CN107718012A - 一种用于地下矿井探测机器人的三维扫描仪平衡调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于地下矿井探测机器人的三维扫描仪平衡调节装置，包括支架(1)，所述支架(1)上安装有陀螺仪(4)、三维扫描仪安装架(5)、用于调节三维扫描仪安装架(5)的X轴方向姿态的X轴姿态调节机构以及用于调节三维扫描仪安装架(5)的Y轴方向姿态的Y轴姿态调节机构，所述探测机器人内设有PLC控制器，所述陀螺仪(4)、X轴姿态调节机构和Y轴姿态调节机构均与所述PLC控制器电连接。该三维扫描仪平衡调节装置调节方便、结构简单可靠，适用于在情况复杂的地下矿井中对三维扫描仪的姿态进行调节。

Description

一种用于地下矿井探测机器人的三维扫描仪平衡调节装置

技术领域

本发明涉及地下矿井探测技术领域，具体涉及一种用于地下矿井探测机器人的三维扫描仪平衡调节装置。

背景技术

近年来，我国经济蓬勃发展，全方位的经济建设对矿产资源产生了极大的需求。采矿行业规模迅速扩大，但却多数大而不精。以煤炭开采为例，我国的煤炭开采有九成左右都是通过简单粗犷的工人井下开采。而地下矿井里面，地质情况复杂，瓦斯爆炸、垮塌、透水等灾难频发，对采矿工人的生命安全造成了极大的威胁。

随着国内经济形势的发展以及国内外采矿技术的进步，越来越多的采矿企业开始寻求技术转型，逐渐引入高科技的装备技术已成为趋势。其中，地下矿井探测机器人成为深入危险区域进行探测、取样、救援等工作的得力助手。

地下矿井探测机器人是一种以履带车为底盘，在底盘上加装各种传感器、通信元件、机械臂等装置，使其在地面人员的控制下，可在地下无人矿井中完成不同的探测任务的车辆。然而，现有的地下矿井探测机器人上安装的传感器多是温度、气体、湿度等传感器以及摄像头机械臂等装置。这些装置多是与车体底盘直接通过螺栓等螺纹连接件进行刚性连接，其姿态时刻与车体底盘的姿态同步。当车体在经过石头土坡等路况差的路面时，其上的元件装置会随着车体的摇晃倾斜而一起摇晃倾斜。

目前使用的摄像头机械臂所能得到的地下矿井情况信息有限，若使用三维扫描仪则可以获取更加全面的信息。但是，三维扫描仪对工作时的姿态要求较高，一般要求保持在水平状态±2°以内。如果在地下矿井探测机器人工作时，停在了不平整的路面导致水平误差超过三维扫描仪的工作范围，就会导致三维扫描仪失效或扫描精度下降，从而无法完成工作任务。

目前，三维扫描仪大致分为手持式和固定式两种，手持式三维扫描仪多用于小范围的室内探测扫描，其扫描范围小，精度较低，但操作方便，只需人手持仪器绕需要探测的地区走一圈即可；而固定式三维扫描仪体积质量更大，扫描范围更广，多是安装在可调节三脚架上，由人来进行手动调平。由于地下矿井需探测的范围大，要求精度高，手持式三维扫描仪无法满足需求，故地下矿井探测机器人用的是固定式三维扫描仪，而在井下的无人环境中，像在地面那样进行手动调节显然是无法实现的。

现有的地下矿井探测类机器人，如沈阳新松机器人自动化有限公司研制的生命探测井下救援机器人，哈尔滨工业大学机器人研究所研制的煤矿探测机器人，北京石景山消防支队所使用的矿用灾区侦测机器人，都只是配备了温度、湿度、压力、气体、图像等常规传感器，并未配备对工作时的姿态有严格要求的三维扫描仪。纵观国内外的各种地下矿井探测机器人，也未有在机器人上加装三维扫描仪的先例，所以该问题的解决尚无经验可寻。

发明内容

针对以上背景技术中提到的不足和缺陷，本发明的目的在于，提供一种调节方便、结构简单可靠的用于地下矿井探测机器人的三维扫描仪平衡调节装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于地下矿井探测机器人的三维扫描仪平衡调节装置，包括支架，所述支架上安装有陀螺仪、三维扫描仪安装架、用于调节三维扫描仪安装架的X轴方向姿态的X轴姿态调节机构以及用于调节三维扫描仪安装架的Y轴方向姿态的Y轴姿态调节机构，所述探测机器人内设有PLC控制器，所述陀螺仪、X轴姿态调节机构和Y轴姿态调节机构均与所述PLC控制器电连接。

作为对上述技术方案的进一步改进：

优选的，所述X轴姿态调节机构包括外框，所述外框通过第一滚动轴承转动安装于支架上，支架上安装有用于驱动外框转动的第一步进电机，所述第一步进电机与所述PLC控制器电连接。

更优选的，所述第一步进电机沿支架的轴向方向安装在支架上，第一步进电机通过一对第一锥齿轮进行传动，驱动外框转动。

优选的，所述Y轴姿态调节机构包括载物台，所述载物台通过第二滚动轴承转动安装于外框内，所述外框上安装有用于驱动载物台转动的第二步进电机，所述第二步进电机与所述PLC控制器电连接。

更优选的，所述第二步进电机沿外框的边框方向安装在外框上，第二步进电机通过一对第二锥齿轮进行传动，驱动载物台转动。

优选的，所述三维扫描仪安装架和陀螺仪通过螺纹连接件分别安装于载物台的上下两侧。

更优选的，所述第一步进电机和第二步进电机均为防爆步进电机。

更优选的，所述第一步进电机和第二步进电机均为带刹车的步进电机。

优选的，所述三维扫描仪安装架包括一螺纹杆，所述螺纹杆与三维扫描仪上的螺纹孔相匹配。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)该三维扫描仪平衡调节装置通过陀螺仪获取三维扫描仪的当前姿态，通过X轴姿态调节机构和Y轴姿态调节机构分别调节三维扫描仪安装架的X轴方向姿态和Y轴方向姿态，将三维扫描仪调节至水平姿态，调节方便，结构简单可靠。

(2)采用步进电机进行驱动，通过步进电机本身的保持力矩实现对三维扫描仪水平姿态的锁止，操作方便、结构简单可靠、响应速度快、调节精度高，并且受环境因素影响小。

(3)采用防爆步进电机进行驱动，该三维扫描仪平衡调节装置适用于井下含可燃气体的工况。

(4)采用带刹车的步进电机，在极限工况下和停电情况下仍然可以实现对三维扫描仪水平姿态的有效锁止。

(5)步进电机通过锥齿轮进行传动，使得该三维扫描仪平衡调节装置的结构更为紧凑，占用空间小，并且传动可靠，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明平衡调节装置的斜二测直观图。

图2为本发明平衡调节装置的侧视结构示意图。

图3为本发明平衡调节装置安装三维扫描仪后的结构示意图。

图4为本发明平衡调节装置安装在履带车底盘上的结构示意图。

图5为图4的左视结构示意图。

图例说明：

1、支架；2、外框；3、载物台；4、陀螺仪；5、三维扫描仪安装架；6、第一步进电机；7、第二步进电机；8、第一锥齿轮；9、第一滚动轴承；10、第二锥齿轮；11、第二滚动轴承；12、三维扫描仪；13、履带车底盘；51、螺纹杆。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例：

如图1至图5所示，一种本发明的用于地下矿井探测机器人的三维扫描仪平衡调节装置，包括两个对称设置的支架1，支架1上安装有陀螺仪4、三维扫描仪安装架5、X轴姿态调节机构和Y轴姿态调节机构。其中，三维扫描仪安装架5用于安装三维扫描仪12；X轴姿态调节机构用于调节三维扫描仪安装架5(进而调节三维扫描仪12)的X轴方向姿态；Y轴姿态调节机构用于调节三维扫描仪安装架5(进而调节三维扫描仪12)的Y轴方向姿态。探测机器人内设有PLC控制器(图中未示出)，陀螺仪4、X轴姿态调节机构和Y轴姿态调节机构均与该PLC控制器电连接。该三维扫描仪平衡调节装置通过陀螺仪4获取三维扫描仪12的姿态，通过X轴姿态调节机构和Y轴姿态调节机构分别实现对三维扫描仪12X轴方向和Y轴方向的姿态调节，将三维扫描仪12调节至水平状态，调节方便，结构简单可靠。

本实施例中，X轴姿态调节机构包括外框2和第一步进电机6。该外框2通过第一滚动轴承9转动安装于支架1上。第一步进电机6安装于支架1上并与PLC控制器电连接，用于驱动外框2转动。采用第一步进电机6驱动外框2转动，步进电机本身具有保持力矩，在通电情况下，步进电机的保持力矩可以锁死电机，避免平衡调节装置调节至水平姿态后外框2再发生转动。并且，采用步进电机进行驱动，相比于液压、螺杆等方式，受环境影响小，适合于在地下矿井的相对恶劣的环境下使用。

该第一步进电机6沿支架1的轴向方向安装在支架1上，第一步进电机6通过一对第一锥齿轮8进行传动，驱动外框2转动。采用一对第一锥齿轮8进行传动，可实现垂直传动，使得第一步进电机6可沿支架1的轴向方向安装在支架1上，结构紧凑，占用空间小，传动可靠，成本低。该一对第一锥齿轮8的外周通过外壳(图中未示出)封起来，起到防尘防水的作用，提高锥齿轮传动的可靠性，延长使用寿命。

本实施例中，Y轴姿态调节机构包括载物台3和第二步进电机7。载物台3通过第二滚动轴承11转动安装于外框2内。第二步进电机7安装于外框2上并与PLC控制器电连接，用于驱动载物台3转动。避免了平衡调节装置调节至水平姿态后载物台3再发生转动。

该第二步进电机7沿外框2的边框方向安装在外框2上，第二步进电机7通过一对第二锥齿轮10进行传动，驱动载物台3转动。这样，第二步进电机7可沿外框2的边框方向安装在外框2上，进一步提高了结构的紧凑性，减小占用空间。该一对第二锥齿轮10的外周同样设有外壳(图中未示出)，以防尘防水，保护锥齿轮。

本实施例中，第一步进电机6和第二步进电机7均为带刹车的步进电机。虽然普通的步进电机可以通过电机本身的保持力矩实现外框2和载物台3的锁止，但是，普通步进电机的保持力矩有限，在某些极限工况下可能出现保持力矩不够的情况；另外，普通步进电机只有在通电情况下才具有保持力矩，一旦断电保持力矩将失去。本发明进一步优选采用带刹车的步进电机，无论在极限工况下还是在停电时均可对外框2和载物台3进行有效锁止。第一步进电机6和第二步进电机7均优选采用防爆步进电机，这样，三维扫描仪平衡调节装置可适用于在井下含可燃气体的工况下使用。

该三维扫描仪平衡调节装置中的三维扫描仪安装架5和陀螺仪4通过螺纹连接件(如螺栓螺母)分别安装于载物台3的上下两侧。三维扫描仪安装架5包括一根螺纹杆51，该螺纹杆51与三维扫描仪12上的螺纹孔相匹配，通过螺纹连接将三维扫描仪12安装在三维扫描仪安装架5上。两个支架1的底部通过螺栓安装在履带车底盘13上。

该三维扫描仪平衡调节装置的工作原理如下：

当地下矿井探测机器人在地下矿井中行驶并停在某一工作面需要对周围空间进行扫描时，因为地下矿井中路面崎岖，三维扫描仪12的姿态通常不处于水平状态，而是与水平方向呈一定的角度，因此需要对三维扫描仪12的姿态进行调节，使其保持水平；此时，通过陀螺仪4检测三维扫描仪12的当前姿态，PLC控制器根据三维扫描仪12的当前姿态控制第一步进电机6正转或反转一定角度，然后停止，保持在这个角度；第二步进电机7接着正转或反转一定角度，然后停止并保持；陀螺仪4再次检测三维扫描仪12的当前姿态，PLC控制器再控制第一步进电机6和第二步进电机7对三维扫描仪12的姿态进行调节；如此重复，直至将三维扫描仪12调节至水平姿态，通过电机本身的保持力矩或带刹车的步进电机实现三维扫描仪12水平姿态的锁止。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于地下矿井探测机器人的三维扫描仪平衡调节装置，包括支架(1)，其特征在于：所述支架(1)上安装有陀螺仪(4)、三维扫描仪安装架(5)、用于调节三维扫描仪安装架(5)的X轴方向姿态的X轴姿态调节机构以及用于调节三维扫描仪安装架(5)的Y轴方向姿态的Y轴姿态调节机构，所述探测机器人内设有PLC控制器，所述陀螺仪(4)、X轴姿态调节机构和Y轴姿态调节机构均与所述PLC控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的用于地下矿井探测机器人的三维扫描仪平衡调节装置，其特征在于：所述X轴姿态调节机构包括外框(2)，所述外框(2)通过第一滚动轴承(9)转动安装于支架(1)上，支架(1)上安装有用于驱动外框(2)转动的第一步进电机(6)，所述第一步进电机(6)与所述PLC控制器电连接。

3.根据权利要求2所述的用于地下矿井探测机器人的三维扫描仪平衡调节装置，其特征在于：所述第一步进电机(6)沿支架(1)的轴向方向安装在支架(1)上，第一步进电机(6)通过一对第一锥齿轮(8)进行传动驱动外框(2)转动。

4.根据权利要求2所述的用于地下矿井探测机器人的三维扫描仪平衡调节装置，其特征在于：所述Y轴姿态调节机构包括载物台(3)，所述载物台(3)通过第二滚动轴承(11)转动安装于外框(2)内，所述外框(2)上安装有用于驱动载物台(3)转动的第二步进电机(7)，所述第二步进电机(7)与所述PLC控制器电连接。

5.根据权利要求4所述的用于地下矿井探测机器人的三维扫描仪平衡调节装置，其特征在于：所述第二步进电机(7)沿外框(2)的边框方向安装在外框(2)上，第二步进电机(7)通过一对第二锥齿轮(10)进行传动驱动载物台(3)转动。

6.根据权利要求4所述的用于地下矿井探测机器人的三维扫描仪平衡调节装置，其特征在于：所述三维扫描仪安装架(5)和陀螺仪(4)通过螺纹连接件分别安装于载物台(3)的上下两侧。

7.根据权利要求4所述的用于地下矿井探测机器人的三维扫描仪平衡调节装置，其特征在于：所述第一步进电机(6)和第二步进电机(7)均为防爆步进电机。

8.根据权利要求4所述的用于地下矿井探测机器人的三维扫描仪平衡调节装置，其特征在于：所述第一步进电机(6)和第二步进电机(7)均为带刹车的步进电机。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的用于地下矿井探测机器人的三维扫描仪平衡调节装置，其特征在于：所述三维扫描仪安装架(5)包括一螺纹杆(51)，所述螺纹杆(51)与三维扫描仪(12)上的螺纹孔相匹配。