CN109080729A - 一种井下越障移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下越障移动机器人，包括机架、底盘、绕柱抱紧模块、摩擦轮模块和距离传感器；底盘安装在机架的下端，摩擦轮模块设在底盘上端的机架上，绕柱抱紧模块设在机架的后端，距离传感器安装在机架的前后两端；绕柱抱紧模块用于驱动底盘下降和上升,并利用套环抱紧立柱再通过驱动摩擦轮正反转来实现机器人的旋转。本发明可根据地形动态调整底盘距地面的高度，克服了传统移动机器人平台地形适应性差的缺点，具有较强的通过性能，能满足井下复杂环境工作的多种需求，可爬坡、越障、在非平整地形下平稳前进和侧移，具有结构简单，控制方便，可靠性高，实用性强等优点。

Description

一种井下越障移动机器人

技术领域

本发明涉及一种用于井下工作的机器人，具体涉及一种井下越障移动机器人，属于井下智能机器技术领域。

背景技术

由于井内工况复杂，开采环境恶劣，危险性高，为了保证人员的生命安全以及井下机器的正常运转，需要在下井前对与井下环境进行预先探测，同时要动态检测井下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。现有应用最为广泛的探测机器人大多仅设置避障功能，通过红外探测仪等探测机器使机器人在遇到障碍物时绕过障碍物，而在越障能力上却有所欠缺，导致障碍物上端的情况无法监测，以及障碍物附近的操作无法进行；且由于井下情况较为复杂，杂物障碍众多，从而容易导致机器人的损坏，影响井下探测的正常进行。

发明内容

为了克服现有技术存在的各种不足，本发明提供一种井下越障移动机器人，对井下地形适应能力强，可爬坡、越障、在非平整地形下平稳前进和侧移，具有结构简单，控制方便，可靠性高的优势。

为了解决上述问题，本发明一种井下越障移动机器人，包括机架、底盘、绕柱抱紧模块、摩擦轮模块和距离传感器；底盘安装在机架的下端，摩擦轮模块设在底盘上端的机架上，绕柱抱紧模块设在机架的后端，距离传感器安装在机架的前后两端；

其中绕柱抱紧模块包括移动框架、丝杆、丝杆螺母以及丝杆螺母驱动机构，移动框架套装在机架后端的竖直支撑杆上，移动框架的侧面上端设置有可以开合的套环；移动框架包括若干套管，以及连接在这几个套管之间的上平台和下平台，丝杆穿过移动框架的上平台和下平台，且其下端与机架相连，丝杆螺母驱动机构安装在移动框架上并驱动丝杆螺母旋转，丝杆螺母与丝杆螺纹配合；

摩擦轮模块包括一对旋转方向相同的摩擦轮以及带动摩擦轮转动的摩擦轮驱动机构，摩擦轮通过轴承和轮轴固定在机架上，摩擦轮设置在套环的下方，且两个摩擦轮的边缘分别摩擦接触机架两侧的竖直支撑杆；

底盘包括底部框架以及安装在底部框架四角的四个万向车轮，每个万向车轮的侧面均设有驱动万向车轮旋转的驱动电机。

通过距离传感器感知障碍物的距离，当到达障碍物附近时，丝杆螺母驱动机构启动带动丝杆螺母旋转，丝杆螺母与丝杆螺纹配合，因此在驱动力的作用下丝杆螺母、丝杆螺母驱动机构以及移动框架沿着机架竖直支撑杆向上移动，同时套环打开；万向车轮带动整个机器人继续前行至障碍物旁边时，套环抱紧障碍物旁边的立柱，同时丝杆螺母驱动机构启动带动丝杆螺母旋转，此时移动框架保持不动，丝杆带动机架以及与机架相连的摩擦轮模块、底盘同时提升至极限位置；然后摩擦轮驱动机构启动带动摩擦轮旋转，由于摩擦轮的边缘与机架摩擦接触，因此在摩擦轮的摩擦力下整个机架以及与机架相连的机构围绕立柱旋转预定角度至障碍物上方时，摩擦轮驱动机构停止转动，丝杆螺母驱动机构反方向转动使机架以及与机架相连的摩擦轮模块、底盘同时下降至万向车轮接触地面，套环打开松开立柱。

进一步的，所述丝杆螺母驱动机构包括主动轮I和从动轮I，主动轮I通过固定在上平台和/或下平台上的电机I驱动旋转，从动轮I套设在丝杆螺母的外边并与丝杆螺母同轴旋转，主动轮I与从动轮I之间通过皮带相连。

为了增大传输扭矩，可以在上平台和下平台上均设置电机I，两个电机I同步动作，每个电机I的输出轴上连接一个主动轮I，每个主动轮I均通过皮带与从动轮I相连，每个从动轮I中间均设置丝杆螺母。

进一步的，摩擦轮驱动机构包括固定在机架上的电机支撑架、电机II、主动轮II和从动轮II，电机II安装在电机支撑架的上端，电机II输出轴与主动轮II相连，主动轮II通过皮带分别与两个从动轮II相连，两个从动轮II的输出轴分别通过轴承与两个摩擦轮相连，轴承通过轴承座固定在机架上。

具体的，所述套环包括带凹槽的固定板、带凹槽的摆动臂、锁定板、小齿轮、小电机和舵机，其中固定板上的凹槽与摆动臂上的凹槽拼在一起是立柱的形状；小齿轮通过舵机驱动旋转，摆动臂的一端带有齿槽并铰接在固定板上，摆动臂上的齿槽与小齿轮相互啮合，摆动臂的另一端通过锁定板锁紧限位；锁定板的一端通过小电机驱动旋转，另一端通过销轴滑动限位在一弧形长孔内。

小电机带动锁定板旋转，当锁定板旋转远离摆动臂时，套环被解锁，当锁定板旋转靠近摆动臂时，套环被锁紧；套环解锁后，舵机带动小齿轮旋转，小齿轮与摆动臂上的齿槽相互啮合，从而带动摆动臂围绕铰接点旋转打开；舵机可以精确控制小齿轮的旋转角度；锁定板可以锁紧套环，使套环抱紧立柱时可以承载较大的扭矩。

进一步的，固摆动臂的凹槽边缘设置轴承安装孔，用于安装直线轴承。通过直线轴承使机器人的机架在围绕立柱旋转时更加顺畅。

为了提高机器人在移动过程中的减震效果，所述底部框架的上端设置四组减震弹簧以及安装减震弹簧的安装支架。

优选的，所述摩擦轮选用两组环形板上下固定在摩擦轮的轮轴上，环形板的边缘均匀开有若干通槽，通槽上均安装有橡胶轮。

通过此结构可以使摩擦轮的摩擦力更大，橡胶轮的最外端与环形板的外端构成台阶面，在摩擦轮旋转过程中通过此台阶面加大了机架与摩擦轮之间摩擦力，防止其打滑；同时通过挤压橡胶轮进一步增大其摩擦力。

优选的，所述万向车轮为麦克纳姆轮。麦克纳姆轮采用全向驱动技术，在井下可以实现任意方向的平移及旋转，控制精度高，行走灵活。

本发明所提供的越障移动机器人可根据地形动态调整底盘距地面的高度，克服了传统移动机器人平台地形适应性差的缺点，具有较强的通过性能，能满足井下复杂环境工作的多种需求，可爬坡、越障、在非平整地形下平稳前进和侧移，具有结构简单，控制方便，可靠性高，实用性强等优点。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图；

图2为本发明另一方向立体结构示意图；

图3为本发明底盘和摩擦轮模块立体结构示意图；

图4为绕柱抱紧模块立体结构示意图；

图5为图4另一个方向的立体结构示意图；

图6为套环立体结构示意图；

图7为图6另一个方向立体结构示意；

图8为摩擦轮立体结构示意图。

图中：100、机架；110、竖直支撑杆；200、底盘；210、底部框架；220、万向车轮；230、驱动电机；240、减震弹簧；250、安装支架；300、绕柱抱紧模块；310、移动框架；311、套管；312、上平台；313、下平台；320、丝杆；330、丝杆螺母；340、套环；341、固定板；342、摆动臂；343、锁定板；344、小齿轮；345、小电机；346、舵机；347、弧形长孔；350、主动轮I；360、从动轮I；370、电机I；400、摩擦轮模块；410、摩擦轮；420、机支撑架；430、电机II；440、主动轮II；450、从动轮II；500、距离传感器；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的阐述。

如图1至图5所示，一种井下越障移动机器人，包括机架100、底盘200、绕柱抱紧模块300、摩擦轮模块400和距离传感器500；底盘200安装在机架100的下端，摩擦轮模块400设在底盘200上端的机架100上，绕柱抱紧模块300设在机架100的后端，距离传感器500安装在机架100的前后两端；

其中绕柱抱紧模块300包括移动框架310、丝杆320、丝杆螺母330以及丝杆螺母驱动机构，移动框架310套装在机架100后端的竖直支撑杆110上，移动框架310的侧面上端设置有可以开合的套环340；移动框架310包括若干套管311，以及连接在这几个套管311之间的上平台312和下平台313，丝杆320穿过移动框架的上平台和下平台，且其下端与机架100相连，丝杆螺母驱动机构安装在移动框架310上并驱动丝杆螺母330旋转，丝杆螺母330与丝杆320螺纹配合；

摩擦轮模块400包括一对旋转方向相同的摩擦轮410以及带动摩擦轮转动的摩擦轮驱动机构，摩擦轮410通过轴承和轮轴固定在机架100上，摩擦轮410设置在套环340的下方，且两个摩擦轮410的边缘分别摩擦接触机架100两侧的竖直支撑杆110；

底盘200包括底部框架210以及安装在底部框架四角的四个万向车轮220，每个万向车轮220的侧面均设有驱动万向车轮旋转的驱动电机230。

通过距离传感器500感知障碍物的距离，当到达障碍物附近时，丝杆螺母驱动机构启动带动丝杆螺母330旋转，丝杆螺母330与丝杆320螺纹配合，因此在驱动力的作用下丝杆螺母330、丝杆螺母驱动机构以及移动框架310沿着机架100竖直支撑杆110向上移动，同时套环340打开；万向车轮220带动整个机器人继续前行至障碍物旁边时，套环340抱紧障碍物旁边的立柱，同时丝杆螺母驱动机构启动带动丝杆螺母330旋转，此时移动框架310保持不动，丝杆320带动机架100以及与机架相连的摩擦轮模块400、底盘200同时提升至极限位置；然后摩擦轮驱动机构启动带动摩擦轮410旋转，由于摩擦轮410的边缘与机架100摩擦接触，因此在摩擦轮410的摩擦力下整个机架100以及与机架相连的机构围绕立柱旋转预定角度至障碍物上方时，摩擦轮驱动机构停止转动，丝杆螺母驱动机构反方向转动使机架100以及与机架相连的摩擦轮模块400、底盘200同时下降至万向车轮220接触地面，套环340打开松开立柱。

如图4和图5所示，所述丝杆螺母驱动机构包括主动轮I350和从动轮I360，主动轮I350通过固定在上平台312和/或下平台313上的电机I370驱动旋转，从动轮I套设在丝杆螺母330的外边并与丝杆螺母330同轴旋转，主动轮I350与从动轮I360之间通过皮带相连。

为了增大传输扭矩，可以在上平台312和下平台313上均设置电机I370，两个电机I370同步动作，每个电机I370的输出轴上连接一个主动轮I350，每个主动轮I350均通过皮带与从动轮I360相连，每个从动轮I360中间均设置丝杆螺母330。

如图3所示，摩擦轮驱动机构包括固定在机架上的电机支撑架420、电机II430、主动轮II440和从动轮II450，电机II430安装在电机支撑架420的上端，电机II430输出轴与主动轮II440相连，主动轮II440通过皮带分别与两个从动轮II450相连，两个从动轮II450的输出轴分别通过轴承与两个摩擦轮410相连，轴承通过轴承座固定在机架100上。

如图6和图7所示，所述套环340包括带凹槽的固定板341、带凹槽的摆动臂342、锁定板343、小齿轮344、小电机345和舵机346，其中固定板341上的凹槽与摆动臂342上的凹槽拼在一起是立柱的形状；小齿轮344通过舵机346驱动旋转，摆动臂342的一端带有齿槽并铰接在固定板341上，摆动臂342上的齿槽与小齿轮344相互啮合，摆动臂342的另一端通过锁定板343锁紧限位；锁定板343的一端通过小电机345驱动旋转，另一端通过销轴滑动限位在一弧形长孔347内。

小电机345带动锁定板343旋转，当锁定板343旋转远离摆动臂342时，套环340被解锁，当锁定板343旋转靠近摆动臂342时，套环340被锁紧；套环340解锁后，舵机346带动小齿轮344旋转，小齿轮344与摆动臂342上的齿槽相互啮合，从而带动摆动臂342围绕铰接点旋转打开；舵机346可以精确控制小齿轮344的旋转角度；锁定板343可以锁紧套环340，使套环340抱紧立柱时可以承载较大的扭矩。

进一步的，摆动臂342的凹槽边缘设置轴承安装孔，用于安装直线轴承。通过直线轴承使机器人的机架在围绕立柱旋转时更加顺畅。

为了提高机器人在移动过程中的减震效果，如图3所示，所述底部框架210的上端设置四组减震弹簧240以及安装减震弹簧的安装支架250。

如图3和图8所示，所述摩擦轮410选用两组环形板上下固定在摩擦轮的轮轴上，环形板的边缘均匀开有若干通槽，通槽上均安装有橡胶轮。

通过此结构可以使摩擦轮的摩擦力更大，橡胶轮的最外端与环形板的外端构成台阶面，在摩擦轮旋转过程中通过此台阶面加大了机架与摩擦轮之间摩擦力，防止其打滑；同时通过挤压橡胶轮进一步增大其摩擦力。

进一步的，所述万向车轮220为麦克纳姆轮。麦克纳姆轮采用全向驱动技术，在井下可以实现任意方向的平移及旋转，控制精度高，行走灵活。

现结合附图对本机器人越障过程做更为详尽的阐述；

如图1至图8所示，a、驱动电机230分别带动四个麦克纳姆轮220旋转，从而使整个机器人在复杂地形上实现任意方向的平移及旋转，当前端或者后端距离传感器500检测到机器人距离障碍物一定的距离时，移动框架310开始上移，具体的，电机I370启动带动主动轮I350旋转，主动轮I350通过皮带带动从动轮I360旋转，由于从动轮I360与丝杆螺母330固定相连，因此从动轮I360旋转的同时丝杆螺母330同步转动并上升，因此带动从动轮I360、主动轮I350、电机I370以及与电机I370固连的移动框架310整体上移；

b、当移动框架310移动至极限位置时，电机I370停止转动；移动框架310上移的同时，套环340打开；具体的，小电机345带动锁定板343旋转，当锁定板343旋转远离摆动臂342时，套环340被解锁，然后舵机346带动小齿轮344旋转，小齿轮344与摆动臂上342的齿槽相互啮合，从而带动摆动臂342围绕铰接点旋转打开；

c、当距离传感器500检测到机器人已经到达障碍物旁边时，摩擦轮410抵紧立柱(图中无显示)；同时舵机346带动小齿轮344旋转，小齿轮344与摆动臂上342的齿槽相互啮合，从而带动摆动臂342围绕铰接点旋转抱紧立柱，然后小电机345带动锁定板343旋转锁紧机构；

d、电机I370启动带动主动轮I350反方向旋转，主动轮I350通过皮带带动从动轮I360旋转，由于从动轮I360与丝杆螺母330固定相连，因此从动轮I360旋转的同时丝杆螺母330同步转动，且由于移动框架310以及与移动框架相连的丝杆螺母330被固定在竖直位置上，因此丝杆螺母330反方向旋转的同时，丝杆320带动与丝杆相连的底盘200以及机架100等机构上升；

e、当机架100上移至丝杆320的极限位置时，电机I370停止转动，摩擦轮模块400启动，电机II430带动主动轮II440旋转，主动轮II440通过皮带分别带动两个从动轮II450旋转，从动轮II450带动摩擦轮410旋转，摩擦轮410通过摩擦力带动机架100、底盘200等结构围绕立柱旋转至预设位置，电机II430停止转动；

f、电机I370启动带动主动轮I350旋转，主动轮I350通过皮带带动从动轮I360旋转，从动轮I360旋转的同时丝杆螺母330同步转动，且由于移动框架310以及与移动框架310相连的丝杆螺母330被固定在竖直位置上，因此丝杆螺母330旋转的同时，丝杆320带动与丝杆相连的机架100、底盘200等机构下移至麦克纳姆轮220接触地面，电机I370停止转动；然后套环340松开完成越障动作。

爬升过程的完成费时一般为5s内。

Claims (8)

1.一种井下越障移动机器人，其特征在于，包括机架(100)、底盘(200)、绕柱抱紧模块(300)、摩擦轮模块(400)和距离传感器(500)；底盘(200)安装在机架(100)的下端，摩擦轮模块(400)设在底盘(200)上端的机架(100)上，绕柱抱紧模块(300)设在机架(100)的后端，距离传感器(500)安装在机架(100)的前后两端；

其中绕柱抱紧模块(300)包括移动框架(310)、丝杆(320)、丝杆螺母(330)以及丝杆螺母驱动机构，移动框架(310)套装在机架(100)后端的竖直支撑杆(110)上，移动框架(310)的侧面上端设置有可以开合的套环(340)；移动框架(310)包括若干套管(311)，以及连接在这几个套管(311)之间的上平台(312)和下平台(313)，丝杆(320)穿过移动框架的上平台和下平台，且其下端与机架(100)相连，丝杆螺母驱动机构安装在移动框架(310)上并驱动丝杆螺母(330)旋转，丝杆螺母(330)与丝杆(320)螺纹配合；

摩擦轮模块(400)包括一对旋转方向相同的摩擦轮(410)以及带动摩擦轮转动的摩擦轮驱动机构，摩擦轮(410)通过轴承和轮轴固定在机架(100)上，摩擦轮(410)设置在套环(340)的下方，且两个摩擦轮(410)的边缘分别摩擦接触机架(100)两侧的竖直支撑杆(110)；

底盘(200)包括底部框架(210)以及安装在底部框架四角的四个万向车轮(220)，每个万向车轮(220)的侧面均设有驱动万向车轮旋转的驱动电机(230)。

2.根据权利要求1所述的井下越障移动机器人，其特征在于，所述丝杆螺母驱动机构包括主动轮I(350)和从动轮I(360)，主动轮I(350)通过固定在上平台(312)和/或下平台(313)上的电机I(370)驱动旋转，从动轮I套设在丝杆螺母(330)的外边并与丝杆螺母(330)同轴旋转，主动轮I(350)与从动轮I(360)之间通过皮带相连。

3.根据权利要求1所述的井下越障移动机器人，其特征在于，摩擦轮驱动机构包括固定在机架上的电机支撑架(420)、电机II(430)、主动轮II(440)和从动轮II(450)，电机II(430)安装在电机支撑架(420)的上端，电机II(430)输出轴与主动轮II(440)相连，主动轮II(440)通过皮带分别与两个从动轮II(450)相连，两个从动轮II(450)的输出轴分别通过轴承与两个摩擦轮(410)相连，轴承通过轴承座固定在机架(100)上。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的井下越障移动机器人，其特征在于，所述套环(340)包括带凹槽的固定板(341)、带凹槽的摆动臂(342)、锁定板(343)、小齿轮(344)、小电机(345)和舵机(346)，其中固定板(341)上的凹槽与摆动臂(342)上的凹槽拼在一起是立柱的形状；小齿轮(344)通过舵机(346)驱动旋转，摆动臂(342)的一端带有齿槽并铰接在固定板(341)上，摆动臂(342)上的齿槽与小齿轮(344)相互啮合，摆动臂(342)的另一端通过锁定板(343)锁紧限位；锁定板(343)的一端通过小电机(345)驱动旋转，另一端通过销轴滑动限位在一弧形长孔(347)内。

5.根据权利要求4所述的井下越障移动机器人，其特征在于，固摆动臂的凹槽边缘设置轴承安装孔，用于安装直线轴承。

6.根据权利要求5所述的井下越障移动机器人，其特征在于，所述底部框架(210)的上端设置四组减震弹簧(240)以及安装减震弹簧的安装支架(250)。

7.根据权利要求6所述的井下越障移动机器人，其特征在于，所述摩擦轮(410)选用两组环形板上下固定在摩擦轮的轮轴上，环形板的边缘均匀开有若干通槽，通槽上均安装有橡胶轮。

8.根据权利要求7所述的井下越障移动机器人，其特征在于，所述万向车轮(220)为麦克纳姆轮。