CN105666459A - 井下巷道悬线巡检防爆机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下巷道悬线巡检防爆机器人，包括监控机器人主体、过障机构和行走机构。所述过障机构包括过障导杆、预紧轮、下支架、导向套、预紧弹簧、弹簧调节螺母、销孔和导向槽；所述行走机构包括连接杆、主动轴自由端轴承座、上支架、菱形轴承座、主动轮、主动轴；所述监控机器人主体包括模块搭载框、防爆电池、防爆箱、防爆箱内的控制电路和各种传感器模块。该悬线巡检防爆机器人设备投入少、成本低、监控系统简单，同时达到了对井下环境参数的全面监控；能在架设好的钢丝绳上以预想的速度平稳爬行，具有上下坡越障碍功能。该悬线巡检防爆机器人硬件全部采用防爆设计，可以在矿下等危险场合作业。

Description

井下巷道悬线巡检防爆机器人

技术领域

本发明涉及机器人，尤其涉及井下悬线巡检机器人。

背景技术

我国煤炭储存量大，多数煤矿都是高瓦斯，开采环境恶劣，危险性高，煤矿生产百万吨死亡率一直居高不下。为了保证人员的生命安全以及工作的正常运营，对于井下环境的监测就显得尤为重要。煤矿井下环境监测主要监测各种有害气体及其它作业条件，如瓦斯浓度、风速、压力、空气温度、粉尘浓度等。

目前，煤矿井下环境安全参数监控分为人工监测和自动化监控两种方式。鉴于井下的工作环境恶劣、照明差，人工监控不利于巡检人员巡视并及时发现问题，同时存在工人劳动强度大，检测效果不稳定；现有自动化监测系统，由于井下巷道距离长，监控点多，致使自动化监测系统复杂、监测设备种类繁多、数量大、成本高。

随着机器人技术的发展，机器人已经在煤矿的生产作业、矿难事故处理与救援和煤矿日常监测与维护三个方面得到了巨大的应用。但这些矿用机器人，都必须解决由矿井中复杂路况和设备等因素带来的避障、越障、爬坡和跨越沟等行走问题，加大了机器人控制系统的复杂性和制造成本，降低了机器人的可靠性，不利于其用在井下环境信息的巡检。为了解决上述问题，在充分利用井下巷道顶部空间，并为瓦斯、一氧化碳等密度较轻气体浓度监测提供较好监测点的基础上，本文在巷道顶部使用悬线机器人完成巡检。

机器人是一个复杂的机电一体化系统，涉及到机械机构、自动控制、通信技术等多个领域，但机械机构是整个系统的基础，也是制约机器人实用化的最大障碍。而监控机器人骑在水平或有一定坡度的钢丝绳上，能否平稳的行走、平稳的越过障碍物，又是机械结构的最大难点所在。

发明内容

本发明的目的是提供一种井下巷道悬线巡检防爆机器人，该悬线巡检机器人能在架设好的钢丝绳上以预想的速度平稳爬行，具有上下坡越障碍功能，设备投入少、成本低、监控系统简单。

本发明的技术方案是:一种井下巷道悬线巡检防爆机器人，其特征是包括悬线巡检机器人主体、过障机构和行走机构，所述过障机构包括过障导杆、预紧轮、下支架、导向套、预紧弹簧、预紧弹簧调节螺母、销孔和导向槽；所述行走机构包括圆柱形连接杆、主动轴自由端轴承座、上支架、菱形轴承座、主动轮、主动轴；所述巡检机器人主体包括模块搭载框、防爆电池、防爆箱、防爆箱内的控制电路和各种传感器模块；

其中上支架和下支架为两个相互配合的U型结构，通过这两个U型结构的交互移动，完成机器人的行走、越障及上下坡动作；

过障导杆通过螺栓连接在下支架上方，预紧轮通过一个螺栓与一段轴套共同连接在过障导杆上；

下支架上的导向套为下支架上下移动提供引导，并在导向套的侧面开设有销孔，在下支架上方设有两个圆孔；

上支架一侧通过螺纹孔连接主动轴自由端轴承座，另一侧开设圆孔使主动轴的输入端伸出，并在圆孔的周围开设螺纹孔，安装菱形轴承座和减速器；

所述圆柱形连接杆一端开设有螺纹，两端面均设有两个螺纹孔，侧面开设有矩形导向槽，螺纹与过障机构的预紧弹簧调节螺母配合，完成对预紧弹簧预紧力的调节；

预紧弹簧与圆柱形连接杆通过螺纹连接，在主动轮的下方配有两个预紧轮，主动轮通过轴间、平键和卡簧连接在主动轴上；

圆柱形连接杆通过两端面的两个螺纹孔分别与机器人模块搭载框架和上支架相连；圆柱形连接杆与下支架导向套形成圆柱副，引导下支架上下移动，并通过矩形导向槽和安装在下支架导向套销孔中的圆柱销配合，消除下支架横向旋转；

在模块搭载框架上面板的两端分别开设有两个圆孔，使模块搭载框架和圆柱形连接杆连在一起。

优选地，所述行走机构的主动轴为五阶阶梯轴，主动轴中部与主动轮连接的一阶开有键槽，通过平键连接主动轮。

优选地，所述行走机构采用一前一后布置在模块搭载框架上，防止机器人在行走时前后摇摆。

优选地，所述预紧轮通过下方预紧弹簧为主动轮和钢丝绳以及预紧轮和钢丝绳之间提供预紧力，依靠摩擦减小机器人在行走时的侧摆现象。

优选地，所述主动轮带150°圆弧槽，所述预紧轮带160°圆弧槽，以便预紧轮和主动轮之间不会出现干涉。

优选地，所述过障导杆为一弧形杆件，帮助机器人顺利通过障碍，通过其下方的螺纹孔固定在下支架上。

优选地，所述防爆箱内部采用分割式布局，可以加装各种控制电路和传感器模块。

优选地，所述模块搭载框架采用推拉式架构，方便防爆电池和防爆箱的安装。

优选地，所述机器人能够在预架设的巷道顶部的钢丝绳上自由移动。

本发明创新点包括以下几个方面：

(1)该悬线巡检防爆机器人为行走监控：设备的投入少、成本低、监控系统简单，同时达到了对井下环境安全参数的全面监控。

(2)该悬线巡检防爆机器人的越障机构打破现有的轮臂式、仿生式机器人越障机构，是一种纯机械越障机构，越障无需控制。

(3)该悬线巡检防爆机器人防爆箱内采用分隔布局，可以加载各种不带防爆设计的(非本安型)传感器控制系统。

(4)该悬线巡检防爆机器人采用两个交互的U型支架作为主要构架。

(5)该悬线巡检防爆机器人的预紧力可以通过下方的预紧弹簧进行调节，以适应不同的使用场合。

(6)该悬线巡检防爆机器人采用带自锁功能的涡轮蜗杆减速器，避免了刹车机构的设计。

附图说明

图1是监控机器人本体结构示意图。

图2是过障机构结构示意图。

图3是行走机构结构示意图。

图4是模块搭载框架示意图。

图5-1是主动轮结构示意图。

图5-2是预紧轮结构示意图。

图6是连接杆结构示意图。

图7是传动机构结构示意图。

图8是机器人通过悬线导杆及越障时的图解。

附图标记：1-模块搭载框架；2-连接杆；3-预紧弹簧调节螺母；4-预紧弹簧；5-下支架；6-过障导杆；7-主动轴自由端轴承座；8-上支架；9-菱形轴承座；10-主动轮；11-主动轴；12-防爆电池；13-预紧轮；14-导向套；15-销孔；16-导向槽；17-防爆箱；18-钢丝绳；19-悬线导杆；20-步进电机；21-涡轮蜗杆减速器

具体实施方式

1、传动机构的设计

如图7所示，主动轴的输入端连接蜗轮蜗杆减速器21的输出端，为了简化控制系统，在减速器的输入端接入步进电动机20，蜗轮蜗杆减速器21具有自锁功能。

为了达到巡检的目的，机器人的行走速度不能过快，必须保证传感器可以有效的检测到现场设备的工作状况，并且能够在发现问题时快速作出反应。

2、行走机构的设计

如图3所示，监控机器人的行走机构包括圆柱形连接杆2、主动轴自由端轴承座7、上支架8、菱形轴承座9、主动轮10(见图5-1)、主动轴11。

巡检机器人的两个行走机构构成了机器人的两个臂膀，保证了机器人在行走时不会前后摇摆；同时在主动轮10的下方配有两个预紧轮13，预紧轮13通过下方预紧弹簧4给钢丝绳18一个向上的预紧力，使得主动轮10与预紧轮13紧紧的包着钢丝绳18，保证机器人在横向上不会有太大的摇摆，进而提高传感器21对环境的巡检效率。

如图6所示，圆柱形连接杆2通过两端面的两个螺纹孔分别与机器人模块搭载框架1和上支架8相连；圆柱形连接杆2与下支架导向套14形成圆柱副，引导下支架上下移动，并通过矩形导向槽16和安装在下支架导向套销孔中的圆柱销配合，消除下支架5横向旋转。

预紧弹簧4与圆柱形连接杆2通过螺纹连接，旋转预紧弹簧调节螺母3可以调节预紧弹簧4，从而调节预紧轮13对钢丝绳18的预紧力；菱形轴承座9和主动轴自由端轴承座7通过螺栓连接在上支架8上，且他们的内外圈连接均为球形副，具有一定的调心功能，在此可以降低对两轴承孔同轴度的要求；过障导杆6通过螺栓连接在下支架5上方，预紧轮13通过一个螺栓与一段轴套共同连接在过障导杆1上，构成主要的过障结构，以此为基础完成机器人的过障；主动轮10通过轴间、平键和卡簧连接在主动轴11上。

3、过障机构设计

如图2所示，过障机构包括过障导杆6、预紧轮13(见图5-2)、下支架5、导向套14、预紧弹簧4、弹簧调节螺母3、销孔15、导向槽16。过障过程主要由过障导杆6、预紧弹簧4和悬线导杆19配合完成。

过障导杆6通过螺栓连接在下支架3上方，预紧轮13通过一个螺栓与一段轴套共同连接在过障导杆6上，连接上支架5和模块搭载框架1的连接杆2和导向套14以圆柱副配合，导向套上的销孔15与开在连接杆2上的导向槽16通过一个带有螺纹的圆柱销配合，消除下支架5在横向上的旋转。

过障过程主要由过障导杆6、预紧弹簧4和悬线导杆19配合完成。一般情况下，预紧轮13与主动轮10紧密的接触着钢丝绳18。当过障时，首先过障导杆6与悬线导杆19接触，在惯性力和主动轮驱动力分力的作用下，过障导杆6被悬线导杆19压下，致使预紧轮13与钢丝绳18分离，悬线导杆19接触到过障导杆6的最顶端时，预紧轮13下降到最低高度，之后预紧轮13向上运动，回到与钢丝绳18接触的高度并给钢丝绳一个预紧力，以此方法通过悬线导杆19，具体过程见图8。

4、监控机器人主体设计

如图1和图4所示，监控机器人主体包括模块搭载框架1、防爆电池12、防爆箱17及防爆箱内的控制电路和各种传感器模块(如：瓦斯浓度传感器、一氧化碳传感器、湿度传感器等)。

模块搭载框架1采用抽屉式设计，可以在框架中搭载防爆电池12和防爆箱17。模块搭载框架1与连接杆2和下支架5均以两条螺栓连接，使得两机构之间及以上部件不会发生旋转。

连接杆2的底部设计有两个圆形螺孔，模块搭载框架1上开有两组与连接杆2底部的圆形螺纹孔配合的圆孔，通过螺栓将接有连接杆2的行走机构与模块搭载框架1连接在一起。防爆电池12和防爆箱17在装进去之后通过侧面加设的预紧螺栓将其紧固在模块搭载框架1中。防爆采用分格式布局，且内部分隔挡板不与防爆箱后板连在一起，为内部电路线路连接提供空间。

Claims (9)

1.一种井下巷道悬线巡检防爆机器人，其特征是包括悬线巡检机器人主体、过障机构和行走机构，所述过障机构包括过障导杆(6)、预紧轮(13)、下支架(5)、导向套(14)、预紧弹簧(4)、预紧弹簧调节螺母(3)、销孔(15)和导向槽(16)；所述行走机构包括圆柱形连接杆(2)、主动轴自由端轴承座(7)、上支架(8)、菱形轴承座(9)、主动轮(10)、主动轴(11)；所述巡检机器人主体包括模块搭载框(1)、防爆电池(12)、防爆箱(17)、防爆箱内的控制电路和各种传感器模块；

其中上支架(8)和下支架(5)为两个相互配合的U型结构，通过这两个U型结构的交互移动，完成机器人的行走、越障及上下坡动作；

过障导杆(6)通过螺栓连接在下支架(5)上方，预紧轮(13)通过一个螺栓与一段轴套共同连接在过障导杆(6)上；

下支架(5)上的导向套(14)为下支架上下移动提供引导，并在导向套(14)的侧面开设有销孔(15)，在下支架(5)上方设有两个圆孔；

上支架(8)一侧通过螺纹孔连接主动轴自由端轴承座(7)，另一侧开设圆孔使主动轴(11)的输入端伸出，并在圆孔的周围开设螺纹孔，安装菱形轴承座(9)和减速器(21)；

所述圆柱形连接杆(2)一端开设有螺纹，两端面均设有两个螺纹孔，侧面开设有矩形导向槽(16)，螺纹与过障机构的预紧弹簧调节螺母(3)配合，完成对预紧弹簧(4)预紧力的调节；

预紧弹簧(4)与圆柱形连接杆(2)通过螺纹连接，在主动轮(10)的下方配有两个预紧轮(13)，主动轮(10)通过轴间、平键和卡簧连接在主动轴(11)上；

圆柱形连接杆(2)通过两端面的两个螺纹孔分别与机器人模块搭载框架(1)和上支架(8)相连；圆柱形连接杆(2)与下支架导向套(14)形成圆柱副，引导下支架(5)上下移动，并通过矩形导向槽(16)和安装在下支架导向套销孔中的圆柱销配合，消除下支架(5)横向旋转；

在模块搭载框架(1)上面板的两端分别开设有两个圆孔，使模块搭载框架(1)和圆柱形连接杆(2)连在一起。

2.如权利要求1所述的井下巷道悬线巡检防爆机器人，其特征是所述行走机构的主动轴(11)为五阶阶梯轴，主动轴中部与主动轮(10)连接的一阶开有键槽，通过平键连接主动轮(10)。

3.如权利要求1所述的井下巷道悬线巡检防爆机器人，其特征是所述行走机构采用一前一后布置在模块搭载框架(1)上，防止机器人在行走时前后摇摆。

4.如权利要求1所述的井下巷道悬线巡检防爆机器人，其特征是所述预紧轮(13)通过下方预紧弹簧(4)为主动轮(10)和钢丝绳(18)以及预紧轮(13)和钢丝绳(18)之间提供预紧力，依靠摩擦减小机器人在行走时的侧摆现象。

5.如权利要求1所述的井下巷道悬线巡检防爆机器人，其特征是所述主动轮(10)带150°圆弧槽，所述预紧轮(13)带160°圆弧槽，以便预紧轮和主动轮之间不会出现干涉。

6.如权利要求1所述的井下巷道悬线巡检防爆机器人，其特征是所述过障导杆(6)为一弧形杆件，帮助机器人顺利通过障碍，通过其下方的螺纹孔固定在下支架(5)上。

7.如权利要求1所述的井下巷道悬线巡检防爆机器人，其特征是所述防爆箱(17)内部采用分割式布局，可以加装各种控制电路和传感器模块。

8.如权利要求1所述的井下巷道悬线巡检防爆机器人，其特征是所述模块搭载框架(1)采用推拉式架构，方便防爆电池(12)和防爆箱(17)的安装。

9.如权利要求1所述的井下巷道悬线巡检防爆机器人，其特征是所述机器人能够在预架设的巷道顶部的钢丝绳(18)上自由移动。