CN109849018A - 一种矿用救灾蛇形机器人 - Google Patents
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Abstract
一种矿用救灾蛇形机器人，所述蛇形机器人包括：带动所述机器人进退并控制所述机器人扬头的第一单元、通过设置舵机与所述第一单元配合控制所述机器人翻转和转向的第二单元以及带动所述机器人进退并采集信息的第三单元，其中，所述第一单元、第二单元和第三单元依次连接。利用该机器人可实现对矿下复杂环境中对地下环境信息进行实时采集，以供救灾人员或作业人员掌握矿内环境并对其进行实时分析。
Description
技术领域
本发明涉及矿用机器人，特别是涉及一种矿用救灾蛇形机器人。
背景技术
煤炭在开采过程中会遇到很多未知的危险，例如，煤炭自燃是我国煤矿开采过程中的主要自然灾害之一，国有煤矿中有60％的矿井在开采具有自燃倾向性的煤层。随着开采强度的增大，矿井的不断延深和深部开拓特别是近距离煤层开采带来的问题，以及通风系统的相对复杂化，使得煤层自燃危险性有明显增大的趋势。采空区煤炭自燃发火在矿井火灾中占有很高比例。煤的自燃分为三个阶段:煤在低温的条件下，能吸附氧生成不稳定的化合物，放出少量的热，这种氧化过程十分隐蔽，称其为潜伏期；经过该阶段后，煤的氧化过程加速，发热量增加，不能及时散热，就加速煤的自燃；如果煤的自热温度继续升高至临界温度(70～80℃)以上，氧化急剧加快，煤的温度迅速，升至300～500℃时，就会发生燃烧现象，H2、CO、水蒸汽征兆性气体出现，该阶段是防止隐患升级的有利时期；当温度达到800～2000℃时，煤的燃烧就会出现明火，此时基本就没有办法施救，只能被迫封闭工作。
由于在煤矿事故发生后，井下环境异常凶险，抢险人员一般难以在第一时间进入，往往在地面等待很长时间，事故专家和决策者也由于缺少井下信息无法及时做出判断和决策，造成许多矿工因救援不及时而丧生。需在工作面回采，对工作面入风巷、回风巷及切眼位置进行CO和温度监测、及时发现温度异常，将煤的自然抑制在早期阶段，对控制预防采空区(工作面)自然发火具有重要意义。目前对采空区内自然发火倾向的预测主要是通过束管系统抽取样气到地面，对标志气体进行分析预警；该手段欠缺实时性和直观性，束管易损伤漏气导致测量不准确。
而煤矿救灾机器人是指代替人到不能去或者不适宜去的危险事故矿井环境中，通过远程操作直接在现场进行侦察、探测和执行搜救任务，并将井下环境情况，人员生存情况反馈给地面搜救人员的机器装置。因此需要提供一种救灾机器人可实现在地下矿井复杂环境中移动，越障和穿越狭小空间等功能，并能够实时有效地对地下环境信息进行采集。
发明内容
本发明的目的在于提供一种矿用救灾蛇形机器人，以解决上述问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
在本发明中公开了一种矿用救灾蛇形机器人，所述蛇形机器人包括：
带动所述机器人进退并控制所述机器人扬头的第一单元、通过设置舵机与所述第一单元配合控制所述机器人翻转和转向的第二单元以及带动所述机器人进退并采集信息的第三单元，
其中，所述第一单元、第二单元和第三单元依次连接。
优选地，所述第一单元包括：第一无线通讯模块、第一微控制器，第一驱动电机、翻转电机、扬头支撑杆及第一供电模块，
所述第一无线通讯模块，用于传输所述第一微控制器与控制端设备之间的信息指令；
所述第一微控制器，用于对所述信息指令进行处理，并控制所述第一驱动电机和/或翻转电机转动；
所述第一驱动电机，用于驱动设置在所述第一单元的车轮带动所述机器人前进或后退；
所述翻转电机，用于控制所述扬头支撑杆绕所述第一单元的车轮旋转；
所述第一供电模块，包括第一电源和第一限流模块，用于为所述第一单元限流供电。
优选地，所述扬头支撑杆的一端可旋转的设置在所述第一单元的车轮的中心处，并通过传动装置与所述翻转电机连接。
优选地，所述扬头支撑杆为两个，分别设置在所述第一单元的两个第一车轮外侧，其中，所述扬头支撑杆的长度大于其所在车轮半径。
优选地，所述第一单元的车轮采用履带式车轮。
优选地，所述第二单元与设置在所述第一单元上的转向连接机构连接，
其中，所述第二单元上设有用于与所述转向连接机构的一端铰接的转向轴，所述转向连接机构的另一端与所述第一单元的第二车轮的中心处铰接。
优选地，所述第三单元包括：第二无线通讯模块、第二微控制器，第二驱动电机、传感器单元、摄像单元及第二供电模块，
所述第二无线通讯模块，用于传输所述第二微控制器与控制端设备之间的信息指令；
所述第二微控制器，用于对所述信息指令进行处理，并控制所述第二驱动电机转动；
所述第二驱动电机，用于驱动设置在所述第三单元的车轮带动所述机器人前进或后退；
所述传感器单元，用于实时采集所述机器人行驶过程中周围环境的数据信息；
所述摄像单元，用于实时采集所述机器人行驶过程中周围环境的视频信息；
所述第二供电模块，包括第二电源和第二限流模块，用于为所述第三单元限流供电。
优选地，所述传感器单元包括：气体传感器和温度传感器。
优选地，所述摄像单元包括：分别设置在所述第三单元两端的第一摄像头和第二摄像头，用于采集所述机器人前后的视频信息。
优选地，所述第三单元的车轮采用履带式车轮。
本发明的有益效果如下：
本发明提出一种矿用救灾履带式蛇形机器人，其各电路模块具有在井下瓦斯环境下的本质安全和自安防爆功能，可携带多种传感器，先于抢险人员进入井下，发挥自身的移动、攀爬功能到达矿井深处，探测井下事故破坏后的环境和人员情况，并利用无线通信手段将信息实时反馈到控制中心，辅助指挥人员进行紧急决策，有效节约挽救矿难人员的时间。同时，采用蛇形机器人技术，通过机器人计算温度场和CO浓度自主接近着火点或灾害高发地区，进行精确定位，可以根据现场情况有效实施处理或提前施加防范措施。及时准确的对采空区隐患进行预警，降低采空区事故风险，提高井下作业的安全性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本实施例中矿用救灾蛇形机器人的整体示意图；
图2示出本实施例中矿用救灾蛇形机器人的主视图；
图3示出本实施例中第一单元的整体示意图；
图4示出本实施例中第一单元的俯视图；
图5示出本实施例中第一单元的局部剖视图；
图6示出本实施例中第一单元的主视图；
图7示出本实施例中第二单元的主视图；
图8示出本实施例中第二单元的局部剖视图；
图9示出本实施例中第三单元的局部剖视图；
图10示出本实施例中第三单元整体示意图；
图11示出本实施例中第三单元的俯视图。
图中：1、第一单元；11、第一微控制器；12、第一无线通讯模块；13、第一驱动电机；14、翻转电机；15、扬头支撑杆；16、第一供电模块；17、第一车轮；18、第二车轮；19、转向连接机构；2、第二单元；21、转向轴；22、舵机；3、第三单元；31、传感器单元；311、温度传感器；312、气体传感器；32摄像单元；321、第一摄像头；322、第二摄像头。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1-2所示，在本发明的一个实施例中公开了一种矿用救灾蛇形机器人，所述机器人整体为蛇形布置，共分为三段，即由依次连接的第一单元1、第二单元2和第三单元3，其中，上述的3个单元可分别实现不同功能。所述第一单元1带动所述机器人进退并控制所述机器人实现扬头越障；所述第二单元2内部设置有舵机，能够与所述第一单元1配合控制所述机器人翻转和转向；所述第三单元3也具有独立的动力控制系统，可带动所述机器人进退并采集信息。通过采用双动力分设在所述机器人的两端，进一步保证了机器人在复杂环境中的运动性能。此外，采用蛇形布置方式能够使其穿越狭小空间，对恶劣环境的信息进行采集并回传至作业人员。
在本实施中，如图3-6所示，所述第一单元1具体包括：第一无线通讯模块12、第一微控制器11，第一驱动电机13、翻转电机14、扬头支撑杆15及第一供电模块16，可选的，除所述扬头支撑杆15外，上述第一单元1的各组成器件均包设在保护壳体内，以保证第一单元1结构紧凑布置，同时使得所述第一单元1更加美观实用。所述第一无线通讯模块12用于传输所述第一微控制器11与控制端设备之间的信息指令，其中控制端设备可选为：遥控器、计算机设备等；所述第一微控制器11在接收到作业人员通过所述第一无线通信模块12遥控发送的指令信息后，对所述信息指令进行处理，并能够控制所述第一驱动电机13和/或翻转电机14转动，其中，控制所述第一驱动电机13正反转以驱动设置在所述第一单元的车轮正反转动，从而实现由第一单元1带动机器人前进或后退，控制所述翻转电机14带动所述扬头支撑杆15转动，从而将所述第一单元撑起，在前进过程中实现对障碍物的翻越。所述第一供电模块包括第一电源和第一限流模块，用于为所述第一单元中用电的器件进行限流供电。
在本实施例中，所述扬头支撑杆15的一端固定在所述第一单元1的车轮的中心处，通过中心处的传动装置与所述翻转电机14连接。优选地，所述扬头支撑杆15为两个，分别设置在所述第一单元1的两个第一车轮17外侧，其中，所述扬头支撑杆15的长度大于其所在车轮的半径。所述扬头支撑杆15的长度可根据环境需要进行更换。为适应复杂环境的路况，所述第一单元1的车轮采用履带式车轮，同时增加车身稳定性。
在本实施例中，如图7-8所示，所述第二单元2的一端与设置在所述第一单元上的转向连接机构19连接，所述第二单元2的另一端与所述第三单元3连接。所述第二单元2上设有用于与所述转向连接机构19的一端连接的转向轴21，优选地，连接方式为铰接。所述转向连接机构19的另一端与所述第一单元1的第二车轮18的中心处连接。在所述第二单元2内部设有舵机22，底部设有车轮，当收到所述第一单元1和/或第二单元的牵引力或推力时可减少与接触面的阻力，从而节能。
当所述机器人发生倾侧翻到时，所述舵机22与所述第一单元1的翻转电机配合，利用所述扬头支撑杆15借力支撑后将所述机器人归位摆正，从而继续工作。采用本实施例中所公开的蛇形机器人，能够实现蜿蜒前行、后退、钻洞、越障、侧移、爬坡、抬头、摆头、攀爬等动作。
如图9-11所述，在本实施例中，所述第三单元具体包括：第二无线通讯模块、第二微控制器，第二驱动电机、传感器单元、摄像单元及第二供电模块，其中，所述第二无线通讯模块用于传输所述第二微控制器与控制端设备之间的信息指令；所述第二微控制器用于对所述信息指令进行处理，并控制所述第二驱动电机转动；所述第二驱动电机用于驱动设置在所述第三单元的车轮带动所述机器人前进或后退；所述传感器单元用于实时采集所述机器人行驶过程中周围环境的数据信息；所述摄像单元用于实时采集所述机器人行驶过程中周围环境的视频信息；所述第二供电模块包括第二电源和第二限流模块，用于为所述第三单元限流供电。
在本实施例中，所述第三单元3能够适配多种传感器件，可以获取CO、环境温湿度、视频影像等信息，并通过无线传输将数据发送到上位控制器上。优选地，所述传感器单元31包括：温度传感器311和气体传感器312；所述摄像单元32包括：分别设置在所述第三单元两端的第一摄像头321和第二摄像头322，用于采集所述机器人前后的视频信息。作业人员通过视频观察监视四周环境，并控制所述机器人行驶方向。
在本实施例中，所述第三单元3的车轮也采用履带式车轮。通过所述第二驱动电机的正反转，控制车轮的转动，从而驱动所述机器人前进和后退。
本发明通过分别在所述第一单元1和第三单元3设置了一套动力系统，在增加其越障和移动能力的同时，保证了系统的安全性和可靠性。完善了蛇形机器人控制系统和机械系统的井下本质安全和自安防爆功能，确保其能在井下环境中安全使用。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种矿用救灾蛇形机器人，其特征在于，包括：
带动所述机器人进退并控制所述机器人扬头的第一单元、通过设置舵机与所述第一单元配合控制所述机器人翻转和转向的第二单元以及带动所述机器人进退并采集信息的第三单元，
其中，所述第一单元、第二单元和第三单元依次连接。
2.根据权利要求1所述的矿用救灾蛇形机器人，其特征在于，所述第一单元包括：第一无线通讯模块、第一微控制器，第一驱动电机、翻转电机、扬头支撑杆及第一供电模块，
所述第一无线通讯模块，用于传输所述第一微控制器与控制端设备之间的信息指令；
所述第一微控制器，用于对所述信息指令进行处理，并控制所述第一驱动电机和/或翻转电机转动；
所述第一驱动电机，用于驱动设置在所述第一单元的车轮带动所述机器人前进或后退；
所述翻转电机，用于控制所述扬头支撑杆绕所述第一单元的车轮旋转；
所述第一供电模块，包括第一电源和第一限流模块，用于为所述第一单元限流供电。
3.根据权利要求2所述的矿用救灾蛇形机器人，其特征在于，所述扬头支撑杆的一端可旋转的设置在所述第一单元的车轮的中心处，并通过传动装置与所述翻转电机连接。
4.根据权利要求3所述的矿用救灾蛇形机器人，其特征在于，所述扬头支撑杆为两个，分别设置在所述第一单元的两个第一车轮外侧，其中，所述扬头支撑杆的长度大于其所在车轮半径。
5.根据权利要求2所述的矿用救灾蛇形机器人，其特征在于，所述第一单元的车轮采用履带式车轮。
6.根据权利要求1所述的矿用救灾蛇形机器人，其特征在于，所述第二单元的一端与设置在所述第一单元上的转向连接机构连接，
其中，在所述第二单元上设有用于与所述转向连接机构的一端铰接的转向轴，所述转向连接机构的另一端与所述第一单元的第二车轮的中心处连接。
7.根据权利要求1所述的矿用救灾蛇形机器人，其特征在于，所述第三单元包括：第二无线通讯模块、第二微控制器，第二驱动电机、传感器单元、摄像单元及第二供电模块，
所述第二无线通讯模块，用于传输所述第二微控制器与控制端设备之间的信息指令；
所述第二微控制器，用于对所述信息指令进行处理，并控制所述第二驱动电机转动；
所述第二驱动电机，用于驱动设置在所述第三单元的车轮带动所述机器人前进或后退；
所述传感器单元，用于实时采集所述机器人行驶过程中周围环境的数据信息；
所述摄像单元，用于实时采集所述机器人行驶过程中周围环境的视频信息；
所述第二供电模块，包括第二电源和第二限流模块，用于为所述第三单元限流供电。
8.根据权利要求7所述的矿用救灾蛇形机器人，其特征在于，所述传感器单元包括：气体传感器和温度传感器。
9.根据权利要求7所述的矿用救灾蛇形机器人，其特征在于，所述摄像单元包括：分别设置在所述第三单元两端的第一摄像头和第二摄像头，用于采集所述机器人前后的视频信息。
10.根据权利要求7所述的矿用救灾蛇形机器人，其特征在于，所述第三单元的车轮采用履带式车轮。
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