化玻璃制成的作为密封外壳嵌镶在隔爆壳体上的套筒51，以及密封在套筒51中的圆锥形全向镜面52。这样，既可以保护摄像机的安全，不受爆炸环境的影响，又可以使机器人全方位获得对周围环境的视频图像数据。

根据热爆炸理论及气体反应动力学观点，混合物在爆炸的过程中，压力波总是以火源点为中心，以同心球的形式向周围空间扩展，最终形状与外壳形状一致。

由于外壳形状的不同，使得爆炸产生的压力波从爆炸中心向各壁传递的时间不同，因而使爆炸混合物燃烧结束的时间也不同，导致反应后的热量向外扩散而被壁面吸收造成降温的程度不同，生成物气体向外壳膨胀的效果被削弱的程度也不相同。在球形外壳中心点火，爆炸产生的压力波不受任何的干扰，并能使全部爆炸性混合物同时燃烧并向壁面膨胀，因此，所反映的爆炸压力较高。而在非球形外壳(如圆筒形，方形，矩形等)的中心点火时，火焰前锋到达壁面的时间早于爆炸性混合物完全燃烧的时间，因而有一部分爆炸生成物的热量被壁面吸收，同时通过壁面向周围传导，使爆炸生成物被冷却，削弱了爆炸生成物向壁膨胀的效果。所以球形容器壁面上反映出的爆炸压力高于其他容积外壳壁面上反映出的爆炸压力。不同形状外壳内爆炸时，产生的爆炸压力的情况见表1。

表1为相同容积下不同形状的容器对爆炸压力的影响。

由表1可以看到，在相同容积的外壳中，矩形外壳产生的爆炸压力最小，圆筒形外壳次之，说明这两种形状的抗压能力比较强。

但是，圆筒形与矩形壳体的比较：

1.圆筒形壳体更容易制造加工，焊缝比较少；

2.在相同容积下，制造圆筒形壳体所学要的金属重量小于矩形壳体；

3.端盖的安装，圆筒形要易于矩形端盖的安装，且矩形壳体需要更多的螺栓进行加固措施；

4.从结构上讲，圆筒形壳体承受压力时不易变形。

因此，通过比较，本发明实施例的矿井防爆机器人，选择圆筒形作为防爆机器人的控制设备隔爆壳体。

防爆机器人的隔爆壳体不但是用于安装行走机构、控制和通信装置和环境探测传感器的隔爆壳体，而且其内部应该有充足的空间用于安装驱动模块、控制和通信模块、电源等的电气部分，因此，为了便于内部组件安装和增加车体底盘高度，本发明实施例中，如图2所示，对壳体底部进行削平处理，最终形成底部平设的具有拱形截面的圆筒形壳体。

所述圆筒形壳体的前后端盖31通过焊接和/或螺栓固定联接在所述圆筒形壳体的前后端。

如图6-9所示，所述金属前后端盖31或者是如图1所示平面状金属端盖，或者是如图6所示圆锥状金属端盖，或者是如图7所示冠状金属端盖。

更佳地，如图8、9所示，所述隔爆壳体两端还包括联接在圆筒形壳体上的两个端体34，所述端体34联接到圆筒形壳体上的一端为拱形面，联接到端盖的另一端为直径小于隔爆壳体圆筒形截面直径的圆形面；所述端体34截面为梯形的壳体；所述圆筒形壳体与端体34一体铸造；端体34和端盖之间通过焊接和/或螺栓联接。这样，既可以有利于隔爆壳体与端盖的联接，又有利于隔离控制设备，简化端盖制备的复杂程度，并且可以增大隔爆壳体的容纳空间。

如图3所示，所述全向视觉结构5，包括由钢化玻璃制成的通过浇封固定在隔爆壳体上的套筒51，以及密封在套筒51中的全向反射圆锥形镜面52。

所述全向视觉结构的套筒52由钢化玻璃制成，厚度符合隔爆标准GB3836.1中的隔爆规定。

所述全向反射镜面52为全向圆锥形镜面，起着反射光线的作用，摄像机的摄像头处于圆锥形镜面正下方，摄像机(未示出)采用竖直固定安装在隔爆壳体3的平面的底部上，通过折射采集全向圆锥形镜面反射的光线，透过隔爆壳体3圆形开口上的防爆玻璃33，继而获得全景图像。

所述摄像机可以是现有的各种微型摄像机。

全向圆锥形镜面的52特点是镜面形状简单，有精确的数学解析式描述，加工难度相对较小，材料加工较为低廉；对于圆锥形镜面对获取的全景图像产生的失真，因为全景图像和实际场景中的距离关系是线性的，因此失真是可以通过人眼识别进行判断的，不影响操控人员对其的遥控控制。

较佳地，如图3所示，在密封联接所述套筒51与隔爆壳体3的联接处，以及钢化玻璃33与隔爆壳体3联接处，设置金属或金属包覆的衬垫53；所述金属或金属包覆的衬垫53采用符合ISO1210中的可压缩的不燃材料紫铜制成，这种金属或衬垫可以起到防爆作用，作为密封联接的金属或衬垫的一部分，更好地起到防爆的作用。

下面进一步详细描述本发明实施例的矿井防爆机器人的活动平台1、传动平台2的结构：

作为一种可实施方式，如图1-9所示，本发明实施例的活动平台为车轮式或者车轮履带式结构平台，所述移动装置11包括六个车轮111，两侧各有三个车轮111。

六车轮机构相比四轮机构有更好的越障能力，能更好的适应井下凹凸不平的地面环境。

较佳地，本发明实施例的六车轮机构，两侧各三个车轮中的中间两个车轮111中，添置有橡胶填充物，以增大中间车轮的载荷，提高中间车轮的附着力，同时前后轮因载荷减小，转向时和地面摩擦力减小，有利于机器人转向方便。

作为一种可实施方式，本发明的矿井防爆机器人，如图4、5所示，所述传动平台2的传动装置21包括两主驱动轴211，所述两主驱动轴211分别联接并驱动所述六车轮机构两侧的中间两个车轮111；

所述两主驱动轴211设置与设置在隔爆壳体3的底部平面上的两电机(未示出)联接，在电机开动时，电机带动主驱动轴211运动，驱动所述的两侧中间两个车轮111运动和转向，通过控制驱动电机的转速控制矿井防爆机器人的运动，同时通过控制驱动电机的不同转速控制机器人转向。

如图5所示，所述传动装置21，还包括联接在主驱动轴211上的两同步带212；以及，由同步带212联接带动的分别设置在两主驱动轴211前后的四个联动轴213；所述四个联动轴213分别联接并驱动两侧前后四个车轮。

如图5所示，所述传动平台2，通过主驱动轴211利用同步带212传动带动联动轴213，同步带212传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点，同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比，同时，同步带传动结构可以很好实现对机器人的精确行走控制。

本发明实施例中，所述同步带212传动主驱动轴211和联动轴213的传动比为1，从而实现六轮实时同步转动，即使当中间轮架空时，照样有很好的驱动力。

更佳地，本发明实施例中，所述同步带212以玻璃纤维绳为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体制成。这种同步带薄而且轻，传动效率高，传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。

作为一种可实施方式，如图4所示，隔爆壳体3侧壁上设置有轴座411和安装孔412，主驱动轴211穿过安装孔412装配到轴座411上后与隔爆壳体3联接，主驱动轴211和轴座411间设有轴承413和轴套414，主驱动轴211一端与电机(未示出)的电机轴31联接，另一端联接同步带轮(未示出)与同步带212啮合。主驱动轴211的圆柱面的外壁与轴承盖415的孔内壁形成了一对隔爆接合面，轴承盖415伸入轴座411的孔内的圆柱面与轴座411的内壁形成了一对隔爆接合面。在轴承盖415与主驱动轴211间设置有密封圈416，在轴承盖415与轴座411之间还设有调整垫片417，防止水从隔爆接合面处进入到隔爆壳体内部。

将电机轴31和主驱动轴211设置隔爆壳体3的轴座和安装孔中，并通过轴承盖415隔开，降低了因主驱动轴传动摩擦产生的摩擦热或是轴转动时产生的摩擦火花引起壳体内部电气设备爆炸的危险，而且这样设计不仅减少了隔爆壳体出轴的数量，减小对隔爆性能的影响，还可以有效地减小壳体的体积，从而减小机器人的整体重量。

较佳地，如图2所示，为了保证传动装置不受工作环境灰尘等的影响，所述传动装置还包括设置在隔爆壳体两侧的铝梁4，所述铝梁4环绕包裹联接所述传动装置的所述主驱动轴、同步带、联动轴以及同步带轮(未示出)等。同时，为了保证车身稳定，减少车身纵倾，本发明实施例的矿井防爆机器人，在隔爆壳体3两侧的铝梁4上方，设置有两端利用弹簧或橡胶垫61联接铝梁的两个悬架6，所述悬架6的一侧与隔爆壳体3通过焊接和/或螺栓固定联接。

所述悬架6的两端弹簧或橡胶垫61联接传动装置的铝梁的设计，不仅能有效地提高车体的行驶性能，而且能保持车身的姿态，减小侧倾、纵倾，同时悬架也是搭载外部传感器、急救箱等机器人携带的物品的有效载体。

较佳地，所述传动装置的主驱动轴联接电机轴的轴线与水平线之间设置有3-5°夹角。

3-5°外倾角使车轮外胎面着地，加上车轮负载后使车轮内外胎面均着地，减小轮胎磨损，有助于操纵和转向，改变了车重在车轴上的受力分布，避免轴承产生异常磨损。外倾角的存在还可用来抵消车身载重。

本发明实施例的矿井防爆机器人，形体较小、运动灵活、结构简单、牢固、可靠，具备很强的防爆能力，同时具有很好的机动性，其地面适应性好、越障能力强，是可靠性很高的矿井防爆机器人。

最后应当说明的是，很显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (12)

1.一种矿井防爆机器人，包括活动平台，传动平台，隔爆壳体；

所述活动平台包括多个移动装置；

所述传动平台包括联接并驱动所述多个移动装置的传动装置；

所述隔爆壳体联接传动平台；

矿井防爆机器人的控制设备设置在所述隔爆壳体中；

其特征在于：

所述隔爆壳体为水平设置的具有拱形截面、底面为水平面的圆筒形壳体，所述圆筒形壳体两端以金属前后端盖通过焊接和/或螺栓固定联接在所述隔爆壳体的前后端；

所述隔爆壳体顶部具有一圆形开口；

所述开口处由防爆钢化玻璃镶嵌密封防爆隔离，所述控制设备中的摄像机的摄像头设置正对圆形开口，所述摄像机固定在隔爆壳体的水平底面上；

所述矿井防爆机器人还包括一密封嵌镶在隔爆壳体顶部圆形开口上的圆筒形的透明全向视觉结构；

所述全向视觉结构，包括由防爆钢化玻璃制成的作为密封外壳嵌镶在隔爆壳体上的套筒，以及密封在套筒中的圆锥形全向镜面。

2.根据权利要求1所述的矿井防爆机器人，其特征在于，所述圆筒形壳体的前后端盖通过焊接和/或螺栓固定联接在所述圆筒形壳体的前后端；

所述金属前后端盖或者是平面状金属端盖，或者是冠状金属端盖，或者是圆锥状金属端盖。

3.根据权利要求2所述的矿井防爆机器人，其特征在于，所述隔爆壳体两端还包括联接在圆筒形壳体上的两个端体；

所述端体联接到圆筒形壳体上的一端为拱形面，联接到端盖的另一端为直径小于隔爆壳体圆筒形截面直径的圆形面；所述端体截面为梯形的壳体；

所述圆筒形壳体与端体一体化铸造；所述端体和端盖之间通过焊接和/或螺栓联接。

4.根据权利要求2所述的矿井防爆机器人，其特征在于，在密封联接所述套筒与隔爆壳体的联接处，以及钢化玻璃与隔爆壳体联接处，设置金属或金属包覆的衬垫；

所述金属或金属包覆的衬垫采用符合ISO1210中的可压缩的不燃材料紫铜制成。

5.根据权利要求1所述的矿井防爆机器人，其特征在于，所述活动平台为车轮式或者车轮履带式结构平台，所述移动装置包括六个车轮，两侧各有三个车轮。

6.根据权利要求5所述的矿井防爆机器人，其特征在于，所述六车轮机构，两侧各三个车轮中的中间两个车轮中，添置有橡胶填充物。

7.根据权利要求6所述的矿井防爆机器人，其特征在于，所述传动平台的传动装置包括两主驱动轴，所述两主驱动轴还分别联接并驱动所述六车轮机构两侧的中间两个车轮；所述两主驱动轴与设置在隔爆壳体的底部平面上的两电机联接。

8.根据权利要求7所述的矿井防爆机器人，其特征在于，所述传动装置，还包括联接在主驱动轴上的两同步带；以及由同步带联接带动的分别设置在两主驱动轴前后的四个联动轴；所述四个联动轴分别联接并驱动两侧前后四个车轮。

9.根据权利要求8所述的矿井防爆机器人，其特征在于，所述同步带传动主驱动轴和联动轴的传动比为1；

所述同步带以玻璃纤维绳为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体制成。

10.根据权利要求9所述的矿井防爆机器人，其特征在于，所述隔爆壳体侧壁上设置有轴座和安装孔；

所述主驱动轴穿过安装孔装配到轴座上后与隔爆壳体联接，所述主驱动轴和所述轴座间设有轴承和轴套；所述主驱动轴一端与电机的电机轴联接，另一端联接同步带轮与同步带啮合；

所述主驱动轴的圆柱面的外壁与轴承盖的孔内壁形成了一对隔爆接合面，所述轴承盖伸入所述轴座的孔内的圆柱面与轴座的内壁形成了一对隔爆接合面；在所述轴承盖与所述主驱动轴间设置有密封圈，在所述轴承盖与所述轴座之间还设有调整垫片。

11.根据权利要求10所述的矿井防爆机器人，其特征在于，所述传动装置还包括设置在隔爆壳体两侧的铝梁，所述铝梁环绕包裹联接所述传动装置的所述主驱动轴、同步带、联动轴以及同步带轮；

在所述隔爆壳体两侧的所述铝梁上，设置有两端利用弹簧或橡胶垫联接所述铝梁的两个悬架；所述悬架的一侧与隔爆壳体通过焊接和/或螺栓固定联接。

12.根据权利要求10所述的矿井防爆机器人，其特征在于，所述传动装置的主驱动轴联接电机轴的轴线与水平线之间设置有3-5°夹角。