CN111516778B - 一种轮式矿井物料配送机器人动力底盘 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轮式矿井物料配送机器人动力底盘，属于煤矿井下运输机器人的技术领域，包括底盘机架、集成式隔爆电控箱、防爆激光雷达、隔爆型锂电池箱、行走动力装置、散热装置、四角传感器隔爆箱、液压系统、双叉臂式独立悬架装置、安全型轮边制动器、轮胎、自动驾驶控制系统、视觉感知系统和无线通信终端。该底盘采用整体式结构框架，以清洁电能为动力，采用物料网技术、机器视觉技术、感知融合技术和电气防爆技术，实现物料识别、定位导航、自主行走、主动防撞和自主安全制动等功能，可为矿井物料配送机器人提供一种可靠的通用动力底盘。

Description

一种轮式矿井物料配送机器人动力底盘

技术领域

本发明属于煤矿井下运输机器人的技术领域，具体公开了一种轮式矿井物料配送机器人动力底盘。

背景技术

随着我国煤炭开采技术和装备的自主创新研究取得的重大进展，在液压支架、采煤机、刮板输送机、带式输送机以及综采自动化技术等方面都实现了重大突破，取得了良好的应用效果，初步实现了综采工作面生产的自动化和无人化。与此同时，智能化高产高效煤矿对矿井辅助运输系统提出了更高的要求，需要运输系统效率更高、相关作业人员更少、信息化能力更强，逐步实现煤矿井下人员和材料运输的智能调度和精确配送。然而现有的无轨辅助运输设备主要以防爆无轨胶轮车辆为主，虽然与以往的有轨运输设备相比，大幅提高了运输效率，但也带来了井下尾气污染、设备维护工作繁重等问题，难以实现智慧化矿井少人化和无人化的发展需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轮式矿井物料配送机器人动力底盘，该底盘采用整体式结构框架，以清洁电能为动力，采用物料网技术、机器视觉技术、感知融合技术和电气防爆技术，实现物料识别、定位导航、自主行走、主动防撞和自主安全制动等功能，可为矿井物料配送机器人提供一种可靠的通用动力底盘。

为实现上述目的，本发明提供一种轮式矿井物料配送机器人动力底盘，包括底盘机架、集成式隔爆电控箱、防爆激光雷达、隔爆型锂电池箱、行走动力装置、散热装置、四角传感器隔爆箱、液压系统、双叉臂式独立悬架装置、安全型轮边制动器、轮胎、自动驾驶控制系统、视觉感知系统和无线通信终端；隔爆型锂电池箱设置在底盘机架的中部，为轮式矿井物料配送机器人动力底盘提供运行能量；两个所述集成式隔爆电控箱对称设置在隔爆型锂电池箱前方和后方的底盘机架上；两个所述防爆激光雷达分别设置在集成式隔爆电控箱上，用于获取轮式矿井物料配送机器人动力底盘运行环境的点云模型；双叉臂式独立悬架装置的数量为四个，每个集成式隔爆电控箱的两侧各设置一个双叉臂式独立悬架装置；安全型轮边制动器内侧和双叉臂式独立悬架装置铰接，外侧安装在轮胎的轮毂上；每个集成式隔爆电控箱的下部均设置有一个行走动力装置，每个行走动力装置均与两侧的安全型轮边制动器连接，用于控制轮胎的转动和转向；两个所述散热装置对称布置在底盘机架的前端和后端，用于对行走动力装置和集成式隔爆电控箱进行冷却散热；四个所述四角传感器隔爆箱分别布置在底盘机架的四角位置；液压系统为轮式矿井物料配送机器人动力底盘提供和分配液压油；视觉感知系统设置在四角传感器隔爆箱中，用于实时获取并处理轮式矿井物料配送机器人动力底盘运行环境的3D视频数据；无线通信终端设置在集成式隔爆电控箱中，通过无线网络接收远程控制平台发送的控制信号，并将控制信号传递给自动驾驶控制系统，且将轮式矿井物料配送机器人动力底盘的运行信息和运行环境数据通过无线网络反馈给远程控制平台；自动驾驶控制系统设置在集成式隔爆电控箱中，根据防爆激光雷达发送的点云模型、视觉感知系统发送的3D视频数据以及远程控制平台发送的控制信号控制轮式矿井物料配送机器人动力底盘的运行。

进一步地，底盘机架采用整体框架式承载结构，中部设置有用于安装两个隔爆型锂电池箱的两个框型结构；框型结构的前方和后方设置有用于安装上部结构（如货箱等）的上装承载结构。

进一步地，行走动力装置包括转向电机、转向装置、转向拉杆、减速差速器、隔爆牵引电机和传动半轴；转向电机设置在集成式隔爆电控箱中，轴端与转向装置连接；转向拉杆的两端分别与转向装置和轮胎连接；减速差速器的输入端和隔爆牵引电机的输出端连接，输出端与安全型轮边制动器连接。

进一步地，液压系统包括油泵电机、液压泵和集中供液模块；液压泵固定在集成式隔爆电控箱侧面，与集成式隔爆电控箱中的油泵电机连接；集中供液模块集成油液存储、分配和充液功能，在液压泵带动下为蓄能器提供能量，供轮边制动器使用。

进一步地，视觉感知系统包括照明灯、信号灯、喇叭、数据交换机、DC/DC电源模块、视觉感知处理器、RGB-D摄像机和ToF激光探头；照明灯、信号灯、喇叭由自动驾驶控制系统控制；DC/DC电源模块为视觉感知处理器提供匹配电源；RGB-D摄像机和ToF激光探头用于实时采集底盘运行环境的视频数据、红外图像和深度距离信息，并经视觉感知处理器处理后，通过数据交换机发送给自动驾驶控制系统。

进一步地，自动驾驶控制系统包括车载唤醒模块、低压配电模块、车载保护模块、能量管理单元、融合感知决策模块、整车控制器、牵引电机控制器、油泵电机控制器、转向电机控制器、散热电机控制器和制动控制电磁阀；远程控制平台发送的控制信号通过无线网络下达给车载唤醒模块，轮式矿井物料配送机器人动力底盘唤醒后低压配电模块为车载保护模块供电，车载保护模块进行绝缘和漏电检测以及巷道瓦斯含量探测，确保安全后，能量管理单元启动，控制隔爆型锂电池箱为轮式矿井物料配送机器人动力底盘进行高压配电工作；

视觉感知系统获取的3D视频数据和防爆激光雷达获得的点云模型，通过LAN数据线输入到融合感知决策模块进行计算处理，建立高精度的运行环境地图，并做出运行决策，然后通过CAN总线将运行决策发送给整车控制器；整车控制器通过牵引电机控制器、油泵电机控制器、转向电机控制器、散热电机控制器和制动控制电磁阀，分别控制防爆牵引电机、油泵电机、转向电机、散热装置的散热电机和轮边制动器，分别实现轮式矿井物料配送机器人动力底盘的行走、供液、转向、散热和制动功能。

进一步地，无线通信终端包括无线通信模块以及与无线通信模块电连接的三合一浇封天线；无线通信模块通过CAN线与整车控制器电连接。

本发明具有如下的有益效果：

本发明针对现有煤矿无轨辅助运输设备存在的尾气污染严重、自动化水平低、信息化程度落后等问题，综合采用了清洁动力技术、物料网技术、机器视觉技术、感知融合技术和电气防爆技术，突破传统辅助运输设备的设计理念和结构形式，以清洁电能为动力，实现了主动感知、定位导航和自动行走等功能。同时将底盘承载结构和电气设备防爆要求进行统筹设计，将各功能单元模块化、集成化，具备结构紧凑、外形低矮等特征，可以进入到传统辅助运输设备难以达到的低矮煤层和危险环境中执行运输作业任务。该设备的关键部件均采用了双系统设计，两套系统相互支持又各自独立，提高了整机的安全性和可靠性。该发明将机器人技术应用到煤矿井下辅助运输领域，有助于提高煤矿生产自动化和智能化水平，是实现煤矿物料标准化装载、智能化配送、自动化转运和无人化运输的重要技术装备。

附图说明

图1为轮式矿井物料配送机器人动力底盘的外形图；

图2为轮式矿井物料配送机器人动力底盘的结构透视图；

图3为行走动力装置的俯视图；

图4为隔爆型锂电池箱的内部组成电气原理图；

图5为自动驾驶控制系统的组成结构框图。

其中，附图标记对应的名称为：

1、底盘机架，2、集成式隔爆电控箱，3、防爆激光雷达，4、隔爆型锂电池箱，5、行走动力装置，6、散热装置，7、四角传感器隔爆箱，8、液压系统，9、双叉臂式独立悬架装置，10、安全型轮边制动器，11、蓄能器，12、轮胎，13、自动驾驶控制系统，14、视觉感知系统，15、无线通信终端，16、轮毂，17、框型结构，18、上装承载结构，19、上叉臂，20、下叉臂，21、空气弹簧装置，22、阻尼减震器，23、转向装置，24、转向拉杆，25、减速差速器，26、隔爆牵引电机，27、传动半轴，28、照明灯，29、信号灯，30、喇叭，31、数据交换机，32、DC/DC电源模块，33、视觉感知处理器，34、RGB-D摄像机，35、ToF激光探头，36、车载唤醒模块，37、低压配电模块，38、车载保护模块，39、能量管理单元，40、融合感知决策模块，41、整车控制器，42、牵引电机控制器，43、油泵电机控制器，44、转向电机控制器，45、散热电机控制器，46、制动控制电磁阀，47、无线通信模块，48、三合一浇封天线，49、油泵电机，50、散热电机，51、转向电机，52、远程控制平台，53、液压泵，54、集中供液模块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例为解决当前煤矿辅助运输系统自动化、信息化程度低，相关作业人员数量多、劳动强度大，难以满足智慧矿山对煤矿生产少人化、无人化发展要求的问题，提供了一种轮式矿井物料配送机器人动力底盘，其具备了物料识别、定位导航、自主行走、主动防撞和安全制动等功能，可为矿井物料配送机器人提供一种通用动力底盘，有助于实现煤矿物料标准化装载、智能化配送、自动化转运和无人化运输。应当注意的是，在本实施例中未作特别说明的部件（如散热装置、液压泵、轮胎、蓄能器、照明灯、喇叭、各电机、各模块及各控制器等）均可选用本领域常规选择即可。

本实施例提供一种轮式矿井物料配送机器人动力底盘，包括底盘机架1、集成式隔爆电控箱2、防爆激光雷达3、隔爆型锂电池箱4、行走动力装置5、散热装置6、四角传感器隔爆箱7、液压系统8、双叉臂式独立悬架装置9、安全型轮边制动器10、轮胎12、自动驾驶控制系统13、视觉感知系统14和无线通信终端15；隔爆型锂电池箱4设置在底盘机架1的中部，为轮式矿井物料配送机器人动力底盘提供运行能量；两个所述集成式隔爆电控箱2对称设置在隔爆型锂电池箱4前方和后方的底盘机架1上；两个所述防爆激光雷达3分别设置在集成式隔爆电控箱2上，用于获取轮式矿井物料配送机器人动力底盘运行环境的点云模型；双叉臂式独立悬架装置9的数量为四个，每个集成式隔爆电控箱2的两侧各设置一个双叉臂式独立悬架装置9；安全型轮边制动器10内侧和双叉臂式独立悬架装置9铰接，外侧安装在轮胎12的轮毂16上；每个集成式隔爆电控箱2的下部均设置有一个行走动力装置5，每个行走动力装置5均与两侧的安全型轮边制动器10连接，用于控制轮胎12的转动和转向；两个所述散热装置6对称布置在底盘机架1的前端和后端，用于对行走动力装置5和集成式隔爆电控箱2进行冷却散热；四个所述四角传感器隔爆箱7分别布置在底盘机架1的四角位置；液压系统8为轮式矿井物料配送机器人动力底盘提供和分配液压油；视觉感知系统14设置在四角传感器隔爆箱7中，用于实时获取并处理轮式矿井物料配送机器人动力底盘运行环境的3D视频数据；无线通信终端15设置在集成式隔爆电控箱2中，通过无线网络接收远程控制平台52发送的控制信号，并将控制信号传递给自动驾驶控制系统13，且将轮式矿井物料配送机器人动力底盘的运行信息和运行环境数据通过无线网络反馈给远程控制平台52；自动驾驶控制系统13设置在集成式隔爆电控箱2中，根据防爆激光雷达3发送的点云模型、视觉感知系统14发送的3D视频数据以及远程控制平台52发送的控制信号控制轮式矿井物料配送机器人动力底盘的运行。

进一步地，底盘机架1采用整体框架式承载结构，中部设置有用于安装两个隔爆型锂电池箱4的两个框型结构17；框型结构17的前方和后方设置有用于安装上部结构（如货箱等）的上装承载结构18。

进一步地，双叉臂式独立悬架装置9，包括上叉臂19、下叉臂20、空气弹簧装置21和阻尼减震器22等。

进一步地，行走动力装置5包括转向电机51、转向装置23、转向拉杆24、减速差速器25、隔爆牵引电机26和传动半轴27；转向电机51设置在集成式隔爆电控箱2中，轴端与转向装置23连接；转向拉杆24的两端分别与转向装置23和轮胎12连接；减速差速器25的输入端和隔爆牵引电机26的输出端连接，输出端与安全型轮边制动器10连接。行走动力装置5通过双系统设计，两套系统互相支持，又可各自独立，提高了系统可靠性，同时具备四轮转向功能，以减小轮式矿井物料配送机器人动力底盘转弯半径。

进一步地，液压系统8包括油泵电机49、液压泵53和集中供液模块54；液压泵53固定在集成式隔爆电控箱2侧面，与集成式隔爆电控箱2中的油泵电机49连接；集中供液模块54集成油液存储、分配和充液功能，在液压泵53带动下为蓄能器11提供能量，供轮边制动器10使用。

进一步地，视觉感知系统14包括照明灯28、信号灯29、喇叭30、数据交换机31、DC/DC电源模块32、视觉感知处理器33、RGB-D摄像机34和ToF激光探头35；照明灯28、信号灯29、喇叭30由自动驾驶控制系统13控制；DC/DC电源模块32为视觉感知处理器33提供匹配电源；RGB-D摄像机34和ToF激光探头35用于实时采集底盘运行环境的视频数据、红外图像和深度距离信息，并经视觉感知处理器33处理后，通过数据交换机31发送给自动驾驶控制系统13。

进一步地，自动驾驶控制系统13包括车载唤醒模块36、低压配电模块37、车载保护模块38、能量管理单元39、融合感知决策模块40、整车控制器41、牵引电机控制器42、油泵电机控制器43、转向电机控制器44、散热电机控制器45和制动控制电磁阀46；远程控制平台52发送的控制信号通过无线网络下达给车载唤醒模块36，轮式矿井物料配送机器人动力底盘唤醒后低压配电模块37为车载保护模块38供电，车载保护模块38进行绝缘和漏电检测以及巷道瓦斯含量探测，确保安全后，能量管理单元39启动，控制隔爆型锂电池箱4为轮式矿井物料配送机器人动力底盘进行高压配电工作；视觉感知系统14获取的3D视频数据和防爆激光雷达3获得的点云模型，通过LAN数据线输入到融合感知决策模块40进行计算处理，建立高精度的运行环境地图，并做出运行决策，然后通过CAN总线将运行决策发送给整车控制器41；整车控制器41通过牵引电机控制器42、油泵电机控制器43、转向电机控制器44、散热电机控制器45和制动控制电磁阀46，分别控制防爆牵引电机26、油泵电机49、转向电机51、散热装置6的散热电机50和轮边制动器10，分别实现轮式矿井物料配送机器人动力底盘的行走、供液、转向、散热和制动功能。

进一步地，无线通信终端15包括无线通信模块47以及与无线通信模块47电连接的三合一浇封天线48；无线通信模块47通过CAN线与整车控制器41电连接。

本实施例综合采用了物料网技术、机器视觉技术、感知融合技术和电气防爆技术，突破传统辅助运输设备的设计理念和结构形式，将底盘承载结构和电气设备防爆要求进行统筹设计，将各功能单元模块化、集成化，关键部件采用双系统冗余设计，可实现清洁动力、物料识别、定位导航和自主行走等功能，为煤矿物料配送机器人提供了一种可靠的多功能轮式动力底盘，以实现煤矿物料标准化装载、智能化配送、自动化转运和无人化运输，对实现煤矿生产智能化、信息化和少人化具有重大意义，适应了煤矿辅助运输系统少人化和无人化的发展潮流。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种轮式矿井物料配送机器人动力底盘，其特征在于，包括底盘机架（1）、集成式隔爆电控箱（2）、防爆激光雷达（3）、隔爆型锂电池箱（4）、行走动力装置（5）、散热装置（6）、四角传感器隔爆箱（7）、液压系统（8）、双叉臂式独立悬架装置（9）、安全型轮边制动器（10）、轮胎（12）、自动驾驶控制系统（13）、视觉感知系统（14）和无线通信终端（15）；

所述隔爆型锂电池箱（4）设置在底盘机架（1）的中部，为轮式矿井物料配送机器人动力底盘提供运行能量；

两个所述集成式隔爆电控箱（2）对称设置在隔爆型锂电池箱（4）前方和后方的底盘机架（1）上；

两个所述防爆激光雷达（3）分别设置在集成式隔爆电控箱（2）上，用于获取轮式矿井物料配送机器人动力底盘运行环境的点云模型；

所述双叉臂式独立悬架装置（9）的数量为四个，每个集成式隔爆电控箱（2）的两侧各设置一个双叉臂式独立悬架装置（9）；

所述安全型轮边制动器（10）内侧和双叉臂式独立悬架装置（9）铰接，外侧安装在轮胎（12）的轮毂（16）上；

每个集成式隔爆电控箱（2）的下部均设置有一个行走动力装置（5），每个行走动力装置（5）均与两侧的安全型轮边制动器（10）连接，用于控制轮胎（12）的转动和转向；

两个所述散热装置（6）对称布置在底盘机架（1）的前端和后端，用于对行走动力装置（5）和集成式隔爆电控箱（2）进行冷却散热；

四个所述四角传感器隔爆箱（7）分别布置在底盘机架（1）的四角位置；

所述液压系统（8）为轮式矿井物料配送机器人动力底盘提供和分配液压油；

所述视觉感知系统（14）设置在四角传感器隔爆箱（7）中，用于实时获取并处理轮式矿井物料配送机器人动力底盘运行环境的3D视频数据；

所述无线通信终端（15）设置在集成式隔爆电控箱（2）中，通过无线网络接收远程控制平台（52）发送的控制信号，并将控制信号传递给自动驾驶控制系统（13），且将轮式矿井物料配送机器人动力底盘的运行信息和运行环境数据通过无线网络反馈给远程控制平台（52）；

所述自动驾驶控制系统（13）设置在集成式隔爆电控箱（2）中，根据防爆激光雷达（3）发送的点云模型、视觉感知系统（14）发送的3D视频数据以及远程控制平台（52）发送的控制信号控制轮式矿井物料配送机器人动力底盘的运行。

2.根据权利要求1所述的轮式矿井物料配送机器人动力底盘，其特征在于，所述底盘机架（1）采用整体框架式承载结构，中部设置有用于安装两个隔爆型锂电池箱（4）的两个框型结构（17）；

所述框型结构（17）的前方和后方设置有用于安装上部结构的上装承载结构（18）。

3.根据权利要求1所述的轮式矿井物料配送机器人动力底盘，其特征在于，所述行走动力装置（5）包括转向电机（51）、转向装置（23）、转向拉杆（24）、减速差速器（25）、隔爆牵引电机（26）和传动半轴（27）；

所述转向电机（51）设置在集成式隔爆电控箱（2）中，轴端与转向装置（23）连接；

所述转向拉杆（24）的两端分别与转向装置（23）和轮胎（12）连接；

所述减速差速器（25）的输入端和隔爆牵引电机（26）的输出端连接，输出端与安全型轮边制动器（10）连接。

4.根据权利要求3所述的轮式矿井物料配送机器人动力底盘，其特征在于，液压系统（8）包括油泵电机（49）、液压泵（53）和集中供液模块（54）；

所述液压泵（53）固定在集成式隔爆电控箱（2）侧面，与集成式隔爆电控箱（2）中的油泵电机（49）连接；

所述集中供液模块（54）集成油液存储、分配和充液功能，在液压泵（53）带动下为蓄能器（11）提供能量，供轮边制动器（10）使用。

5.根据权利要求4所述的轮式矿井物料配送机器人动力底盘，其特征在于，视觉感知系统（14）包括照明灯（28）、信号灯（29）、喇叭（30）、数据交换机（31）、DC/DC电源模块（32）、视觉感知处理器（33）、RGB-D摄像机（34）和ToF激光探头（35）；

所述照明灯（28）、信号灯（29）、喇叭（30）由自动驾驶控制系统（13）控制；

所述DC/DC电源模块（32）为视觉感知处理器（33）提供匹配电源；

所述RGB-D摄像机（34）和ToF激光探头（35）用于实时采集底盘运行环境的视频数据、红外图像和深度距离信息，并经视觉感知处理器（33）处理后，通过数据交换机（31）发送给自动驾驶控制系统（13）。

6.根据权利要求5所述的轮式矿井物料配送机器人动力底盘，其特征在于，自动驾驶控制系统（13）包括车载唤醒模块（36）、低压配电模块（37）、车载保护模块（38）、能量管理单元（39）、融合感知决策模块（40）、整车控制器（41）、牵引电机控制器（42）、油泵电机控制器（43）、转向电机控制器（44）、散热电机控制器（45）和制动控制电磁阀（46）；

远程控制平台（52）发送的控制信号通过无线网络下达给车载唤醒模块（36），轮式矿井物料配送机器人动力底盘唤醒后低压配电模块（37）为车载保护模块（38）供电，车载保护模块（38）进行绝缘和漏电检测以及巷道瓦斯含量探测，确保安全后，能量管理单元（39）启动，控制隔爆型锂电池箱（4）为轮式矿井物料配送机器人动力底盘进行高压配电工作；

视觉感知系统（14）获取的3D视频数据和防爆激光雷达（3）获得的点云模型，通过LAN数据线输入到融合感知决策模块（40）进行计算处理，建立高精度的运行环境地图，并做出运行决策，然后通过CAN总线将运行决策发送给整车控制器（41）；

所述整车控制器（41）通过牵引电机控制器（42）、油泵电机控制器（43）、转向电机控制器（44）、散热电机控制器（45）和制动控制电磁阀（46），分别控制防爆牵引电机（26）、油泵电机（49）、转向电机（51）、散热装置（6）的散热电机（50）和轮边制动器（10），分别实现轮式矿井物料配送机器人动力底盘的行走、供液、转向、散热和制动功能。

7.根据权利要求6所述的轮式矿井物料配送机器人动力底盘，其特征在于，无线通信终端（15）包括无线通信模块（47）以及与无线通信模块（47）电连接的三合一浇封天线（48）；

所述无线通信模块（47）通过CAN线与整车控制器（41）电连接。

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