CN106823188B - 一种深井自动探测救援机器人及救援方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种通过能力强、救援及时、可适应井内复杂环境的深井自动探测救援机器人及救援方法。所述的机器人包括探路体，探路体的通孔内穿过救援绳，救援绳上还挂设多个救援体，探路体的底端分别设置探路器、第一处理器，红外热成像仪、海拔高度计、摄像头、救援机构；救援体内设置无线路由器、第二处理器；探路体负责探路定位、现场施救，救援体负责现场辅助施救及快速上升，机器人体积紧凑，通过能力强；探路体的下降时绘制第一类深井地图、第二类深井地图有利于提高救援体、探路体的下降及上升速度；深井中有水时，探路体的轮毂电机保证其下降速度，救援体的电梯式升降驱动机构保证其下降速度，环境适应性强。

Description

一种深井自动探测救援机器人及救援方法

技术领域

本发明涉及深井救援技术领域，特别涉及一种深井自动探测救援机器人及救援方法。

背景技术

在我们的生活环境中存在着大量各种不同用途的孔、洞，如废弃机井、矿井、探井、管道、建筑基桩孔、排污深井等。由于各种原因使人或物意外落入其中的事件时有发生，而目前的救援方式仍需要用绳索吊起施救人员，施救人员深入井下寻找待救人员，由于这一类井、孔大多直径较小空气流通较差甚至含有毒气体使得施救人员的救援危险和难度都很大，甚至会导致施救人员昏迷，而有的孔洞过于狭小，施救人员难以进入。

为了克服现有救援方式的不足，已有相应的发明，例如CN201010032458.7中所述的一种小直径深井救援器，该方案包括1个定管，1个动管，1个护板开合调节管，1个托板，2个护板，3个直流电机其中一个为动管升降电机、一个为托板摆动电机、一个为护板开合电机，3个观察摄像头，3个照明灯，1套语音通话器，1根通气软管，1个12V直流便携式气泵(或氧气瓶)，1个12V便携式直流电源，1台小型笔记本电脑及相应的电器控制开关和连接电缆线等；该装置可以实现施救人员在地面上通过小直径深井救援器对井下被困对象实施救援，避免了让施救人员直接进入深井，且救援器的尺寸可以适应较狭窄孔洞。但是该发明存在以下问题：

1.该救援器下降过程是由现场人员操作，而很多孔、洞并不是垂直设置，而是存在斜度或弧度，且井内无光照，能见度很低，这种情况下为了避免磕碰，救援器下降的速度往往很慢，而当救援器抓住待救人员向上运动时，一般是在井口拉拽绳索将救援器拉起，同样需要注意救援器上方的地理环境，导致救援器上升速度缓慢，而深井救援的一个非常重要的问题就是施救时间短，施救速度决定了施救效果，因此该救援器实际使用过程中的施救效果不甚理想。

2.该救援器上设置了多种装置，导致其重量、体积较大，难以实现小型化、轻量化，尤其是为了维持待救人员的生命而携带的氧气瓶或气泵体积往往很大，进一步导致救援器升降速度降低。

3.该救援器下降至一定深度后，可能会因为与地面之间的距离过远而导致无法传输信号，这种情况下救援器无法使用，且无法收回。

4.若在深井中遇到沿深井截面横向突出的障碍物，该救援器无法躲避绕行，适用范围有限。

专利CN201610102781.4中所述的基于Wifi的井下机器人通信控制系统，该系统在多跳Wifi网络技术的基础上，提出了新的临时Wifi网络的建设方法，可使井下机器人的无线通信距离随机器人的行进而不断增长，保证井下机器人与控制设备的通信。解决了在矿井内的原有无线通信系统无法使用的情况下，井下机器人与控制设备的无线通信距离有限的问题。该专利解决了机器人井下救援时的通信问题，但是仍未解决救援速度、救援器躲避障碍物等问题。

专利CN201610384423.7中所述的一种井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法，该设备包括无人飞行器携带测距模块，能够在巷道中自动巡航飞行，飞行过程中测距模块将所有经过的巷道断面的点都进行测距，再结合多种传感器的数据，将这些测距结果通过配套软件生成巷道的高精度三维点云图，进一步将点云图进行网格化处理，最终得到巷道的高精度三维模型。该发明利用激光测距能够获得极高的精度且不受光线条件的影响；该方案可以实现井下巷道断面建模，但是由于采用飞行器，对于井内复杂环境难以适应，遇到障碍物无法躲避，且该设备只能实现建模，无法开展救援工作，也未解决如何提高救援速度的问题。

以上几种救援方式都只能对枯井进行救援或探测，无法对深井中有水存在的情况开展救援或探测。

发明内容

针对上述问题，本发明目的是提供一种通过能力强、救援及时、可适应井内复杂环境的深井自动探测救援机器人及救援方法。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种深井自动探测救援机器人，所述的机器人包括水平设置的椭圆球壳形探路体，探路体上、沿其竖直方向轴线同轴设置的通孔内穿过救援绳，探路体与救援绳之间分别设置可使探路体沿救援绳升降的电梯式升降驱动机构，以及可使探路体相对于救援绳旋转的旋转驱动装置；所述的电梯式升降驱动机构包括升降电机，升降电机输出端依次与离合器、减速器、滑轮连接，滑轮与救援绳紧贴且可沿救援绳滑动，滑轮上还设置制动装置；

所述救援绳的另一端伸出井口并缠绕在支架的绕线滚轴上，绕线滚轴与带有离合器的绕线电机的输出端连接，绕线电机安装在支架上；所述的救援绳上还挂设多个球壳形救援体，救援体位于探路体上方，所述的探路体与救援体之间、相邻救援体之间设置自动连接/分离机构；

所述探路体的底端分别设置探路器、第一处理器，红外热成像仪、海拔高度计、摄像头，以及用于固定待救人员的救援机构；探路体上还携带多个可与探路体自动分离的无线路由器，路由器上设置的电动式卡钩可以与救援绳构成可拆卸式连接；

所述的救援体上、沿其竖直方向轴线同轴设置的通孔内设置可使救援体沿救援绳升降的电梯式升降驱动机构；救援体内还设置无线路由器、第二处理器；所述的第一处理器、第二处理器通过各自的无线路由器通信，所述的第一处理器、第二处理器还可以通过各自的无线路由器与远程监控台上设置的第三处理器通信；

所述救援体的球半径尺寸小于或等于探路体的水平面截面上其短轴尺寸。

优选的，所述探路体的外侧面上、沿竖直方向设置两排水平环形排列的支腿组，每排支腿组包括多个可自动伸缩的折叠式支腿，支腿收缩进探路体后，不突出探路体的外表面；位于探路体外侧面下方的一排支腿向探路体的下方外侧倾斜设置，位于探路体外侧面上方的一排支腿向探路体的上方外侧倾斜设置；所述支腿的外端设置驱动轮，驱动轮内设置轮毂电机及用于制动驱动轮的制动器，驱动轮表面与井壁接触；所述探路体沿水平面的截面中其椭圆形长轴附近的支腿完全伸展后的长度小于其椭圆形短轴附近设置的支腿完全伸展后的长度。

优选的，所述的救援机构包括探路体底部设置的双臂机械手，双臂机械手上相应位置设置颈部固定机械手。

优选的，所述的支腿为多个支杆两两首尾相互铰接形成的W式波浪状结构，支腿上设置可使多个支杆收缩成W式波浪结构或展开成一个接近长直杆结构的支腿驱动装置，所述支杆为电动式或电动液压式可伸缩杆，所述的驱动轮与支腿连接处设置压力传感器。

优选的，所述的探路体上还设置有毒气体检测器；所述的救援体的壳体内携带氧气瓶、有毒气体中和罐。

根据上述任意一种深井自动探测救援机器人的救援方法，所述的救援方法依次包括探路定位、现场施救、快速上升；

所述的探路定位步骤包括释放探路体、绘制地图、释放救援体、定位；

所述的释放探路体步骤为：将携带有探路体、救援体的支架摆放在井口附近，使探路体位于井口正上方；探路体上的电梯式升降驱动机构保持制动状态，使探路体与救援绳连为一体；远程监控台控制绕线电机，缓慢释放救援绳，探路体与救援绳一起进入井口一定深度后，远程监控台停止释放救援绳；

探路器、摄像头分别采集探路体下方一定距离处的多个深井截面图，所述的深井截面图为与探路体运动方向呈90°的井壁截面轮廓形状，第一处理器对比探路器、摄像头各自采集的深井截面图，将两个深井截面图中井壁截面轮廓更大的一个记为第一类深井截面图，另一个记为第二类深井截面图；然后选择离探路体下端面最近的一个第一类深井截面图计算多个支腿的伸展距离D及伸展时间T，同时实时控制支腿驱动装置使支腿伸展，当压力传感器检测到驱动轮与井壁接触并达到一定压力后，支腿停止伸展；

当第一处理器检测到探路体相对的两个侧面上各自至少有2个支腿的压力传感器发送的压力值达到预期，则控制绕线电机的离合器分离，与绕线转轴脱开；压力值达到预期的驱动轮上的轮毂电机运动，使探路体、救援绳共同以速度V1向下运动；

所述的V1的计算方法为：第一处理器根据与探路体最接近的一个第一类深井截面图计算出多个支腿的伸展距离D及伸展时间T，根据多个伸展时间T中的最大值计算出探路体向下运动至该深井截面处的最大速度，该最大速度即为V1；

所述的绘制地图步骤为：释放探路体步骤中，探路器、摄像头按照一定频率向第一处理器发送探路体下方一定距离处的多个第一类深井截面图、第二类深井截面图，海拔高度计按照时间顺序、将深度h分别标记在第一类深井截面图、第二类深井截面图中，第一处理器提取出第一类深井截面图、第二类深井截面图的轮廓尺寸，以探路体的椭圆球心的运动轨迹为扫描线，分别以第一类深井截面图、第二类深井截面图的轮廓尺寸为截面，以多截面扫略方式绘制出两个三维模型，与第一类深井截面图对应的三维模型记为第一类深井地图，与第二类深井截面图相对应的三维模型记为第二类深井地图；第一处理器分别在第一类深井地图、第二类深井地图中标记救援绳的位置；第一处理器实时通过无线路由器向其上方的一个或多个救援体、远程监控台发送第一类深井地图、第二类深井地图；

所述的释放救援体步骤为：探路体以速度V1下降一定深度后，支架上设置的多个救援体按照一定的间隔时间依次释放，使救援体与探路体之间、相邻救援体之间的距离保持在一定范围之内；释放时首先让救援体控制其上的电梯式升降驱动机构的离合器接合，然后使救援体脱离支架，升降电机驱动滑轮滚动，从而带动救援体相对于救援绳以相对下降速度V2运动，此时救援体的绝对速度为V1+V2；

所述的救援体下降过程中，第二处理器根据V1、第二类深井地图实时调整V2，使救援体与探路体之间的距离、相邻救援体之间的安全距离始终保持在一定范围之内；所述的救援体下降过程中，通过其上设置的无线路由器实时向其上方的一个或多个救援体、远程监控台发送第一类深井地图、第二类深井地图；

所述的定位步骤为：当探路体上设置的红外热成像仪探测到下方有待救人员时，探路体运动到待救人员上方一定距离后停止下降，并发出定位信号，其上方的多个救援体收到定位信号后以最大速度V3向下运动至探路体附近并与探路体自动连接成串联结构；所述的V3为救援体根据探路体传递的第二类深井地图计算出的最大下降速度，当第二处理器计算出第二类深井地图其中一段无相应障碍物，则救援体的最大下降速度V3为自由落体速度；多个救援体下降过程中第二处理器实时调整V3，使相邻救援体之间的安全距离始终保持在一定范围之内；

所述的探路定位步骤中，探路体向下运动时，若其与上方的最近的一个救援体之间的通信信号强度降低到一个阀值以下，或者探路体与远程监控台之间的通信信号强度降低到一个阀值以下，则探路体在该时刻分离一个路由器，分离的路由器固定在救援绳上，探路体继续向下运动时通过固定在救援绳上的路由器与救援体或远程监控台通信；

所述的现场施救步骤为：探路体到达待救人员上方附近后，第一处理器分析红外热成像仪、摄像头传递的待救人员轮廓参数，识别出待救人员的躯干位置、胳膊位置、面部位置，探路体根据待救人员的躯干位置、胳膊位置控制多轴式双臂机械手环抱在待救人员腋下部位；

救援体到达后与探路体构成串联结构，并向待救人员面部位置附近投放氧气瓶、有毒气体中和罐；探路体、救援体上设置的升降驱动机构同时动作，带动待救人员缓慢向上运动一定距离，当待救人员双脚离地后，双臂机械手上设置的颈部固定机械手将待救人员的颈部靠紧；然后由红外热成像仪、摄像头采集待救人员的外轮廓参数并传递给第一处理器；

所述的快速上升步骤为：绕线电机的离合器结合，使绕线电机与绕线转轴连接，第一处理器根据第二类深井地图、待救人员的外轮廓参数计算出安全上升路径及最大安全上升速度V4，所述的安全上升路径为待救人员上升时第一处理器实时控制旋转驱动装置、支腿以保证待救人员的外轮廓不与第二类深井地图的轮廓发生干涉的路径；所述的V4包括绕线电机旋转使救援绳上升的速度V5，以及探路体、救援体相对于救援绳(3)向上运动的速度V6；

探路体、救援体将待救人员按照安全上升路径、以最大上升速度V4向上运动至井口，救援结束。

优选的，所述的探路定位步骤中，若第一处理器判断探路体下方的第一类深井地图中出现沿深井截面方向突出的障碍物，则第一处理器控制旋转驱动装置，使探路体沿救援绳旋转一定角度后继续下降，若探路体旋转角度后仍无法通过，则第一处理器控制位于探路体下方的一排支腿中，靠近障碍物一侧的多个支腿伸长，远离障碍物一侧的多个支腿缩短；位于上方的一排支腿中，与下方相应伸长的支腿位于同一侧的缩短，与下方相应缩短的支腿位于同一侧的伸长；使探路体相对于水平面倾斜并通过障碍物；若下方没有继续出现障碍物，则探路体恢复水平姿势继续下降。

优选的，所述的探路定位步骤中，有毒气体检测器实时检测深井中的有毒气体成分及含量，第一处理器将有毒气体成分及含量标记在深井地图中，同时将该信息分别传递给救援体、远程监控台；所述的探路定位步骤中，救援体下降至第二类深井地图中标示的有毒气体含量较高的区域时，打开其上设置的有毒气体中和罐进行有毒气体中和；当第一处理器判断第二类深井中存在有毒气体中和罐无法处理的有毒气体，则向远程监控台发送报警信号。

优选的，所述探路体的底面设置水压传感器，所述的探路定位步骤中，第一处理器采集水压传感器发送的压力信号，当第一处理器判断探路体进入了水中，则控制探路体上的轮毂电机由减速状态变为驱动状态，并将水位信息标记在第二类深井地图中，救援体在入水前，提前一定时间将其上的电梯式升降驱动机构由减速状态变为驱动状态。

优选的，所述的现场施救步骤中，双臂机械手环抱待救人员后，远程监控台控制绕线电机的离合器接合并启动绕线电机，使救援绳上升带动待救人员以速度V5缓慢上升，当待救人员双脚离地后，双臂机械手上设置的颈部固定机械手将待救人员的颈部靠紧；当多个救援体下降并与探路体串联后，所述的探路体、救援体相对于救援绳以速度V6上升，此时待救人员的上升速度仍为V4。

本发明的有益效果在于：本发明将井下救援划分为探路定位、现场施救、快速上升步骤；救援机器人由探路体、救援体组成，探路体主要负责探路定位、现场施救，救援体负责现场辅助施救及快速上升，救援机器人各部分分段设计，体积紧凑，适合狭小空间救援，通过能力强。探路体的下降时绘制第一类深井地图、第二类深井地图有利于提高救援体、探路体的下降速度，同时提高上升速度。快速上升步骤中，救援体及探路体可相对于救援绳上升，提高上升速度，有效减小拉拽救援绳的绕线电机的功率和体积，使机器人便于携带。当深井中有水时，探路体的轮毂电机保证其下降速度，救援体的电梯式升降驱动机构保证其下降速度；使机器人可以满足水下救援，环境适应性强。

附图说明

图1为机器人电路系统原理图；

图2为探路体外侧的支腿与井壁接触正视图；

图3为图2中A-A剖视图；

图4为探路定位步骤中释放探路体示意图；

图5为探路定位步骤中释放救援体示意图；

图6为探路定位步骤中探路体绕过障碍物示意图；

图7为快速上升步骤中救援机构动作示意图；

图8为机器人进行救援的救援方法流程图。

具体实施方式

如图1-图6所示的一种深井自动探测救援机器人，包括水平设置的椭圆球壳形探路体1，探路体1上、沿其竖直方向的轴线同轴设置的通孔内穿过救援绳3，探路体1与救援绳3之间分别设置可使探路体1沿救援绳3升降的电梯式升降驱动机构5，以及可使探路体1相对于救援绳3旋转的旋转驱动装置110；所述的电梯式升降驱动机构5包括安装在探路体1壳体内的升降电机，升降电机输出端依次与离合器、减速器、滑轮连接，滑轮与救援绳3紧贴且可沿救援绳3滑动，滑轮上还设置制动装置；

所述的旋转驱动装置110可以是在探路体1上、沿其竖直方向轴线的通孔内设置齿圈，在救援绳3上设置可相对于救援绳3滑动但不能旋转的齿轮，齿轮与齿圈配合，则使用一个电机驱动齿圈旋转即可实现探路体1相对于救援绳3旋转；也可以是探路体1上、沿其竖直方向轴线的通孔与一个滚动轴承外圈连接，滚动轴承内圈套在救援绳3上，滚动轴承内圈可相对于救援绳3滑动但不能旋转，同样可以实现探路体1相对于救援绳3旋转，为了更好的控制探路体1的旋转方向，救援绳3为防旋转式绳索。

所述救援绳3的另一端伸出井口并缠绕在支架8的绕线滚轴上，绕线滚轴与带有离合器的绕线电机81的输出端连接，绕线电机81安装在支架8上；绕线电机81可与远程监控台9通信，由第三处理器91进行控制，也可以将绕线电机81单独与带有控制功能的单片机或微型处理器连接；所述的救援绳3上还挂设多个球壳形救援体2，救援体2位于探路体1上方，所述的探路体1与救援体2之间、相邻救援体2之间设置可自动连接/分离机构，该自动连接/分离机构可以是分别在探路体1上端面、救援体2的上端面及下端面设置电磁铁，通过控制电磁铁是否带电来实现自动连接/分离，也可以是在探路体1的上端面、救援体2的上端面及下端面分别设置挂环与电动式挂钩，通过控制挂环与电动挂钩实现自动连接/分离。

所述探路体1底端的外壳部分由透明材料制作而成，可以是透明树脂复合材料，也可以是透明PVC塑料材料，也可以是其他具有一定强度的透明复合材料，探路体1底面内侧分别设置探路器111、第一处理器112，红外热成像仪113、海拔高度计117、摄像头118，探路体1底面上还设置用于固定待救人员的救援机构6，救援机构6可以伸缩进探路体1的壳体内，这样可以使探路体1具有防水功能；所述的探路器111可以是超声波式探路器，也可以是激光式探路器，也可以是其他方式的探路器。

所述的探路体1上还携带多个可自动分离的无线路由器7，可以是电磁铁式自动分离结构，也可以是挂环与电动挂钩式自动分离结构，也可以是其他方式的自动分离结构；路由器7上设置的电动式卡钩可以与救援绳3构成可拆卸式连接，路由器7外包裹防水罩，实现防水功能。

所述的救援体2上、沿其竖直方向的轴线同轴设置的通孔内设置可使救援体2沿救援绳3升降的电梯式升降驱动机构5；救援体2的壳体内还设置无线路由器7、第二处理器211；所述的第一处理器112、第二处理器211通过各自的无线路由器7相互通信，所述的第一处理器112、第二处理器211还可以通过各自的无线路由器7与远程监控台9上设置的第三处理器91通信。

探路体1不用携带氧气瓶，其体积可以大大减小，可以更快下降，所述探路体1的外形为椭圆球形，可以有效减小其横截面尺寸，当遇到障碍物时，探路体1可以旋转一定角度绕过障碍物，提高其通过性能；为了保证探路体1顺利下降，其水平面内的椭圆球截面轮廓小于我国第5百分位成年女子肩膀处横截面轮廓，为了保证救援体2顺利下降，救援体2的球半径尺寸小于或等于探路体1椭圆球截面轮廓的短轴尺寸。

所述探路体1的外侧面上、沿竖直方向设置两排水平环形排列的支腿组，每排支腿组包括多个可自动伸缩的折叠式支腿12，支腿12收缩进探路体1后，不突出探路体1的外表面；位于探路体1外侧面下方的一排支腿12向探路体1的下方外侧倾斜设置，位于探路体1外侧面上方的一排支腿12向探路体1的上方外侧倾斜设置；所述的支腿12的外端设置驱动轮，驱动轮内设置轮毂电机及用于制动驱动轮的制动器，所述的驱动轮表面与井壁接触；所述的驱动轮与支腿连接处设置压力传感器119。

所述的支腿12为多个支杆121两两首尾相互铰接形成的W式波浪状结构，支腿12上设置可使多个支杆121收缩成W式波浪结构或展开成一个接近长直杆结构的支腿驱动装置122，支腿驱动装置122可以是一个液压泵，支杆121作为一个液压活塞杆，在支杆121内设置液压管道，支杆121相互铰接处设置一个液压旋转阀件，液压泵工作时即可实现支腿12的收缩或伸展；支腿驱动装置122也可以是多个支杆121相互铰接的铰接点处设置驱动电机，使支腿12成为电动式多轴机械手，铰接点处设置驱动电机动作实现支腿12的收缩或伸展。

所述支杆121为电动式或电动液压式可伸缩杆，当支腿12由W式的波浪形状展开成长直杆形状后，支杆121本身的长度变化，可以进一步延长支腿12展开后的长度。

由于深井的截面类似于圆形，而为了提高探路体1的通过能力，其形状为椭圆球壳形，因此更好的实施方式是：沿水平截面，所述探路体1椭圆形长轴附近的支腿12完全伸展后的长度小于其椭圆形短轴附近设置的支腿12完全伸展后的长度，这样可以有效减小探路体1的重量。

所述的救援机构6包括探路体1底部设置的多轴式双臂机械手61，双臂机械手61上相应位置设置颈部固定机械手62。

所述的探路体1上还设置有毒气体检测器114；所述的救援体2的壳体内携带氧气瓶115、有毒气体中和罐116。

如图8所示的，根据上述任意一种深井自动探测救援机器人，进行救援的方法依次包括探路定位、现场施救、快速上升；

所述的探路定位步骤包括释放探路体、绘制地图、释放救援体、定位；

所述的释放探路体步骤为：将携带有探路体1、救援体2的支架8摆放在井口附近，将救援绳3的一端依次穿过多个救援体2、探路体1，使探路体1位于井口正上方，同时暂时将救援体2与支架8连接，可以是支架8上设置卡箍，也可以是支架8上设置拉绳；此时探路体1上的电梯式升降驱动机构5保持制动状态，使探路体1与救援绳3连为一体；救援体2上的电梯式升降驱动机构5的制动装置不动作而离合器分离，使救援体2可相对于救援绳3滑动。

远程监控台9的第三处理器91控制绕线电机81旋转，缓慢释放救援绳3，探路体1与救援绳3一起进入井口一定深度后，远程监控台9停止释放救援绳3；

探路器111、摄像头118分别采集探路体1下方一定距离处的多个深井截面图，所述的深井截面图为与探路体1运动方向呈90。的井壁截面轮廓形状，第一处理器112对比探路器111、摄像头118各自采集的深井截面图，将两个深井截面图中井壁截面轮廓更大的一个记为第一类深井截面图，另一个记为第二类深井截面图；然后选择离探路体1下端面最近的一个第一类深井截面图计算多个支腿12伸展开、使支腿12的驱动轮与该第一类深井截面图中的井壁紧贴的伸展距离D及伸展时间T，同时实时控制支腿驱动装置122使支腿12伸展，当压力传感器119检测到驱动轮与井壁接触并达到一定压力后，支腿12停止伸展，此时驱动轮上轮毂电机的制动器保持制动状态；当第一处理器112检测到探路体1相对的两个侧面上各自至少有2个支腿12的压力传感器119发送的压力值达到预期，则控制绕线电机81的离合器分离，与绕线转轴脱开；同时压力值达到预期的驱动轮上轮毂电机的制动器减小制动力，使探路体1、救援绳3共同以速度V1向下运动；

所述的V1的计算方法为：第一处理器112根据与探路体1最接近的一个第一类深井截面图计算出多个支腿12的伸展距离D及伸展时间T，根据多个伸展时间T中的最大值计算出探路体1向下运动至该深井截面处的最大速度，该最大速度即为V1；

当深井内没有水时，探路体1主要依靠其重力下降，轮毂电机主要作用是作为缓速器以保持探路体1下降速度稳定；当深井内有水时，探路体1依靠轮毂电机产生驱动力下降，以保证探路体1的下降速度。

所述的绘制地图步骤为：释放探路体步骤中，探路器111、摄像头118按照一定频率向第一处理器112发送探路体1下方一定距离处的多个第一类深井截面图、第二类深井截面图，海拔高度计117按照时间顺序、将深度h分别标记在第一类深井截面图、第二类深井截面图中，第一处理器112提取出第一类深井截面图、第二类深井截面图的轮廓尺寸，以探路体1的椭圆球心的运动轨迹为扫描线，分别以第一类深井截面图、第二类深井截面图的轮廓尺寸为截面，以多截面扫略方式绘制出两个三维模型，与第一类深井截面图对应的三维模型记为第一类深井地图，与第二类深井截面图相对应的三维模型记为第二类深井地图；第一处理器112实时通过无线路由器7向其上方的一个或多个救援体2、远程监控台9发送第一类深井地图、第二类深井地图；

所述的释放救援体步骤为：探路体1以速度V1下降一定深度后，支架8上设置的多个救援体2按照一定的间隔时间依次释放，使救援体2与探路体1之间、相邻救援体2之间的距离保持在一定范围之内；释放时首先让救援体2控制其上的电梯式升降驱动机构5的离合器接合，然后使救援体2脱离支架8，升降电机驱动滑轮滚动，从而带动救援体2相对于救援绳3以相对下降速度V2运动，此时救援体2的绝对速度为V1+V2；当深井中没有水时，救援体2上的电梯式升降驱动机构5主要起减速作用，当深井中有水时，救援体2依靠电梯式升降驱动机构5向下运动，以保证下降速度。

所述的救援体2下降过程中，第二处理器211根据V1、第二类深井地图实时计算并调整V2，使救援体2与探路体1之间的距离、相邻救援体2之间的安全距离始终保持在一定范围之内；所述的救援体2下降过程中，通过其上设置的无线路由器7实时向其上方的一个或多个救援体2、远程监控台9发送第一类深井地图、第二类深井地图；

所述的定位步骤为：当探路体1上设置的红外热成像仪113探测到下方有待救人员时，探路体1运动到待救人员上方一定距离后停止运动，并发出定位信号，其上方的多个救援体2收到定位信号后以最大速度V3向下运动至探路体1附近并与探路体1自动连接成串联结构；所述的V3为救援体2根据探路体1传递的第二类深井地图计算出的最大下降速度，多个救援体2下降过程中实时调整V3，使相邻救援体2之间的安全距离始终保持在一定范围之内。

如图7所示的，所述的现场施救步骤为：探路体1到达待救人员上方附近后，第一处理器112分析红外热成像仪113、摄像头118传递的待救人员轮廓参数，识别出待救人员的躯干位置、胳膊位置、面部位置，探路体1根据待救人员的躯干位置、胳膊位置控制多轴式双臂机械手61环抱在待救人员腋下部位；

如果待救人员处于枯井中，则救援体2到达后立即向待救人员面部位置附近投放氧气瓶115、有毒气体中和罐116，使氧气和中和气体在待救援人周围扩散；如果待救人员处于水中溺水状态，则救援体2不进行投放。

多个救援体2到达并与探路体1构成串联结构后，探路体1、救援体2上设置的升降驱动机构5同时动作，带动待救人员缓慢向上运动一定距离，当待救人员双脚离地后，双臂机械手61上设置的颈部固定机械手62将待救人员的颈部靠紧；然后由红外热成像仪113、摄像头118采集待救人员的外轮廓参数并传递给第一处理器112；

所述的快速上升步骤为：第一处理器112给第三处理器91发送请求信号，第三处理器91控制绕线电机81的离合器结合，使绕线电机81与绕线转轴连接，第一处理器112根据第二类深井地图、待救人员的外轮廓参数计算出安全上升路径及最大安全上升速度V4，所述的安全上升路径为待救人员上升时第一处理器112实时控制旋转驱动装置110、支腿12以保证待救人员的外轮廓不与第二类深井地图的轮廓发生干涉的路径；所述的V4为绕线电机81旋转使救援绳3上升的速度V5以及探路体1、救援体2相对于救援绳3向上运动的速度V6之和，即V4＝V5+V6；

探路体1、救援体2将待救人员按照安全上升路径、以最大上升速度V4向上运动至井口，救援结束。

为了加快救援体2的下降速度，更好的实施方式是：所述的探路定位步骤中，当救援体2以最大下降速度V3下降时，第二处理器211计算出第二类深井地图其中一段无相应障碍物，则救援体2的最大下降速度V3为自由落体速度。

为了使探路体1具有绕过障碍物的能力，更好的实施方式是：所述的探路定位步骤中，若第一处理器112判断探路体1下方的第一类深井地图中出现沿深井截面方向的障碍物，则第一处理器112控制旋转驱动装置110，使探路体1沿救援绳3旋转一定角度后继续下降，若探路体1旋转角度后仍无法通过，则第一处理器112控制位于探路体1下方的一排支腿12中，靠近障碍物一侧的多个支腿12伸长，远离障碍物一侧的多个支腿12缩短；位于上方的一排支腿12中，与下方相应伸长的支腿12位于同一侧的缩短，与下方相应缩短的支腿12位于同一侧的伸长；使探路体1相对于水平面倾斜并通过障碍物；若下方没有继续出现障碍物，则探路体1恢复水平姿势继续下降。

为了更方便的进行施救，更好的实施方式是：所述的探路定位步骤中，有毒气体检测器114实时检测深井中的有毒气体成分及含量，第一处理器112将有毒气体成分及含量标记在第二类深井地图中，同时将该信息分别传递给救援体2、远程监控台9；所述的探路定位步骤中，救援体2下降至第二类深井地图中标示的有毒气体含量较高的区域时，打开其内设置的有毒气体中和罐的放气阀进行有毒气体中和；当第一处理器112判断深井中存在有毒气体中和罐116无法处理的有毒气体，则向远程监控台9发送报警信号，此时位于井口附近的救援人员可以将一个携带有可以中和所有有毒气体的救援体2再次投放入井内，再次投放的救援体2可以在相应位置对未中和的有毒气体进行再次中和，以保证待救人员在上升的过程中不会因有毒气体受到二次伤害。

为了保证通信连接，更好的实施方式是：所述的探路定位步骤中，探路体1向下运动时，若其与上方最近的一个救援体2之间的通信信号强度降低到一个阀值以下，或者探路体1与远程监控台9之间的通信信号强度降低到一个阀值以下，则探路体1在该时刻分离一个路由器7，分离的路由器7固定在救援绳3上，探路体1继续向下运动时通过固定在救援绳3上的路由器7与救援体2或远程监控台9通信。

为了提高救援速度，更好的实施方式是：所述的现场施救步骤中，双臂机械手61环抱待救人员后，远程监控台9控制绕线电机81的离合器接合并启动绕线电机81，使救援绳3上升带动待救人员以速度V5缓慢上升，当待救人员双脚离地后，双臂机械手61上设置的颈部固定机械手62将待救人员的颈部靠紧；当多个救援体2下降并与探路体1串联后，所述的探路体1、救援体2相对于救援绳3以速度V6上升，此时待救人员的上升速度仍为V4。这样可以提前将待救人员上升一定距离，提高救援效果。

为了使探路体1、救援体2适应深井上半段无水，下半段有水的情况，提高下降速度，更好的实施方式是：所述探路体1的底面设置水压传感器109，所述的探路定位步骤中，第一处理器112采集水压传感器109发送的压力信号，当第一处理器112判断探路体1进入了水中，则控制探路体1上的轮毂电机由减速状态变为驱动状态，并将水位信息标记在第二类深井地图中，这样救援体2也可以在入水前，提前一定时间将其上的电梯式升降驱动机构5由减速状态变为驱动状态，提高下降速度。

本发明将井下救援划分为探路定位、现场施救、快速上升步骤；救援机器人由探路体、救援体组成，探路体主要负责探路定位、现场施救，救援体负责现场辅助施救及快速上升，救援机器人各部分分段设计，体积紧凑，适合狭小空间救援，通过能力强。探路体下降时绘制第一类深井地图、第二类深井地图有利于提高救援体、探路体下降速度，同时提高回收时待救人员上升速度。

待救人员上升时，救援体2及探路体1可相对于救援绳3上升，提高待救人员上升速度，有效减小拉拽救援绳3的绕线电机的功率和体积，使机器人便于携带。当深井中有水时，探路体1的轮毂电机保证其下降速度，救援体2的电梯式升降驱动机构5保证其下降速度；使机器人可以满足水下救援，环境适应性强。

Claims (8)

1.一种深井自动探测救援机器人，其特征在于：所述的机器人包括水平设置的椭圆球壳形探路体（1），探路体（1）上、沿其竖直方向轴线同轴设置的通孔内穿过救援绳（3），探路体（1）与救援绳（3）之间分别设置可使探路体（1）沿救援绳（3）升降的电梯式升降驱动机构（5），以及可使探路体（1）相对于救援绳（3）旋转的旋转驱动装置（110）；所述的电梯式升降驱动机构（5）包括升降电机，升降电机输出端依次与离合器、减速器、滑轮连接，滑轮与救援绳（3）紧贴且可沿救援绳（3）滑动，滑轮上还设置制动装置；

所述救援绳（3）的另一端伸出井口并缠绕在支架（8）的绕线滚轴上，绕线滚轴与带有离合器的绕线电机（81）的输出端连接，绕线电机（81）安装在支架（8）上；所述的救援绳（3）上还挂设多个球壳形救援体（2），救援体（2）位于探路体（1）上方，所述的探路体（1）与救援体（2）之间、相邻救援体（2）之间设置自动连接/分离机构；

所述探路体（1）的底端分别设置探路器（111）、第一处理器（112），红外热成像仪（113）、海拔高度计（117）、摄像头（118），以及用于固定待救人员的救援机构（6）；探路体（1）上还携带多个可与探路体（1）自动分离的无线路由器（7），路由器（7）上设置的电动式卡钩可以与救援绳（3）构成可拆卸式连接；

所述的救援体（2）上、沿其竖直方向轴线同轴设置的通孔内设置可使救援体（2）沿救援绳（3）升降的电梯式升降驱动机构（5）；救援体（2）内还设置无线路由器（7）、第二处理器（211）；所述的第一处理器（112）、第二处理器（211）通过各自的无线路由器（7）通信，所述的第一处理器（112）、第二处理器（211）还可以通过各自的无线路由器（7）与远程监控台（9）上设置的第三处理器（91）通信；

所述救援体（2）的球半径尺寸小于或等于探路体（1）的水平面截面上其短轴尺寸；

所述的救援机构（6）包括探路体（1）底部设置的双臂机械手（61），双臂机械手（61）上相应位置设置颈部固定机械手（62）；

所述的探路体（1）上还设置有毒气体检测器（114）；所述的救援体（2）的壳体内携带氧气瓶（115）、有毒气体中和罐（116）。

2.根据权利要求1所述的一种深井自动探测救援机器人，其特征在于：所述探路体（1）的外侧面上、沿竖直方向设置两排水平环形排列的支腿组，每排支腿组包括多个可自动伸缩的折叠式支腿（12），支腿（12）收缩进探路体（1）后，不突出探路体（1）的外表面；位于探路体（1）外侧面下方的一排支腿（12）向探路体（1）的下方外侧倾斜设置，位于探路体（1）外侧面上方的一排支腿（12）向探路体（1）的上方外侧倾斜设置；所述支腿（12）的外端设置驱动轮，驱动轮内设置轮毂电机及用于制动驱动轮的制动器，驱动轮表面与井壁接触；所述探路体（1）沿水平面的截面中其椭圆形长轴附近的支腿（12）完全伸展后的长度小于其椭圆形短轴附近设置的支腿（12）完全伸展后的长度。

3.根据权利要求2所述的一种深井自动探测救援机器人，其特征在于：所述的支腿（12）为多个支杆（121）两两首尾相互铰接形成的W式波浪状结构，支腿（12）上设置可使多个支杆（121）收缩成W式波浪结构或展开成一个接近长直杆结构的支腿驱动装置（122），所述支杆（121）为电动式或电动液压式可伸缩杆，所述的驱动轮与支腿（12）连接处设置压力传感器（119）。

4.根据权利要求1至权利要求3中任意一项权利要求所述的一种深井自动探测救援机器人的救援方法，其特征在于：所述的救援方法依次包括探路定位、现场施救、快速上升；

所述的探路定位步骤包括释放探路体、绘制地图、释放救援体、定位；

所述的释放探路体步骤为：将携带有探路体（1）、救援体（2）的支架（8）摆放在井口附近，使探路体（1）位于井口正上方；探路体（1）上的电梯式升降驱动机构（5）保持制动状态，使探路体（1）与救援绳（3）连为一体；远程监控台（9）控制绕线电机（81），缓慢释放救援绳（3），探路体（1）与救援绳（3）一起进入井口一定深度后，远程监控台（9）停止释放救援绳（3）；

探路器（111）、摄像头（118）分别采集探路体（1）下方一定距离处的多个深井截面图，所述的深井截面图为与探路体（1）运动方向呈90°的井壁截面轮廓形状，第一处理器（112）对比探路器（111）、摄像头（118）各自采集的深井截面图，将两个深井截面图中井壁截面轮廓更大的一个记为第一类深井截面图，另一个记为第二类深井截面图；然后选择离探路体（1）下端面最近的一个第一类深井截面图计算多个支腿（12）的伸展距离D及伸展时间T，同时实时控制支腿驱动装置（122）使支腿（12）伸展，当压力传感器（119）检测到驱动轮与井壁接触并达到一定压力后，支腿（12）停止伸展；

当第一处理器（112）检测到探路体（1）相对的两个侧面上各自至少有2个支腿（12）的压力传感器（119）发送的压力值达到预期，则控制绕线电机（81）的离合器分离，与绕线转轴脱开；压力值达到预期的驱动轮上的轮毂电机运动，使探路体（1）、救援绳（3）共同以速度V1向下运动；

所述的V1的计算方法为：第一处理器（112）根据与探路体（1）最接近的一个第一类深井截面图计算出多个支腿（12）的伸展距离D及伸展时间T，根据多个伸展时间T中的最大值计算出探路体（1）向下运动至该深井截面处的最大速度，该最大速度即为V1；

所述的绘制地图步骤为：释放探路体步骤中，探路器（111）、摄像头（118）按照一定频率向第一处理器（112）发送探路体（1）下方一定距离处的多个第一类深井截面图、第二类深井截面图，海拔高度计（117）按照时间顺序、将深度h分别标记在第一类深井截面图、第二类深井截面图中，第一处理器（112）提取出第一类深井截面图、第二类深井截面图的轮廓尺寸，以探路体（1）的椭圆球心的运动轨迹为扫描线，分别以第一类深井截面图、第二类深井截面图的轮廓尺寸为截面，以多截面扫略方式绘制出两个三维模型，与第一类深井截面图对应的三维模型记为第一类深井地图，与第二类深井截面图相对应的三维模型记为第二类深井地图；第一处理器（112）分别在第一类深井地图、第二类深井地图中标记救援绳（3）的位置；第一处理器（112）实时通过无线路由器（7）向其上方的一个或多个救援体（2）、远程监控台（9）发送第一类深井地图、第二类深井地图；

所述的释放救援体步骤为：探路体（1）以速度V1下降一定深度后，支架（8）上设置的多个救援体（2）按照一定的间隔时间依次释放，使救援体（2）与探路体（1）之间、相邻救援体（2）之间的距离保持在一定范围之内；释放时首先让救援体（2）控制其上的电梯式升降驱动机构（5）的离合器接合，然后使救援体（2）脱离支架（8），升降电机驱动滑轮滚动，从而带动救援体（2）相对于救援绳（3）以相对下降速度V2运动，此时救援体（2）的绝对速度为V1+V2；

所述的救援体（2）下降过程中，第二处理器（211）根据V1、第二类深井地图实时调整V2，使救援体（2）与探路体（1）之间的距离、相邻救援体（2）之间的安全距离始终保持在一定范围之内；所述的救援体（2）下降过程中，通过其上设置的无线路由器（7）实时向其上方的一个或多个救援体（2）、远程监控台（9）发送第一类深井地图、第二类深井地图；

所述的定位步骤为：当探路体（1）上设置的红外热成像仪（113）探测到下方有待救人员时，探路体（1）运动到待救人员上方一定距离后停止下降，并发出定位信号，其上方的多个救援体（2）收到定位信号后以最大速度V3向下运动至探路体（1）附近并与探路体（1）自动连接成串联结构；所述的V3为救援体（2）根据探路体（1）传递的第二类深井地图计算出的最大下降速度，当第二处理器（211）计算出第二类深井地图其中一段无相应障碍物，则救援体（2）的最大下降速度V3为自由落体速度；多个救援体（2）下降过程中第二处理器（211）实时调整V3，使相邻救援体（2）之间的安全距离始终保持在一定范围之内；

所述的探路定位步骤中，探路体（1）向下运动时，若其与上方的最近的一个救援体（2）之间的通信信号强度降低到一个阀值以下，或者探路体（1）与远程监控台（9）之间的通信信号强度降低到一个阀值以下，则探路体（1）在该时刻分离一个路由器（7），分离的路由器（7）固定在救援绳（3）上，探路体（1）继续向下运动时通过固定在救援绳（3）上的路由器（7）与救援体（2）或远程监控台（9）通信；

所述的现场施救步骤为：探路体（1）到达待救人员上方附近后，第一处理器（112）分析红外热成像仪（113）、摄像头（118）传递的待救人员轮廓参数，识别出待救人员的躯干位置、胳膊位置、面部位置，探路体（1）根据待救人员的躯干位置、胳膊位置控制多轴式双臂机械手（61）环抱在待救人员腋下部位；

救援体（2）到达后与探路体（1）构成串联结构，并向待救人员面部位置附近投放氧气瓶（115）、有毒气体中和罐（116）；探路体（1）、救援体（2）上设置的升降驱动机构（5）同时动作，带动待救人员缓慢向上运动一定距离，当待救人员双脚离地后，双臂机械手（61）上设置的颈部固定机械手（62）将待救人员的颈部靠紧；然后由红外热成像仪（113）、摄像头（118）采集待救人员的外轮廓参数并传递给第一处理器（112）；

所述的快速上升步骤为：绕线电机（81）的离合器结合，使绕线电机（81）与绕线转轴连接，第一处理器（112）根据第二类深井地图、待救人员的外轮廓参数计算出安全上升路径及最大安全上升速度V4，所述的安全上升路径为待救人员上升时第一处理器（112）实时控制旋转驱动装置（110）、支腿（12）以保证待救人员的外轮廓不与第二类深井地图的轮廓发生干涉的路径；所述的V4包括绕线电机（81）旋转使救援绳（3）上升的速度V5，以及探路体（1）、救援体（2）相对于救援绳（3）向上运动的速度V6；

探路体（1）、救援体（2）与待救人员按照安全上升路径、以最大上升速度V4向上运动至井口，救援结束。

5.根据权利要求4所述一种深井自动探测救援机器人的救援方法，其特征在于：所述的探路定位步骤中，若第一处理器（112）判断探路体（1）下方的第一类深井地图中出现沿深井截面方向突出的障碍物，则第一处理器（112）控制旋转驱动装置（110），使探路体（1）沿救援绳（3）旋转一定角度后继续下降，若探路体（1）旋转角度后仍无法通过，则第一处理器（112）控制位于探路体（1）下方的一排支腿（12）中，靠近障碍物一侧的多个支腿（12）伸长，远离障碍物一侧的多个支腿（12）缩短；位于上方的一排支腿（12）中，与下方相应伸长的支腿（12）位于同一侧的缩短，与下方相应缩短的支腿（12）位于同一侧的伸长；使探路体（1）相对于水平面倾斜并通过障碍物；若下方没有继续出现障碍物，则探路体（1）恢复水平姿势继续下降。

6.根据权利要求4所述一种深井自动探测救援机器人的救援方法，其特征在于：所述的探路定位步骤中，有毒气体检测器（114）实时检测深井中的有毒气体成分及含量，第一处理器（112）将有毒气体成分及含量标记在第二类深井地图中，同时将该信息分别传递给救援体（2）、远程监控台（9）；所述的探路定位步骤中，救援体（2）下降至第二类深井地图中标示的有毒气体含量较高的区域时，打开其上设置的有毒气体中和罐进行有毒气体中和；当第一处理器（112）判断深井中存在有毒气体中和罐（116）无法处理的有毒气体，则向远程监控台（9）发送报警信号。

7.根据权利要求4所述一种深井自动探测救援机器人的救援方法，其特征在于：所述探路体（1）的底面设置水压传感器（109），所述的探路定位步骤中，第一处理器（112）采集水压传感器（109）发送的压力信号，当第一处理器（112）判断探路体（1）进入了水中，则控制探路体（1）上的轮毂电机由减速状态变为驱动状态，并将水位信息标记在第二类深井地图中，救援体（2）在入水前，提前一定时间将其上的电梯式升降驱动机构（5）由减速状态变为驱动状态。

8.根据权利要求4所述一种深井自动探测救援机器人的救援方法，其特征在于：所述的现场施救步骤中，双臂机械手（61）环抱待救人员后，远程监控台（9）控制绕线电机（81）的离合器接合并启动绕线电机（81），使救援绳（3）上升带动待救人员以速度V5缓慢上升，当待救人员双脚离地后，双臂机械手（61）上设置的颈部固定机械手（62）将待救人员的颈部靠紧；当多个救援体（2）下降并与探路体（1）串联后，所述的探路体（1）、救援体（2）相对于救援绳（3）以速度V6上升，此时待救人员的上升速度仍为V4。

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