CN107600199A - 一种腿轮履复合式钻孔救援探测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种腿轮履复合式钻孔救援探测机器人，包括机器人本体、变胞并联机械腿、履带行走机构、保护轮支撑装置、变胞轮履转换机构；变胞并联机械腿安装在机器人本体的前方，其定平台与机器人本体前端固连；履带行走机构为两条布置在机器人本体的左右两侧的主履带；机器人顶端前部和后部安装有保护轮支撑装置，机器人底部后端布置有变胞轮履转换机构。本发明的探测机器人在整个探测过程中能够利用变胞结构以轮式行走方式通过狭小的探测管道，对探测管道出口和周围环境进行探测；之后可以利用履带式行走机构来保持较强的地形适应性，继续行进，并利用变胞并联机械腿辅助机器人越障和调整姿态，扩大环境信息采集范围。

Description

一种腿轮履复合式钻孔救援探测机器人

技术领域

本发明属于移动机器人技术领域，具体涉及一种腿轮履复合式钻孔救援探测机器人。

背景技术

瓦斯爆炸、冒顶垮塌、透水、粉尘、火灾是矿山井下开采作业的五大“杀手”，对工作人员的生命常常造成严重威胁。钻孔救援是一种井下应急救援的新方式，主要包括两个阶段，第一阶段是小口径钻孔探测，第二阶段是大口径钻孔救援，小口径钻孔后井下信息的探测是钻孔救援的关键。目前的钻孔救援技术中，信息探测仪器缺乏移动行走能力，仅能获取井下孔口附近信息，搜索范围小，救援效率低；若采用探测机器人，令其穿过探测孔，快速可靠地进入事故现场，大范围进行信息探测，能够有效减少钻孔数量、赢得救援时间，对提升钻孔救援的效率和可靠性具有极其重要的意义。

复合式移动机器人可以在不同的地形条件下采用不同的行走模式，从而提高机器人的地形适应能力，主要形式有轮履式、轮腿式、腿履式或轮腿履式等。目前复合式移动机器人大多由于结构和尺寸的限制，无法适应管道行走条件；而管道机器人虽然能够顺利通过管道，但离开管道后很难适应复杂的地面环境，越障能力和稳定性都比较差。

发明内容

为了解决上述技术不足，提高机器人的地形适应能力，增大仪器的探测范围，本发明提供了一种腿轮履复合式钻孔救援探测机器人。该机器人以轮式行走方式通过狭小的探测管道，对探测管道和出口周围环境进行探测；之后可以利用履带式行走机构来保持较强的地形适应性，在井下地面行走，并利用变胞并联机械腿辅助机器人越障和调整姿态，通过探测管道后可以利用履带式行走机构或轮式行走机构扩大所带仪器的信息采集范围。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种腿轮履复合式钻孔救援探测机器人，包括机器人本体、安装在机器人本体顶部的保护轮支撑装置和设置在机器人本体的左右两侧的履带行走机构；所述机器人本体的前方安装有变胞并联机械腿，机器人本体的后方安装有变胞轮履转换机构；保护轮支撑装置上分别设有前支撑轮和后支撑轮；

所述履带行走机构通过安装在机器人本体的驱动电机驱动带动机器人本体在探测孔中行走实现差速转向；变胞并联机械腿通过支撑轮在探测孔中支撑，变胞轮履转换机构通过安装在机器人本体上的行走电机驱动带动的行走轮在探测孔中支撑行走实现差速转向；保护轮支撑装置中的前支撑轮和后支撑轮用于在探测孔中将机器人本体支撑在探测孔内壁。

作为优选，所述履带行走机构包括对称分布在机器人本体左右两侧的左履带和右履带，在机器人本体前部一侧设有驱动电机驱动轴连接的一对主履带驱动轮，在机器人本体后部设有支撑轴连接的一对主履带从动轮，以及在机器人本体侧部的履带支撑小轮，主履带驱动轮和主履带从动轮通过主履带连接。

作为优选，所述变胞并联机械腿包括连接在机器人本体上的定平台，定平台上设有相互平行设置的第一支链和第二支链，第一支链和第二支链上分别设有转动副支链，定平台上还设有与第一支链和第二支链相垂直分布的第三支链，第三支链上设有移动副支链，通过两个转动副支链和一个移动副支链连接有动平台，动平台上设有支撑轮。

进一步，所述第一支链和第二支链的转动副支链均为可转轴线转动副，但在变化中两轴线保持相互平行，垂直于移动副的轴线，且转动副轴线旋转所形成的平面始终与定平台保持垂直；第三支链的转动副轴线垂直于所连接的两移动副的轴线，且与第一支链和第二支链的转动副轴线始终垂直。

进一步，变胞并联机械腿的三条支链的转动副支链和移动副支链为各支链上与定平台连接的移动副，与三条支链的移动副相连的驱动部件为直线气缸、液压缸、电推杆或者电缸。

作为优选，所述保护轮支撑装置包括固定在机器人本体的顶部的前后支撑轮架，前支撑轮数量为两个，按一定夹角装在支撑轮架上；后支撑轮数量为一个或两个，若后支撑轮数量为一个，则竖直地安装在支撑轮架上，若后支撑轮数量为两个，则按照与两个前支撑轮以同样的夹角安装在支撑轮架上。

进一步，两个前支撑轮之间的夹角根据探测孔径需要通过支撑轮架进行调整，使得两个前支撑轮的轮底面与探测孔的孔壁平面相接。

作为优选，所述变胞轮履转换机构包括两个平行排列的行走轮、行走电机、变胞支撑机构和两套变胞连杆机构；

所述变胞支撑机构包括在机器人本体内相互对接的前U形板和后U形板，在前U形板和后U形板上通过横杆连接变胞连杆机构中的拨杆连接有一对固定板；一对固定板连接横杆连接块，横杆连接块连接一转换驱动部件；

所述两套变胞连杆机构包括由横杆滑动连接的一对拨杆，一对拨杆铰接一对固定板，一对固定板通过一对连杆连接一对支撑杆，一对支撑杆连接一行走电机，行走电机的输出端连接一对行走轮。

进一步，所述拨杆的一端与横杆末端通过滑槽连接，拨杆的另一端与支撑杆的滑槽通过销钉铰接，而拨杆的中部与后U形板铰接；所述限位螺钉设在前U形板两侧。

进一步，所述变胞轮履转换机构的转换驱动部件为直线气缸、液压缸、电推杆或者电缸。

本发明的效果是：钻孔救援探测机器人在狭长的探测孔道内，伸出变胞并联机械腿的支撑轮和变胞轮履转换机构的行走轮，与保护轮支撑装置共同保证机器人本体不会触碰探测孔，并利用轮式行走机构通过孔道。在穿过探测孔到达地面时，可以根据地面情况采用轮式或履带式行走，也可以采用变胞并联机械腿辅助履带行走机构共同行走，这样可以提高机器人的地形适应能力，扩大所带仪器的探测范围。

本发明具有如下优点：

1.本发明的钻孔救援探测机器人融合了腿式机构越障能力强、轮式机构速度快、履带式机构通过性能好等优点，采用变胞机构实现运动模式的顺利切换。

2.本发明的钻孔救援探测机器人在探测孔道内能够利用前端变胞并联机械腿和变胞轮履转换机构实现轮式行走，并将机器人支撑在探测孔道内壁，具有良好的运动稳定性。

3.本发明的钻孔救援探测机器人在通过探测孔道后，可以根据地形环境情况切换运动模式。在平坦路面下可以利用轮式行走机构继续前进；当地面环境情况较为复杂时，机器人采用履带行走模式前进，变胞并联机械腿此时可以辅助机器人越障，使机器人具有很好的地形适应能力。

附图说明

图1是腿轮履复合式钻孔救援探测机器人正面轴测图；

图2是腿轮履复合式钻孔救援探测机器人背面轴测图；

图3是腿轮履复合式钻孔救援探测机器人正视图；

图4是腿轮履复合式钻孔救援探测机器人后视图；

图5是变胞并联机械腿三维结构示意图；

图6是变胞轮履转换机构三维结构示意图；

图7是腿轮履复合式钻孔救援探测机器人俯视图；

图8是腿轮履复合式钻孔救援探测机器人侧面剖视图。

附图标记说明：

1、变胞并联机械腿；2、履带行走机构；3、保护轮支撑装置；4、变胞轮履转换机构；5、机器人本体；6、定平台；1-1、支撑轮；1-2、动平台；1-3、定平台；1-4、第一支链；1-5、第二支链；1-6、第三支链；2-1、主履带；2-2、主履带驱动轮；2-3、驱动电机；2-4、驱动轴；2-5、主履带从动轮；2-6、支撑轴；2-7、履带支撑小轮；3-1、前支撑轮；3-2、后支撑轮；3-3、支撑轮架；4-1、行走轮；4-2、前U形板；4-3、后U形板；4-4、转换驱动部件；4-5、横杆连接块；4-6、横杆；4-7、固定板；4-8、连杆；4-9、拨杆；4-10、支撑杆；4-11、限位螺钉；4-12、行走电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

如图1和图2所示，本发明腿轮履复合式钻孔救援探测机器人，包括变胞并联机械腿1、履带行走机构2、保护轮支撑装置3、变胞轮履转换机构4、机器人本体5。变胞并联机械腿1安装在机器人本体5的前方，其定平台6与机器人本体5前端固连；履带行走机构2包括左履带和右履带，设置在机器人本体5的左右两侧；保护轮支撑装置3安装在机器人本体5顶部，变胞轮履转换机构4安装在机器人本体5后端。

图1结合图3所示，保护轮支撑装置3上分别设有前支撑轮3-1和后支撑轮3-2；履带行走机构2通过安装在机器人本体5的驱动电机2-3驱动带动机器人本体5在探测孔中行走；变胞并联机械腿1通过支撑轮1-1在探测孔中支撑，变胞轮履转换机构4通过安装在机器人本体5上的行走电机4-12驱动带动的行走轮4-1在探测孔中支撑行走；保护轮支撑装置3中的前支撑轮3-1和后支撑轮3-2用于在探测孔中将机器人本体5支撑在探测孔内壁。

如图7所示，履带行走机构2包括主履带2-1，主履带驱动轮2-2、驱动电机2-3、驱动轴2-4、主履带从动轮2-5、支撑轴2-6和履带支撑小轮2-7。左履带和右履带在机器人本体5左右两侧对称分布。驱动电机2-3安装在机器人本体5前部一侧，通过驱动电机2-3驱动轴2-4连接一对主履带驱动轮2-2，驱动轴2-4一端与驱动电机2-3输出轴相连接，另一端与主履带驱动轮2-2相连接；在机器人本体5后部设有支撑轴2-6连接的一对主履带从动轮2-5，以及在机器人本体5侧部的履带支撑小轮2-7，主履带驱动轮2-2和主履带从动轮2-5通过主履带2-1连接。支撑轴2-6安装在机器人本体5上，另一端与主履带从动轮2-5和履带支撑小轮2-7相连接，保证主履带2-1与地面的接触，防止变形。

如图3结合图5所示，变胞并联机械腿1包括支撑轮1-1、动平台1-2、定平台1-3和三条连接两平台的支链，定平台1-3和动平台1-2呈等腰三角形。定平台1-3连接在机器人本体5上，定平台1-3上设有相互平行设置的第一支链1-4和第二支链1-5，第一支链1-4和第二支链1-5结构相同，为含有可转轴线转动副(rR)的PrRS支链；定平台1-3上还设有与第一支链1-4和第二支链1-5相垂直分布的第三支链1-6，第三支链1-6为PR(P)S支链，其中的移动副(P)可以根据需要打开或锁定。通过两个转动副支链和一个移动副支链连接动平台1-2，动平台1-2上设有支撑轮1-1，与动平台1-2固定连接。上述的第一支链1-4和第二支链1-5的转动副均为可转轴线转动副，但在变化中两轴线保持相互平行，垂直于移动副的轴线，并转动副轴线旋转所形成的平面始终与定平台1-3保持垂直；第三支链1-6的转动副轴线垂直于所连接的两移动副的轴线，且与第一支链1-4和第二支链1-5的转动副轴线始终垂直。

变胞并联机械腿1的三条支链的转动副支链和移动副支链为各支链上与定平台1-3连接的移动副，与三条支链的移动副相连的驱动部件为直线气缸、液压缸、电推杆或者电缸。

其中，保护轮支撑装置3包括前支撑轮3-1、后支撑轮3-2和支撑轮架3-3，支撑轮架3-3固定在机器人本体5的顶部，它可以防止机器人在探测孔道内行走时，顶部和孔发生干涉。前后支撑轮架3-3固定在机器人本体5的顶部，前支撑轮3-1数量为两个，按一定夹角装在支撑轮架3-3上；后支撑轮3-2数量为一个或两个，若后支撑轮3-2数量为一个，则竖直地安装在支撑轮架3-3上，若后支撑轮3-2数量为两个，则按照与两个前支撑轮3-1以同样的夹角安装在支撑轮架3-3上。两个前支撑轮3-1之间的夹角根据探测孔径需要，通过支撑轮架3-3进行调整，使得两个前支撑轮3-1的轮底面与探测孔的孔壁平面相接。

如图6、图7、图8所示，变胞轮履转换机构4包括两个平行排列的行走轮4-1、行走电机4-12和变胞支撑机构。变胞支撑机构包括前U形板4-2、后U形板4-3、转换驱动部件4-4、横杆连接块4-5、横杆4-6、固定板4-7以及两套由连杆4-8、拨杆4-9、支撑杆4-10和限位螺钉4-11组成的变胞连杆机构。前U形板4-2和后U形板4-3固定在机器人本体5的内的相互对接，在前U形板4-2内设有由横杆4-6连接的一对拨杆4-9，一对拨杆4-9分别连接一对固定板4-7；一对固定板4-7连接一横杆连接块4-5，横杆连接块4-5连接一转换驱动部件4-4；一对拨杆4-9铰接有一对固定板4-7，一对固定板4-7通过一对连杆4-8连接一对支撑杆4-10，一对支撑杆4-10连接一行走电机4-12，行走电机4-12的输出端连接一对行走轮4-1。

其中，前U形板4-2、后U形板4-3都固定在机器人本体5内部、限位螺钉4-11固定在前U形板4-2上，而连杆4-8和机器人本体5、连杆4-8和支撑杆4-10、拨杆4-9和机器人本体5、拨杆4-9和支撑杆4-10之间均为铰接。固定板4-7和拨杆4-9中都设有滑槽，横杆4-6末端插入槽中，可以在其中滑动。连杆4-8一端和后U形板4-3铰接，一端和支撑杆4-10铰接；拨杆4-9的一端和横杆4-6末端用滑槽连接，另一端和支撑杆4-10的滑槽用销铰接，而中部与后U形板4-3铰接。拨杆4-9、连杆4-8、支撑杆4-10和后U形板4-3构成平面变胞四杆机构。

变胞轮履转换机构4的转换驱动部件4-4为直线气缸、液压缸、电推杆或者电缸。

如图3、图4所示，机器人在探测孔中时，当变胞并联机械腿1中支撑轮1-1和变胞轮履转换机构4的支撑轮4-1放下时，与两个前支撑轮3-1、后支撑轮3-2构成支撑轮组，将机器人支撑在探测孔内壁，便于机器人在探测孔内通过轮式移动机构行进，防止卡阻，顺利通过探测孔。

如图5所示，变胞并联机械腿1三个分支的转动副沿各自水平移动轨道移动时，能够实现动平台1-2的一个移动自由度和两个转动自由度，此时通过与动平台连接的支撑轮1-1进行支撑。当第一支链1-4和第二支链1-5中转动副(rR)发生轴线旋转时，变胞并联机械腿1的动平台1-2移动和转动自由度方向会发生变化，此时支撑轮1-1向上伸出，使得机器人的主履带2-1与地面接触。

如图6所示，拨杆4-9、连杆4-8、支撑杆4-10和后U形板4-3构成平面变胞四杆机构。连杆4-8一端和后U形板4-3铰接，一端和支撑杆4-10铰接；拨杆4-9的一端和横杆4-6末端用滑槽连接，另一端和支撑杆4-10的滑槽用销钉铰接，而中部与后U形板4-3铰接。当拨杆4-9在横杆4-6的带动下转动时，平面四杆机构变形，连杆绕着车体上的铰接点转动，同时带动支撑杆4-10和行走轮4-1上移。当连杆转动至某位置时，由于限位螺钉4-11的作用，无法继续转动。但此时拨杆4-9还在横杆4-6的带动下继续转动，于是支撑杆4-10会在拨杆4-9的作用下继续转动，引起行走轮4-1上翘，从而实现了轮式运动模式向履带式的转换。行走电机4-12固定在支撑杆4-10上，行走电机4-12的输出端连接行走轮4-1。

机器人下放到探测孔下孔口后，利用摄像机对周围情况进行观测，确认周围地形条件较好时，可以下放到地面，此时，变胞并联机械腿1中支撑轮1-1向上伸出、变胞轮履转换机构4的行走轮4-1向上收回，机器人利用履带行走机构2进行行走，具有很好的机动性能。并且，变胞并联机械腿1可以通过构态变化在机器人越障时进行支撑，提高机器人越障能力。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种腿轮履复合式钻孔救援探测机器人，其特征在于，包括机器人本体(5)、安装在机器人本体(5)顶部的保护轮支撑装置(3)和设置在机器人本体(5)的左右两侧的履带行走机构(2)；所述机器人本体(5)的前方安装有变胞并联机械腿(1)，机器人本体(5)的后方安装有变胞轮履转换机构(4)；保护轮支撑装置(3)上分别设有前支撑轮(3-1)和后支撑轮(3-2)；

所述履带行走机构(2)通过安装在机器人本体(5)的驱动电机(2-3)驱动带动机器人本体(5)在探测孔中行走实现差速转向；变胞并联机械腿(1)通过支撑轮(1-1)在探测孔中支撑，变胞轮履转换机构(4)通过安装在机器人本体(5)上的行走电机(4-12)驱动带动的行走轮(4-1)在探测孔中支撑行走实现差速转向；保护轮支撑装置(3)中的前支撑轮(3-1)和后支撑轮(3-2)用于在探测孔中将机器人本体(5)支撑在探测孔内壁。

2.根据权利要求1所述的腿轮履复合式钻孔救援探测机器人，其特征在于，所述履带行走机构(2)包括对称分布在机器人本体(5)左右两侧的左履带和右履带，在机器人本体(5)前部一侧设有驱动电机(2-3)驱动轴(2-4)连接的一对主履带驱动轮(2-2)，在机器人本体(5)后部设有支撑轴(2-6)连接的一对主履带从动轮(2-5)，以及在机器人本体(5)侧部的履带支撑小轮(2-7)，主履带驱动轮(2-2)和主履带从动轮(2-5)通过主履带(2-1)连接。

3.根据权利要求1所述的腿轮履复合式钻孔救援探测机器人，其特征在于，所述变胞并联机械腿(1)包括连接在机器人本体(5)上的定平台(1-3)，定平台(1-3)上设有相互平行设置的第一支链(1-4)和第二支链(1-5)，第一支链(1-4)和第二支链(1-5)上分别设有转动副支链，定平台(1-3)上还设有与第一支链(1-4)和第二支链(1-5)相垂直分布的第三支链(1-6)，第三支链(1-6)上设有移动副支链，通过两个转动副支链和一个移动副支链连接有动平台(1-2)，动平台(1-2)上设有支撑轮(1-1)。

4.根据权利要求3所述的腿轮履复合式钻孔救援探测机器人，其特征在于，所述第一支链(1-4)和第二支链(1-5)的转动副支链均为可转轴线转动副，但在变化中两轴线保持相互平行，垂直于移动副的轴线，且转动副轴线旋转所形成的平面始终与定平台(1-3)保持垂直；第三支链(1-6)的转动副轴线垂直于所连接的两移动副的轴线，且与第一支链(1-4)和第二支链(1-5)的转动副轴线始终垂直。

5.根据权利要求3所述的腿轮履复合式钻孔救援探测机器人，其特征在于，变胞并联机械腿(1)的三条支链的转动副支链和移动副支链为各支链上与定平台(1-3)连接的移动副，与三条支链的移动副相连的驱动部件为直线气缸、液压缸、电推杆或者电缸。

6.根据权利要求1所述的腿轮履复合式钻孔救援探测机器人，其特征在于，所述保护轮支撑装置(3)包括固定在机器人本体(5)的顶部的前后支撑轮架(3-3)，前支撑轮(3-1)数量为两个，按一定夹角装在支撑轮架(3-3)上；后支撑轮(3-2)数量为一个或两个，若后支撑轮(3-2)数量为一个，则竖直地安装在支撑轮架(3-3)上，若后支撑轮(3-2)数量为两个，则按照与两个前支撑轮(3-1)以同样的夹角安装在支撑轮架(3-3)上。

7.根据权利要求6所述的腿轮履复合式钻孔救援探测机器人，其特征在于，两个前支撑轮(3-1)之间的夹角根据探测孔径需要，通过支撑轮架(3-3)进行调整，使得两个前支撑轮(3-1)的轮底面与探测孔的孔壁平面相接。

8.根据权利要求1所述的腿轮履复合式钻孔救援探测机器人，其特征在于，所述变胞轮履转换机构(4)包括两个平行排列的行走轮(4-1)、行走电机(4-12)、变胞支撑机构和两套变胞连杆机构；

所述变胞支撑机构包括在机器人本体(5)内相互对接的前U形板(4-2)和后U形板(4-3)，在前U形板(4-2)和后U形板(4-3)上通过横杆(4-6)连接变胞连杆机构中的拨杆(4-9)连接有一对固定板(4-7)；一对固定板(4-7)连接横杆连接块(4-5)，横杆连接块(4-5)连接一转换驱动部件(4-4)；

所述两套变胞连杆机构包括由横杆(4-6)滑动连接的一对拨杆(4-9)，一对拨杆(4-9)铰接一对固定板(4-7)，一对固定板(4-7)通过一对连杆(4-8)连接一对支撑杆(4-10)，一对支撑杆(4-10)连接一行走电机(4-12)，行走电机(4-12)的输出端连接一对行走轮(4-1)。

9.根据权利要求8所述的腿轮履复合式钻孔救援探测机器人，其特征在于，所述拨杆(4-9)的一端与横杆(4-6)末端通过滑槽连接，拨杆(4-9)的另一端与支撑杆(4-10)的滑槽通过销钉铰接，而拨杆(4-9)的中部与后U形板(4-3)铰接；所述限位螺钉(4-11)设在前U形板(4-2)两侧。

10.根据权利要求8所述的腿轮履复合式钻孔救援探测机器人，其特征在于：所述变胞轮履转换机构(4)的转换驱动部件(4-4)为直线气缸、液压缸、电推杆或者电缸。