CN110593958A - 一种超长作业半径的井下探测式特种机器人及作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超长作业半径的井下探测式特种机器人及作业方法，包括摆臂式机器人、通讯扩展组件、地面控制站，通讯扩展组件设置于摆臂式机器人上，摆臂式机器人、通讯扩展组件分别与地面控制站无线连接；通讯扩展组件包括信标基站、基站存储模块、基站释放模块。利用摆臂机器人中的摆臂越障模块实现机器人在井下的高性能越障；通过使用信标基站释放装置，配合信标基站系统，实现机器人在井下作业时通讯信号的实时增程和通讯功能，可靠性高，扩大了机器人的作业范围，解决了目前井下探测机器人因依赖线缆而导致的作业半径小、易缠绕被困等难题。

Description

一种超长作业半径的井下探测式特种机器人及作业方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种超长作业半径的井下探测式特种机器人及作业方法。

背景技术

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤矿开采中瓦斯爆炸、涌水、火灾等事故会严重危害工作人员生命安全、制约煤炭作业发展。目前事故发生后的主要救援手段还是依赖人工救助，由于灾后环境复杂恶劣、空间狭窄、充满有毒和易燃易爆气体等，并且随时可能发生二次灾害，严重威胁救援人员生命安全，对抢夺矿井黄金救援时间提出巨大挑战。因此，研制适用于复杂恶劣环境的矿井探测机器人实现事故灾害后的快速侦察和探测以提高救援效率、抢夺救援时机并降低人员伤亡迫在眉睫。

当前，由于井下环境狭窄、信号遮挡严重，如何实现机器人在复杂遮挡环境中高稳定、大范围组网和通讯，是实现机器人超远程井下探测工作的数据通讯基础。

针对提升井下探测机器人通讯距离的方式，目前可参考方案较少。可供参考的有申请号为201611104717.6的专利公开了基于无线通信传播特性井下救援机器人通讯节点布放方法，包括步骤：一、获取地理信息采集井下巷道地形参数；二、判断井下巷道壁是否有堆积障碍；三、判断煤矿救援机器人是否可以通过井下巷道壁堆积障碍；四、判断井下巷道壁堆积障碍是否为单侧巷道壁堆积障碍；五、煤矿救援机器人返回起点；六、单侧巷道壁堆积障碍下通讯节点的布放；七、双侧巷道壁堆积障碍下通讯节点的布放；八、多次循环步骤二至步骤七，直至完成井下通讯节点的布放过程。该专利通过煤矿救援机器人识别井下现场环境，实时探测井下通信信号强度，自主布放通讯节点，建立优化的无线网络环境，有效解决复杂环境中数据传输的问题。该技术方案主要依靠障碍物探测传感器，通过判断电磁波是否遮挡而判定是否布放节点，但是电磁波在井下还会通过反射等传输，这种判断方式并不准确；另外，这种判断方式不仅依赖外部传感器，而且判断逻辑复杂，一般发生矿难时，井下探测的时间非常宝贵；而且该技术方案仅是方法，没有硬件装置或机构。

目前，机器人在井下主要依靠有线信号传输，导致机器人运动范围有限，极易被障碍物困住而无法脱身。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超长作业半径的井下探测式特种机器人及其作业方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超长作业半径的井下探测式特种机器人，包括摆臂式机器人、通讯扩展组件、地面控制站，通讯扩展组件设置于摆臂式机器人上，摆臂式机器人、通讯扩展组件分别与地面控制站无线连接；通讯扩展组件包括信标基站、基站存储模块、基站释放模块，基站存储模块固定于摆臂式机器人的移动平台本体的后部，基站存储模块内设置有多个信标基站，基站存储模块的后端出口处设有基站释放模块，基站存储模块的前端设有压簧，用以将信标基站压至基站存储模块后端的基站释放模块处。

具体的，所述摆臂式机器人包括移动平台本体、摆臂越障模块、履带行走模块、控制驱动模块、平台通讯模块、能源模块、通讯天线、探测模块，移动平台本体的左右两侧均连接有履带行走模块，履带行走模块的前后两端均设有摆臂越障模块，控制驱动模块、平台通讯模块、能源模块、通讯天线、探测模块均设置于移动平台本体上，通讯天线与平台通讯模块电气连接，能源模块分别与控制驱动模块、平台通讯模块电气连接，控制驱动模块分别与摆臂越障模块、履带行走模块、平台通讯模块、探测模块电气连接。

具体的，所述信标基站包括保护壳体、信标天线、信标通讯模块、信标电源和信标控制模块，保护壳体为不倒翁形，信标天线设置于保护壳体顶部，信标通讯模块、信标电源和信标控制模块设置于保护壳体内，信标天线与信标通讯模块连接，信标通讯模块、信标电源均与信标控制模块电气连接。

具体的，所述基站存储模块为槽形结构，槽的深度随着基站存储模块由前到后而逐渐变深，多个信标基站依次排列于基站存储模块的槽内，压簧固定于槽的前端。

具体的，所述基站释放模块包括前后设置的第一基站释放组件和第二基站释放组件，第一基站释放组件和第二基站释放组件结构相同，对向错位设置，第一基站释放组件和第二基站释放组件均包括隔离板以及与隔离板连接且能够带动隔离板抬升或下放的执行机构，隔离板横向设置于基站存储模块的出口处，执行机构与控制驱动模块连接。

具体的，所述执行机构内设有舵机，舵机的转轴与隔离板的末端连接，执行机构中的舵机还与控制驱动模块连接。

具体的，所述第一基站释放组件和第二基站释放组件之间的间距大于信标基站的最粗直径值。

具体的，所述地面控制站包括控制柜主体和设置于控制柜主体上的显示模块、控制模块和通讯模块，显示模块、通讯模块均与控制模块电气连接，通讯模块还与摆臂式机器人中的平台通讯模块和通讯扩展组件的信标基站无线连接。

一种超长作业半径的井下探测式特种机器人的作业方法，包括以下步骤：

①摆臂式机器人在地下探测过程中，通过机身上的通讯天线配合平台通讯模块感知与地面控制站上的通讯模块间的信号强弱，若通讯信号良好，则继续前进探测；

②当地面控制站与摆臂式机器人间的信号变弱时，此时控制驱动模块控制第一基站释放组件中的执行机构动作，实现对第一基站释放组件中的隔离板抬起，信标基站被压簧压至第一基站释放组件和第二基站释放组件之间；

③控制驱动模块控制第一基站释放组件中的执行机构动作，实现对第一基站释放组件中的隔离板下放，控制驱动模块控制第二基站释放组件中的隔离板上抬，信标基站在基站存储模块内部坡度和重力作用下开始下落至地面，形成通讯增程节点，至此信标基站的释放完成；

④信标基站释放完毕后，控制驱动模块控制第二基站释放组件中的隔离板下放，腾空第一基站释放组件或第二基站释放组件间的空间位置；

⑤机器人继续前进，前进过程中探测模块进行井下探测，并将数据通过平台通讯模块与通讯天线回传至地面控制站，同时前进过程中实时进行通讯信号强弱检测，当信号变弱时，继续循环步骤①-④；

⑥当最后一个信标基站释放完毕后，机器人还可以继续前行，当再次检测到信号变微弱时，立即向地面控制站发出报警信号，提升对机器人进行遥控并返航。

本发明具有以下有益效果：本发明利用摆臂机器人中的摆臂越障模块实现机器人在井下的高性能越障；通过使用信标基站释放装置，配合信标基站系统，实现机器人在井下作业时通讯信号的实时增程和通讯功能，可靠性高，扩大了机器人的作业范围，解决了目前井下探测机器人因依赖线缆而导致的作业半径小、易缠绕被困等难题。

附图说明

图1是本发明井下探测式特种机器人的整体立体结构示意图。

图2是本发明井下探测式特种机器人去除地面控制站后的主视结构示意图。

图3是本发明井下探测式特种机器人去除地面控制站后的左视结构示意图。

图4是本发明井下探测式特种机器人去除地面控制站后的右视结构示意图。

图5是本发明井下探测式特种机器人去除地面控制站后的俯视结构示意图。

图6是图1中A部分的局部结构放大图。

图7是本发明井下探测式特种机器人的信标基站的立体结构示意图。

图8是本发明井下探测式特种机器人的地面控制站的主视结构示意图。

图9是本发明井下探测式特种机器人探测作业时通讯增程示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案做进一步描述，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

如图1所示，一种超长作业半径的井下探测式特种机器人，包括摆臂式机器人1、通讯扩展组件2、地面控制站3，通讯扩展组件2设置于摆臂式机器人1上，摆臂式机器人1、通讯扩展组件2分别与地面控制站3无线连接。

如图2-5所示，摆臂式机器人1包括移动平台本体11、摆臂越障模块12、履带行走模块13、控制驱动模块14、平台通讯模块15、能源模块16、通讯天线17、探测模块18。移动平台本体11为方形腔体构造，内部设置有各电气元件等。移动平台本体11的左右两侧均连接有履带行走模块13，履带行走模块13的前后两端均设有摆臂越障模块12，控制驱动模块14、平台通讯模块15、能源模块16、通讯天线17、探测模块18均设置于移动平台本体11上。通讯天线17与平台通讯模块15电气连接，能源模块16分别与控制驱动模块14、平台通讯模块15电气连接，控制驱动模块14分别与摆臂越障模块12、履带行走模块13、平台通讯模块15、探测模块18电气连接。控制驱动模块14是机器人的控制和通讯核心，控制驱动模块14可实现对摆臂越障模块12相对车体的角度调整，从而实现高性能越障，同时还可实现对履带行走模块13的运动驱动，从而实现车体行进、转弯等功能。平台通讯模块15主要实现机器人与通讯扩展组件2及地面控制站3的稳定通讯，能源模块16为整套机器人提供能源供应。探测模块18为各类探测的环境传感器，连接控制驱动模块14，可实时采集各类环境参数并传输给控制驱动模块14，通过平台通讯模块15和通讯天线17传输至地面控制站3供工作人员分析和决策。

通讯扩展组件2可实现对摆臂式机器人1的通讯距离增程，通讯扩展组件2包括信标基站21、基站存储模块22、基站释放模块23，基站存储模块22固定于摆臂式机器人1的移动平台本体11的后部偏右侧处。基站存储模块22内设置有多个信标基站21，基站存储模块22的后端出口处设有基站释放模块23，基站存储模块22的前端设有压簧221，用以将信标基站21压至基站存储模块22后方的基站释放模块23处。

进一步的，信标基站21包括保护壳体211、信标天线212、信标通讯模块213、信标电源214和信标控制模块215，如图7所示。保护壳体211为不倒翁形，信标天线212设置于保护壳体211顶部，信标通讯模块213、信标电源214和信标控制模块215设置于保护壳体211内。信标天线212与信标通讯模块213连接用以实现电磁信号发送和接收。信标通讯模块213与信标控制模块215电气连接，用以实现信号发送、接收和解析。信标电源214与信标控制模块215电气连接实现供电。

进一步的，基站存储模块22为槽形结构，槽的深度随着基站存储模块22由前到后而逐渐变深，多个信标基站21依次排列于基站存储模块22的槽内，压簧221固定于槽的前端，即基站存储模块22的槽内形成一定坡度，且设有压簧221的一端高于设有基站释放模块23的一端。

基站释放模块23可实现对信标基站21的单个独立释放，如图6所示，基站释放模块23包括前后设置的第一基站释放组件231和第二基站释放组件232，第一基站释放组件231和第二基站释放组件232结构相同，对向错位设置，第一基站释放组件231和第二基站释放组件232均包括隔离板23-A以及与隔离板23-A连接且能够带动隔离板23-A抬升或下放的执行机构23-B，隔离板23-A横向设置于基站存储模块22的出口处，执行机构23-B与控制驱动模块14连接。

进一步的，执行机构23-B为方形结构，执行机构23-B内设有舵机，舵机的转轴与隔离板23-A的末端连接，执行机构23-B中的舵机还与控制驱动模块14连接。

优选的，第一基站释放组件231和第二基站释放组件232分别设置于基站存储模块22后端的出口处，一前一后设置，第一基站释放组件231和第二基站释放组件232之间的间距大于信标基站21的最粗直径值。

初始状态时，压簧221将信标基站21压至基站释放模块23前端，此时第一基站释放组件231、第二基站释放组件232中的隔离板23-A都处于下放关闭状态。当需要对信标基站21释放时，此时第一基站释放组件231中的隔离板23-A抬起，信标基站21被压簧221压至第一基站释放组件231和第二基站释放组件232之间，此时第一基站释放组件231中的隔离板23-A下放，第二基站释放组件232中的隔离板23-A上抬，信标基站21在基站存储模块22内部坡度和重力作用下开始下落至地面，形成通讯增程节点。

地面控制站3主要实现通过通讯扩展组件2与摆臂式机器人1通讯，如图8所示，地面控制站3包括控制柜主体31和设置于控制柜主体31上的显示模块32、控制模块33和通讯模块34。控制柜主体31设置在地面上，工作人员方便查看机器人状态、井下环境参数并可实时控制机器人。显示模块32用以显示井下环境参数、机器人状态参数等。显示模块32、通讯模块34均与控制模块33电气连接，通讯模块34还与摆臂式机器人1中的平台通讯模块15和通讯扩展组件2的信标基站21无线连接。控制模块33可实现操控人员与机器人的人机交互，通讯模块34可实现地面控制站3与摆臂式机器人1、通讯扩展组件2的通讯。

在作业方法上，本发明的工作步骤，尤其是通过信标基站21的布放实现通讯距离增程的作业步骤如下：

①摆臂式机器人1在地下探测过程中，通过机身上的通讯天线17配合平台通讯模块15感知与地面控制站3上的通讯模块34间的信号强弱，若通讯信号良好，则继续前进探测；

②当地面控制站3与摆臂式机器人间的信号变弱时，此时控制驱动模块14控制第一基站释放组件231中的执行机构23-B动作，实现对第一基站释放组件231中的隔离板23-A抬起，信标基站21被压簧221压至第一基站释放组件231和第二基站释放组件232之间；

③控制驱动模块14控制第一基站释放组件231中的执行机构23-B动作，实现对第一基站释放组件231中的隔离板23-A下放，控制驱动模块14控制第二基站释放组件232中的隔离板23-A上抬，信标基站21在基站存储模块22内部坡度和重力作用下开始下落至地面，形成通讯增程节点，至此信标基站21的释放完成；

④信标基站23释放完毕后，控制驱动模块14控制第二基站释放组件232中的隔离板23-A下放，腾空第一基站释放组件231或第二基站释放组件232间的空间位置；

⑤机器人继续前进，前进过程中探测模块18进行井下探测，并将数据通过平台通讯模块15与通讯天线17回传至地面控制站3，同时前进过程中实时进行通讯信号强弱检测，当信号变弱时，继续循环步骤①-④，机器人探测作业时通讯增程效果如图9所示；

⑥当最后一个信标基站释放完毕后，机器人还可以继续前行，当再次检测到信号变微弱时，立即向地面控制站3发出报警信号，提升对机器人进行遥控并返航。

本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (9)

1.一种超长作业半径的井下探测式特种机器人，其特征在于，包括摆臂式机器人、通讯扩展组件、地面控制站，通讯扩展组件设置于摆臂式机器人上，摆臂式机器人、通讯扩展组件分别与地面控制站无线连接；通讯扩展组件包括信标基站、基站存储模块、基站释放模块，基站存储模块固定于摆臂式机器人的移动平台本体的后部，基站存储模块内设置有多个信标基站，基站存储模块的后端出口处设有基站释放模块，基站存储模块的前端设有压簧，用以将信标基站压至基站存储模块后端的基站释放模块处。

2.如权利要求1所述的超长作业半径的井下探测式特种机器人，其特征在于，所述摆臂式机器人包括移动平台本体、摆臂越障模块、履带行走模块、控制驱动模块、平台通讯模块、能源模块、通讯天线、探测模块，移动平台本体的左右两侧均连接有履带行走模块，履带行走模块的前后两端均设有摆臂越障模块，控制驱动模块、平台通讯模块、能源模块、通讯天线、探测模块均设置于移动平台本体上，通讯天线与平台通讯模块电气连接，能源模块分别与控制驱动模块、平台通讯模块电气连接，控制驱动模块分别与摆臂越障模块、履带行走模块、平台通讯模块、探测模块电气连接。

3.如权利要求1所述的超长作业半径的井下探测式特种机器人，其特征在于，所述信标基站包括保护壳体、信标天线、信标通讯模块、信标电源和信标控制模块，保护壳体为不倒翁形，信标天线设置于保护壳体顶部，信标通讯模块、信标电源和信标控制模块设置于保护壳体内，信标天线与信标通讯模块连接，信标通讯模块、信标电源均与信标控制模块电气连接。

4.如权利要求1所述的超长作业半径的井下探测式特种机器人，其特征在于，所述基站存储模块为槽形结构，槽的深度随着基站存储模块由前到后而逐渐变深，多个信标基站依次排列于基站存储模块的槽内，压簧固定于槽的前端。

5.如权利要求1所述的超长作业半径的井下探测式特种机器人，其特征在于，所述基站释放模块包括前后设置的第一基站释放组件和第二基站释放组件，第一基站释放组件和第二基站释放组件结构相同，对向错位设置，第一基站释放组件和第二基站释放组件均包括隔离板以及与隔离板连接且能够带动隔离板抬升或下放的执行机构，隔离板横向设置于基站存储模块的出口处，执行机构与控制驱动模块连接。

6.如权利要求5所述的超长作业半径的井下探测式特种机器人，其特征在于，所述执行机构内设有舵机，舵机的转轴与隔离板的末端连接，执行机构中的舵机还与控制驱动模块连接。

7.如权利要求5所述的超长作业半径的井下探测式特种机器人，其特征在于，所述第一基站释放组件和第二基站释放组件之间的间距大于信标基站的最粗直径值。

8.如权利要求1所述的超长作业半径的井下探测式特种机器人，其特征在于，所述地面控制站包括控制柜主体和设置于控制柜主体上的显示模块、控制模块和通讯模块，显示模块、通讯模块均与控制模块电气连接，通讯模块还与摆臂式机器人中的平台通讯模块和通讯扩展组件的信标基站无线连接。

9.一种超长作业半径的井下探测式特种机器人的作业方法，其特征在于，包括以下步骤：

①摆臂式机器人在地下探测过程中，通过机身上的通讯天线配合平台通讯模块感知与地面控制站上的通讯模块间的信号强弱，若通讯信号良好，则继续前进探测；

②当地面控制站与摆臂式机器人间的信号变弱时，此时控制驱动模块控制第一基站释放组件中的执行机构动作，实现对第一基站释放组件中的隔离板抬起，信标基站被压簧压至第一基站释放组件和第二基站释放组件之间；

③控制驱动模块控制第一基站释放组件中的执行机构动作，实现对第一基站释放组件中的隔离板下放，控制驱动模块控制第二基站释放组件中的隔离板上抬，信标基站在基站存储模块内部坡度和重力作用下开始下落至地面，形成通讯增程节点，至此信标基站的释放完成；

④信标基站释放完毕后，控制驱动模块控制第二基站释放组件中的隔离板下放，腾空第一基站释放组件或第二基站释放组件间的空间位置；

⑤机器人继续前进，前进过程中探测模块进行井下探测，并将数据通过平台通讯模块与通讯天线回传至地面控制站，同时前进过程中实时进行通讯信号强弱检测，当信号变弱时，继续循环步骤①-④；

⑥当最后一个信标基站释放完毕后，机器人还可以继续前行，当再次检测到信号变微弱时，立即向地面控制站发出报警信号，提升对机器人进行遥控并返航。