CN104149873A - 便携式矿用本安救援探测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式矿用本安救援探测机器人，包括本体、行走机构、驱动控制机构、气体采样装置、气体检测处理装置和无线通信装置；行走机构包括轮轴和偏心驱动轮；驱动控制机构设置第一和第二电机组，第一和第二电机组均包括至少两个转子同轴串联的电机。本发明的偏心轮使本体离地距离较高，且具有腿式跨越台阶行走优点，不影响其一般路况下通过性，移动高效灵活，复杂地形适应能力强；同一驱动轮同时受到若干各电机的合力驱动，使机器人在仅少量驱动轮接触地面情况下仍具有足够动力翻越障碍或脱困；同一驱动轮各电机受并联控制，驱动控制电路设计方面更简单；且各电子电器元件电压、电流、电感都较低，本质安全和防爆性好。

Description

便携式矿用本安救援探测机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别涉及一种应用于煤矿井下事故灾区现场救援的便携式矿用本安救援探测机器人。

背景技术

矿业是关系国家经济命脉的重要基础产业，支撑着国民经济持续高速发展。然而，我国的矿业仍属于高危险性行业。根据2003年的一份调查报告数据，我国当年的煤矿事故死亡人数为6995人，约占全球的80％，百万吨死亡率是美国的10倍，是俄罗斯、澳大利亚的12倍。虽然近年来死亡率有所下降，但我国仍是世界上煤矿灾害最严重、灾害最多的国家。

导致我国煤矿灾害严重、死亡率居高不下的原因很多，除了地质条件差、井工矿比例高、生产力水平低、防灾系统不健全等因素外，井下快速救援关键技术与装备落后也是一个重要的原因。很多救援行动中为了避免次生事故，救援队员使用机电类设备受到极大限制，长达数公里的巷道也只能步行；救援队员完全不清楚前方的实际情况，不仅冒着巨大风险，在心理上也会给救援人员极大的影响，使得实际救援效率大打折扣。

值得庆幸的是，随着机械、电子、信息技术和传感器技术等领域的快速发展，机器人代替救援队员进入高危险区域或者人类难以到达的地方搜救幸存者和寻找受难矿工、采集现场信息为救援计划提供信息支持已经成为可能。大量研究和实践证明，将机器人应用到矿难救援中，可帮助救援队员掌握事故现场第一手信息和资料，提高救援效率，最大限度地减少伤亡和损失。

我国的煤矿地形复杂，矿道深而复杂，矿难类型主要是瓦斯爆炸、煤尘爆炸、瓦斯突出、透水事故、矿井失火、顶板塌方等。其中，瓦斯爆炸和顶板塌方就占了矿难数量和死亡人数的60％－70％。这些类型的矿难也常常导致矿道损毁，救援通道被易燃易爆物、有毒气体、泥水和沙石等填充，极大地增加了救援行动的困难。

国内矿山救灾或救援探测机器人的研究主要关注和集中在矿用隔爆型机器人方面，如公告号为：201516604U的中国专利“模块化履带摇臂式煤矿井下探测机器人”，公告号为：201264655的中国专利“煤矿救援探测机器人”，公告号为：101643096A的中国专利“一种煤矿井下救援探测机器人”，公告号为:101417674的中国专利“煤矿井下搜救探测机器人运动装置”等；从前述的专利内容分析可知，现有的矿用隔爆型机器人体积均较庞大且笨重，不具备便携性；同时行走机构一般为履带或普通轮式结构，各驱动轮的动力相互独立不能联合，在穿越和回避障碍物方面性能较差；同时还普遍存在通信远程无线传输和操控性差、本质安全性低、气体采样和检测范围小、救援探测能力弱等缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种便携式矿用本安救援探测机器人，以解决现有矿用机器人所存在的便携性差、越障行走能量效率差、本质安全和防爆性能低、环境探测和人员搜救能力弱等缺陷。

本发明便携式矿用本安救援探测机器人，包括本体，所述本体上设置有行走机构、驱动控制机构、气体采样装置、气体检测处理装置和无线通信装置；

所述行走机构包括固定设置在本体上的轮轴、以及设置在轮轴上的左侧驱动轮与右侧驱动轮，所述左侧驱动轮与右侧驱动轮均为偏心轮；

所述驱动控制机构包括设置在本体上驱动左侧驱动轮的第一电机组和驱动右侧驱动轮的第二电机组，所述第一电机组和第二电机组均包括至少两个转子同轴串联的电机。

进一步，所述便携式矿用本安救援探测机器人还包括用于控制第一电机组的第一控制器和控制第二电机组的第二控制器，所述第一电机组中的各电机分别通过单独的信号模块和隔离器件和第一控制器连接；所述第二电机组中的各电机分别通过单独的信号模块和隔离器件和第二控制器连接。

进一步，所述各电机、各信号模块和各控制器均设置有独立的供电模块。

进一步，所述驱动轮的行走轮面上设置有至少一根撑杆。

进一步，所述偏心轮的偏心距与偏心轮的半径之比为0.25～0.75。

进一步，所述气体采样装置为伸降式气体采样装置。

进一步，所述气体检测处理装置为设置于气体采样装置内的环境参数传感器，所述环境参数传感器和无线通信装置电连接。

进一步，所述本体上还设置有与无线通信装置电连接的摄像头、拾音器和扬声器。

进一步，所述本体上还设置有与无线通信装置电连接的距离传感器。

进一步，所述本体、左侧驱动轮和右侧驱动轮均由6061铝合金制成。

本发明的有益效果：

1、本发明便携式矿用本安救援探测机器人，其采用偏心轮作为驱动轮，相对于现有履带式、腿式行走装置，其避免了能量损耗高、行走能量效率低、机构及控制系统复杂的问题，可充分发挥机器人移动灵活、控制简单等优点；同时，由于偏心轮可使本体离地面距离更高，且在前进过程中偏心轮使本体上下移动，类似于腿式行走时的弯腿动作，因此具有腿式行走的优点，相比于传统轮式驱动机器人其具有更强的复杂地形适应能力。

2、本发明便携式矿用本安救援探测机器人，由于驱动本体同侧驱动轮的各电机的转子同轴串联连接，因此同一驱动轮便同时受到若干各电机的合力驱动，在翻越障碍时，可使机器人在只有少量驱动轮接触地面情况下，仍然具有足够的动力翻越障碍或脱困，越障脱困能力大大提高。

3、本发明便携式矿用本安救援探测机器人，驱动同一驱动轮的各电机和同一控制器连接，因此控制器能向驱动同一驱动轮的各电机发出统一的控制信号，实现了各电机的并联控制，相对于现有机器人各驱动轮的驱动电机需要分别控制而言，本申请在机器人驱动控制电路设计方面更简单。

4、本发明便携式矿用本安救援探测机器人，由于同一行走轮由多个电机驱动，因此单个电机的功率较低；同时各电机、各信号模块和各控制器均设置有独立的供电模块，因此各电器件的电压、电流、电感都较低，可使机器人具有很好的防爆特性。

5、本发明便携式矿用本安救援探测机器人，其通过摄像头、拾音器和扬声器和通讯装置可与地面进行通讯，指挥平台可观察现场情况、收集现场声音信息、并向现场发出声音信号，现场探测及救援能力强。

附图说明

图1为本发明便携式矿用本安救援探测机器人的立体结构示意图；

图2为本体内部的立体结构示意图；

图3为对驱动轮运动并联控制的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图所示，本实施例便携式矿用本安救援探测机器人，包括本体1，所述本体1上设置有行走机构、驱动控制机构、气体采样装置2、气体检测处理装置和无线通信装置；

所述行走机构包括固定设置在本体1上的轮轴3、以及设置在轮轴3上的左侧驱动轮4与右侧驱动轮5，所述左侧驱动轮4与右侧驱动轮5均为偏心轮；

所述驱动控制机构包括设置在本体1上驱动左侧驱动轮4的第一电机组6和驱动右侧驱动轮5的第二电机组7，所述第一电机组6和第二电机组7均包括两个转子同轴串联的电机；当然在具体实施中，第一电机组6和第二电机组7所包括的电机数量还可根据需要调整，其数量在两台以上均可。

本实施例便携式矿用本安救援探测机器人，其采用偏心轮作为驱动轮，相对于现有履带式、腿式行走装置，其避免了能量损耗高、效率低、机构及控制系统复杂的问题，可充分发挥机器人移动灵活、控制简单等优点；同时，由于偏心轮可使本体离地面距离更高，且在前进过程中偏心轮使本体上下移动，类似于腿式行走时的弯腿动作，因此具有腿式行走的优点，相比于传统轮式驱动机器人其具有更强的复杂地形适应能力。

同时由于驱动本体同侧驱动轮的各电机的转子同轴串联连接，因此同一驱动轮便同时受到若干各电机的合力驱动，在翻越障碍时，可使机器人在只有少量驱动轮接触地面情况下，仍然具有足够的动力翻越障碍或脱困，越障脱困能力大大提高。并且本实施例中，各驱动轮和电机的动力输出端之间还设置有皮带减速传动装置15，皮带减速传动装置15除了可以提高输出力矩以外，还可以防止驱动轮卡死停机和缓冲振动冲击，使传动更加有效。

作为对本实施例的改进，本便携式矿用本安救援探测机器人还包括用于控制第一电机组6的第一控制器8和控制第二电机组7的第二控制器9，所述第一电机组6中的各电机分别通过单独的信号模块10和隔离器件11和第一控制器8连接；所述第二电机组7中的各电机分别通过单独的信号模块10和隔离器件11和第二控制器9连接。

本实施例中驱动同一驱动轮的各电机和同一控制器连接，因此控制器能向驱动同一驱动轮的各电机发出统一的控制信号，实现了各电机的并联控制，相对于现有机器人各驱动轮的驱动电机需要分别控制而言，本申请在机器人驱动控制电路设计方面更简单。

作为对本实施例的改进，所述各电机、各信号模块和各控制器均设置有独立的供电模块12，由于同一驱动轮由多个电机驱动，因此单个电机的功率较低；同时各电机、各信号模块和各控制器均设置有独立的供电模块，因此各电器件的电压、电流、电感都较低，可使机器人各部分均满足本质安全要求，具有很好的防爆特性。

作为对本实施例的改进，所述驱动轮的行走轮面上设置有至少一根撑杆13；当然撑杆13的数量可根据实际需要增减，撑杆13可进一步增强驱动轮的抓地和越障能力。

作为对本实施例的改进，所述偏心轮的偏心距与偏心轮的半径之比为0.25；当然偏心轮的偏心距与偏心轮半径之比还可为0.5、0.75等0.25～0.75范围内的其它值，在这一范围内取值机器人的越障能力最佳。

作为对本实施例的改进，所述气体采样装置为伸降式气体采样装置，其具体结构可以参见中国专利ZL2013206995758，伸降式气体采样装置的采样空间范围更大，同时其可在竖直平面上伸缩和旋转，使机器人能更好的躲避障碍物。

作为对本实施例的改进，所述气体检测处理装置为设置于气体采样装置内的环境参数传感器，所述环境参数传感器和无线通讯装置14电连接，环境参数传感器可根据需要选择多参数传感器，以实现对一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲烷、温度灯环境参数的检测，检测信息通过无线通讯装置14传输到地面指挥平台，可帮助更好的指导救援作业。

作为对本实施例的改进，所述本体1上还设置有与无线通讯装置14电连接的摄像头16、拾音器和扬声器，通过摄像头、拾音器和扬声器和通讯装置与地面进行通讯，使指挥平台可观察现场情况、收集现场声音信息、并向现场发出声音信号，能更有效的指导现场救援。

作为对本实施例的改进，所述本体1上还设置有与无线通信装置14电连接的距离传感器，机器人行走距离的通过距离传感器实时记录采集并通过通讯装置14传输到指挥平台，可帮助救援人员了解具体的搜救位置。

作为对本实施例的改进，所述本体1、左侧驱动轮4和右侧驱动轮5均由6061铝合金制成，6061铝合金板材质量轻、强度和焊接性好，使得机器人重量较轻，移动灵活性更强、便于携带，同时还能满足本质安全要求。

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，而不脱离本发明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。

Claims (10)

1.一种便携式矿用本安救援探测机器人，包括本体，所述本体上设置有行走机构、驱动控制机构、气体采样装置、气体检测处理装置和无线通信装置；其特征在于：

所述行走机构包括固定设置在本体上的轮轴、以及设置在轮轴上的左侧驱动轮与右侧驱动轮，所述左侧驱动轮与右侧驱动轮均为偏心轮；

所述驱动控制机构包括设置在本体上驱动左侧驱动轮的第一电机组和驱动右侧驱动轮的第二电机组，所述第一电机组和第二电机组均包括至少两个转子同轴串联的电机。

2.根据权利要求1所述的便携式矿用本安救援探测机器人，还包括用于控制第一电机组的第一控制器和控制第二电机组的第二控制器，所述第一电机组中的各电机分别通过单独的信号模块和隔离器件和第一控制器连接；所述第二电机组中的各电机分别通过单独的信号模块和隔离器件和第二控制器连接。

3.根据权利要求2所述的基于偏心轮和腿式组合的矿用机器人，其特征在于：所述各电机、各信号模块和各控制器均设置有独立的供电模块。

4.根据权利要求1所述的基于偏心轮和腿式组合的矿用机器人，其特征在于：所述驱动轮的行走轮面上设置有至少一根撑杆。

5.根据权利要求1所述的基于偏心轮和腿式组合的矿用机器人，其特征在于：所述偏心轮的偏心距与偏心轮的半径之比为0.25～0.75。

6.根据权利要求1所述的便携式矿用本安救援探测机器人，其特征在于：所述气体采样装置为伸降式气体采样装置。

7.根据权利要求1所述的便携式矿用本安救援探测机器人，其特征在于：所述气体检测处理装置为设置于气体采样装置内的环境参数传感器，所述环境参数传感器和无线通信装置电连接。

8.根据权利要求1所述的便携式矿用本安救援探测机器人，其特征在于：所述本体上还设置有与无线通信装置电连接的摄像头、拾音器和扬声器。

9.根据权利要求1所述的便携式矿用本安救援探测机器人，其特征在于：所述本体上还设置有与无线通信装置电连接的距离传感器。

10.根据权利要求1所述的便携式矿用本安救援探测机器人，其特征在于：所述本体、左侧驱动轮和右侧驱动轮均由6061铝合金制成。