CN111706765A - 一种复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人 - Google Patents

一种复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人 Download PDF

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Abstract

一种复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人，适用于煤矿井下使用。包括轨道机构、行走机构、驱动模块、巡检模块及控制单元，其中行走机构共有两个分别设置在轨道机构上，驱动模块设置在轨道机构两侧，巡检模块设置在行走机构上；控制单元置于轨道机构一端，用于接收和判断巡检模块发出的信息并控制整个系统的起停；根据需要甚至可以使用电池供电能够满足工作需要，适合一些老旧矿井改造或者井下供电不足的场景使用；轨道机构有两条单轨道，单轨道内各悬挂一个行走机构，两者反向移动，往复巡检，提高了巡检频率。其移动平稳，能够实现往复不间断的检测。

Description

一种复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人
技术领域
本发明涉及一种煤矿巡检机器人，尤其适用于一种煤矿井下使用的复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人。
背景技术
用机器人代替人进行巡检，则可以避免很多人工巡检过程中的难题，且能随时调配机器人到达指定位置，可以在未知是否有险情的情况下进行检测和巡视。目前在地面上行走的轮式和履带式巡检机器人，当地面障碍物较多，或者地形复杂时应用受限。而对于综合管廊，大型管道、隧道这种环境下，在顶部或者空中架设轨道，用在轨道上运行的移动机器人进行巡检更具有可靠性。和地面移动巡检机器人相比较，轨道巡检机器人具有快速高效的优点，不受地面特征制约，也不占用地面空间。
现有的煤矿巡检机器人系统驱动方式主要是搭载蓄电池，然而煤矿井下充满高爆炸性气体，蓄电池的安全性大大降低，且根据现有《煤矿安全规程》关于煤矿井下充电的规定：“机车等移动设备需要在专用充电硐室或地面充电”，因此蓄电池驱动电机及主动轮在轨道上运行，这种方式使得巡检机器人结构冗杂且重量大、耗能快且巡检不连续、效率低。
为确保轨道式的煤矿巡检机器人稳定高效运行，轨道的结构设计也尤为重要。当前，煤矿巡检机器人的运行方式主要是通过在工字钢轨两侧对称设置驱动轮，通过两侧驱动轮的摩擦带动机器人巡检，当到达巡检尽头时可通过驱动轮反转或圆形轨道实现往复巡检。然而，这种方式会使得对于同一目标检测的时间间隙较大，巡检效率低。
发明内容
针对上述技术的不足之处，提供一种两个机器人在同一轨道上往复巡检实现连续检测，提升巡检效率，且结构简单质量轻，能耗低的复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人。
为实现上述技术目的，本发明的复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人，包括轨道机构、行走机构、驱动模块、巡检模块和控制单元，其中行走机构共有两个分别设置在轨道机构上，驱动模块设置在轨道机构两侧，巡检模块设置在行走机构上；控制单元置于轨道机构一端，用于接收和判断巡检模块发出的信息并控制驱动模块的起停；
轨道机构包括轨道、限位螺栓、防护板、钢轨连接板以及压绳轮，所述轨道截面为工字结构，从而在轨道内构成两条平行设置且左右方向开口的单轨道，两条单轨道的开口处上下两侧边通过螺钉对称设有防护板，单轨道靠近所述驱动模块的尾端部分上通过转轴和结合板设有压绳轮，轨道的两条单轨道顶部还各开有一条限位槽；压绳轮通过转轴及结合板与轨道连接并安置在轨道靠近驱动模块的尾端；
行走机构包括滚动轴承、限位滚轮和连接架b，滚动轴承设置在轨道的单轨道中，限位滚轮设置在滚动轴承所在单轨道顶部的限位槽上，滚动轴承通过从单轨道开口水平延伸出去的连接轴与连接架b连接，限位滚轮通过水平设置的连接器同样与连接架b连接
驱动模块包括减速器、隔爆型三相异步电机、驱动轮、钢丝绳和从动轮，驱动轮和从动轮分别水平设置在轨道的两端，其中驱动轮上分别设有隔爆型三相异步电机，隔爆型三相异步电机通过减速器带动驱动轮转动，驱动轮与从动轮之间缠绕设有钢丝绳，钢丝绳穿过轨道上的两条单轨道并首尾相连，通过摩擦力由驱动轮带动从动轮旋转，行走机构中的滚动轴承通过连接架a连接在钢丝绳上，当钢丝绳受隔爆型三相异步电机驱动在驱动轮和从动轮上移动时，通过连接架a带动滚动轴承在单轨道中滑行，从而带动整个行走机构沿轨道往返移动；
巡检模块包括超声波定位传感器、电源模块、检测装置激光雷达扫描仪、无线通讯装置、防爆壳体和控制系统，所述防爆壳体为矩形金属壳体，防爆壳体的顶端与连接架b的底部连接，防爆壳体随连接架a在钢丝绳的带动下往返方向移动，防爆壳体位于往返方向上分别设有两个超声波定位传感器，检测装置激光雷达扫描仪、无线通讯装置和电源模块设置在防爆壳体内，其中无线通讯装置将超声波定位传感器实时定位消息发送给控制单元。
所述行走机构的滚动轴承通过连接轴与连接架b连接外，在单轨道顶部的限位槽上设置的限位滚轮为两个一组先后设置，两个限位滚轮的转轴通过连接器与连接架b链接，防止行走机构在轨道中往返行走时左右摇摆，连接架b位于连接轴的下方还横向设有与轨道下方的防护板滑动接触的导向轮，导向轮为连接架b提供水平向外的支撑力，从而防止连接架b下方连接的巡检模块过重导致滚动轴承跑偏。
所述滚动轴承通过过盈配合与连接轴连接，连接轴尾部开有螺纹并穿过连接架b上的螺纹孔，螺母与连接架b固定。
轨道的单轨道两侧上分别设有限制行走机构活动范围的限位螺栓，即可以设定驱动模块带动巡检模块的活动范围，又可以保证驱动模块不会脱出轨道导致设备损坏。
所述轨道的长度根据需要可以延长或者缩短，需要延长时只需将两个轨道组件首位对接，并在两个轨道组件的首尾连接处的上下分别设置钢轨连接板即可固定，若要缩短轨道的长度时只需拆除对应长度的轨道组件上的钢轨连接板即可取下轨道组件。
所述超声波定位传感器型号为NU14E140TR-1，防爆壳体内的检测装置激光雷达扫描仪型号为LMS111，无线路由器型号为TL-WR702N；检测装置激光雷达扫描仪通过线路与隔爆型三相异步电机连接，根据实际需要还可以选择不同的检测元件设置在防爆壳体内。
所述连接轴顶端为圆形头以减少与轨道腹板的摩擦阻力，连接轴的轴肩处采用圆角过渡，以减少与防护板的接触。
所述连接轴末端伸出轨道一定长度与连接架b连接，连接架b下方设有安装板，连接轴末端伸出轨道的长度用以防止在两个单轨道中的行走机构所带动的巡检模块相互反向巡检运动时相互干涉发生碰撞。
悬挂在轨道上的行走机构下端可选择的选择不同的安装板，以安装不同规格的巡检模块。
控制单元置于轨道机构一端，通过无线通讯装置接收巡检模块发出的信息实现分析与判断并与所述驱动模块连接控制整个系统的起停。
有益效果：
1)、该双向自驱动轨道系统采用钢丝绳牵引，简化了巡检机器人机构，巡检机器人内的电源只需为检测装置激光雷达扫描仪供电，降低能耗，避免巡检机器人需频繁充电而降低工作效率，根据需要甚至可以使用电池供电依然能够满足工作需要，适合一些老旧矿井改造或者井下供电不足的场景使用；
2)、该双向自驱动轨道系统可以在轨道两侧各悬挂一个巡检机器人，两者反向移动，往复巡检，提高了巡检频率。
3)、该双向自驱动轨道系统设有超声波传感器、无线传输模块及控制系统，能对巡检机器人实时定位，并根据巡检机器人实时位置控制驱动轮转向。
4)、该双向自驱动轨道系统的行走机构包含滚动轴承及上下两对限位滚轮，便于实现平稳前进的效果。
5)、本发明的装置结构简单，耗电量低，适用于在爆炸性气体环境中运行，可实现大坡度爬行。
附图说明
图1是本发明复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人的结构示意图；
图2是本发明复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人平面示意图；
图3是本发明复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人的B-B剖面示意图；
图4是本发明的轨道结构示意图；
图5是本发明的系统行走机构结构示意图；
图6是本发明的连接轴和连接件配合示意图。
图中：1轨道、2滚动轴承、3限位滚轮、4连接件、5结合板、6驱动轮、7减速器、8隔爆型三相异步电机、9钢丝绳、10超声波定位传感器、11电源模块、12检测装置激光雷达扫描仪、13无线通讯装置、14防爆壳体、15防护板、16连接轴、17连接架、18控制系统、19从动轮、20导向轮、21限位槽、22限位螺栓、23压绳轮、24安装板、25钢轨连接板。
实施方式
下面结合附图对本发明实施例做进一步说明：
如图1和图2所示，本发明的复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人，包括轨道机构、行走机构、驱动模块、巡检模块和控制单元，其中行走机构共有两个分别设置在轨道机构上，驱动模块设置在轨道机构两侧，巡检模块设置在行走机构上；控制单元置于轨道机构一端，用于接收和判断巡检模块发出的信息并控制整个系统的起停；
如图3所示，轨道机构包括轨道1、限位螺栓22、防护板15、钢轨连接板25以及压绳轮23，所述轨道1截面为工字结构，从而在轨道1内构成两条平行设置且左右方向开口的单轨道，两条单轨道的开口处上下两侧边通过螺钉对称设有防护板15，单轨道靠近所述驱动模块的尾端部分上通过转轴和结合板设有压绳轮23，轨道1的两条单轨道顶部还各开有一条限位槽21，压绳轮23通过转轴及结合板5与轨道1连接并安置在轨道1靠近驱动模块的尾端；轨道1的单轨道两侧上分别设有限制行走机构活动范围的限位螺栓22，即可以设定驱动模块带动巡检模块的活动范围，又可以保证驱动模块不会脱出轨道1导致设备损坏；所述轨道1的长度根据需要可以延长或者缩短，需要延长时只需将两个轨道组件首位对接，并在两个轨道组件的首尾连接处的上下分别设置钢轨连接板25即可固定，若要缩短轨道1的长度时只需拆除对应长度的轨道组件上的钢轨连接板25即可取下轨道组件；
如图4、图5所示，行走机构包括滚动轴承2、限位滚轮3和连接架b17，滚动轴承2设置在轨道1的单轨道中，限位滚轮3设置在滚动轴承2所在单轨道顶部的限位槽21上，滚动轴承2通过从单轨道开口水平延伸出去的连接轴16与连接架b17连接，限位滚轮3通过水平设置的连接器同样与连接架b17连接；所述行走机构的滚动轴承2通过连接轴16与连接架b17连接外，在单轨道顶部的限位槽21上设置的限位滚轮3为两个一组先后设置，两个限位滚轮3的转轴通过连接器与连接架b17链接，防止行走机构在轨道中往返行走时左右摇摆，连接架b17位于连接轴16的下方还横向设有与轨道1下方的防护板15滑动接触的导向轮20，导向轮20为连接架b17提供水平向外的支撑力，从而防止连接架b17下方连接的巡检模块过重导致滚动轴承2跑偏；所述滚动轴承2通过过盈配合与连接轴16连接，连接轴16尾部开有螺纹并穿过连接架b17上的螺纹孔，螺母与连接架b17固定，连接轴16顶端为圆形头以减少与轨道1腹板的摩擦阻力，连接轴16的轴肩处采用圆角过渡，以减少与防护板的接触；连接轴16末端伸出轨道一定长度与连接架b17连接，连接架b17下方设有安装板24，悬挂在轨道1上的行走机构下端可选择的选择不同的安装板24，以安装不同规格的巡检模块；连接轴16末端伸出轨道的长度用以防止在两个单轨道中的行走机构所带动的巡检模块相互反向巡检运动时相互干涉发生碰撞。
驱动模块包括减速器7、隔爆型三相异步电机8、驱动轮6、钢丝绳9和从动轮19，驱动轮6和从动轮19分别水平设置在轨道1的两端，其中驱动轮6上分别设有隔爆型三相异步电机8，隔爆型三相异步电机8通过减速器7带动驱动轮6转动，驱动轮6与从动轮19之间缠绕设有钢丝绳9，钢丝绳9穿过轨道1上的两条单轨道并首尾相连，通过摩擦力由驱动轮6带动从动轮19旋转，行走机构中的滚动轴承2通过连接架a4连接在钢丝绳9上，当钢丝绳9受隔爆型三相异步电机7驱动在驱动轮6和从动轮19上移动时，通过连接架a4带动滚动轴承2在单轨道中滑行，从而带动整个行走机构沿轨道往返移动；
巡检模块包括超声波定位传感器10、电源模块11、检测装置激光雷达扫描仪12、无线通讯装置13、防爆壳体14和控制系统18，所述防爆壳体14为矩形金属壳体，防爆壳体14的顶端与连接架b17的底部连接，防爆壳体14随连接架a4在钢丝绳9的带动下往返方向移动，防爆壳体14位于往返方向上分别设有两个超声波定位传感器10，检测装置激光雷达扫描仪12、无线通讯装置13和电源模块11设置在防爆壳体14内。
所述超声波定位传感器10型号为NU14E140TR-1，防爆壳体14内的检测装置激光雷达扫描仪12型号为LMS111，无线路由器13型号为TL-WR702N；检测装置激光雷达扫描仪12通过线路与隔爆型三相异步电机7连接，根据实际需要还可以选择不同的检测元件设置在防爆壳体14内。
所述巡检模块包括超声波定位传感器10、无线通讯装置13、控制系统18。所述超声波定位传感器10安装在巡检机器人前后两端，所述无线通讯装置13分别放置于防爆壳体14及控制系统18内，所述控制系统18与隔爆型三相异步电机8输入端连接。超声波定位传感器对巡检模块实时定位，控制系统(18)通过无线通讯装置接收巡检模块发出的信息实现分析与判断并通过隔爆型三相异步电机8控制整个系统的起停。
在轨道1两侧的单轨道中各悬挂一个行走机构，两行走机构下可分别安装一个巡检机器人，在钢丝绳9的牵引下，两行走机构带动巡检机器人反向运动，两行走机构总是沿巡检轨道路径中心点对称。轨道1由一节节钢轨组成，每节钢轨上下端部安装有钢轨连接板25，通过螺栓螺母将各节钢轨端部钢轨连接板对接组成轨道1.
如图3、图5、图6，连接轴16与滚动轴承2配合的两端开有凹槽，用于安置连接件4。连接轴16顶端设计为圆形头以减少与轨道1腹板的摩擦阻力，在连接轴16轴肩处采用圆角过渡，以减少与防护板15的接触。连接件4有上下两部分，夹持着连接轴16的凹槽，并通过螺钉连接。滚动轴承2左右两连接件通过钢板连接，钢板上开有用于穿绑钢丝绳9的圆孔。
本发明的运行机理为：在隔爆型三相异步电机8及减速器7的驱动下，驱动轮6转动并通过摩擦力带动钢丝绳9运动，在钢丝绳9的牵引下悬挂于轨道1两侧且相对轨道路径中心对称的行走机构和安装于行走机构上的巡检机器人沿轨道1反向运动，巡检机器人上的超声波定位传感器10实时对巡检机器人定位，当检测到巡检机器人及行走机构各自到达巡检端点时，无线通讯装置13向控制系统18发出信号，控制系统18控制隔爆型三相异步电机8反转，通过减速器7带动驱动轮6及钢丝绳9反向运动，实现巡检机器人往复巡检。

Claims (10)

1.一种复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人，其特征在于：它包括轨道机构、行走机构、驱动模块、巡检模块和控制单元，其中行走机构共有两个分别设置在轨道机构上，驱动模块设置在轨道机构两侧，巡检模块设置在行走机构上；控制单元置于轨道机构一端，用于接收和判断巡检模块发出的信息并控制驱动模块的起停；
轨道机构包括轨道(1)、限位螺栓(22)、防护板(15)、钢轨连接板(25)以及压绳轮(23)，所述轨道(1)截面为工字结构，从而在轨道(1)内构成两条平行设置且左右方向开口的单轨道，两条单轨道的开口处上下两侧边通过螺钉对称设有防护板(15)，单轨道靠近所述驱动模块的尾端部分上通过转轴和结合板设有压绳轮(23)，轨道(1)的两条单轨道顶部还各开有一条限位槽(21)，压绳轮(23)通过转轴及结合板(5)与轨道(1)连接并安置在轨道(1)靠近驱动模块的尾端；
行走机构包括滚动轴承(2)、限位滚轮(3)和连接架b(17)，滚动轴承(2)设置在轨道(1)的单轨道中，限位滚轮(3)设置在滚动轴承(2)所在单轨道顶部的限位槽(21)上，滚动轴承(2)通过从单轨道开口水平延伸出去的连接轴(16)与连接架b(17)连接，限位滚轮(3)通过水平设置的连接器同样与连接架b(17)连接
驱动模块包括减速器(7)、隔爆型三相异步电机(8)、驱动轮(6)、钢丝绳(9)和从动轮(19)，驱动轮(6)和从动轮(19)分别水平设置在轨道(1)的两端，其中驱动轮(6)上分别设有隔爆型三相异步电机(8)，隔爆型三相异步电机(8)通过减速器(7)带动驱动轮(6)转动，驱动轮(6)与从动轮(19)之间缠绕设有钢丝绳(9)，钢丝绳(9)穿过轨道(1)上的两条单轨道并首尾相连，通过摩擦力由驱动轮(6)带动从动轮(19)旋转，行走机构中的滚动轴承(2)通过连接架a(4)连接在钢丝绳(9)上，当钢丝绳(9)受隔爆型三相异步电机(8)及减速器(7)驱动在驱动轮(6)和从动轮(19)上移动时，通过连接架a(4)带动滚动轴承(2)在单轨道中滑行，从而带动整个行走机构沿轨道往返移动；
巡检模块包括超声波定位传感器(10)、电源模块(11)、检测装置激光雷达扫描仪(12)、无线通讯装置(13)、防爆壳体(14)，所述防爆壳体(14)为矩形金属壳体，防爆壳体(14)的顶端与连接架b(17)的底部连接，防爆壳体(14)随连接架a(4)在钢丝绳(9)的带动下往返方向移动，防爆壳体(14)位于往返方向上分别设有两个超声波定位传感器(10)，检测装置激光雷达扫描仪(12)、无线通讯装置(13)和电源模块(11)设置在防爆壳体(14)内。
2.根据权利要求1所述的复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人，其特征在于：所述行走机构的滚动轴承(2)通过连接轴(16)与连接架b(17)连接外，在单轨道顶部的限位槽(21)上设置的限位滚轮(3)为两个一组先后设置，两个限位滚轮(3)的转轴通过连接器与连接架b(17)链接，防止行走机构在轨道中往返行走时左右摇摆，连接架b(17)位于连接轴(16)的下方还横向设有与轨道(1)下方的防护板(15)滑动接触的导向轮(20)，导向轮(20)为连接架b(17)提供水平向外的支撑力，从而防止连接架b(17)下方连接的巡检模块过重导致滚动轴承(2)跑偏。
3.根据权利要求2所述的复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人，其特征在于：所述滚动轴承(2)通过过盈配合与连接轴(16)连接，连接轴(16)尾部开有螺纹并穿过连接架b(17)上的螺纹孔，螺母与连接架b(17)固定。
4.根据权利要求1所述的复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人，其特征在于：轨道(1)的单轨道两侧上分别设有限制行走机构活动范围的限位螺栓(22)，即可以设定驱动模块带动巡检模块的活动范围，又可以保证驱动模块不会脱出轨道(1)导致设备损坏。
5.根据权利要求1所述的复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人，其特征在于：所述轨道(1)的长度根据需要可以延长或者缩短，需要延长时只需将两个轨道组件首位对接，并在两个轨道组件的首尾连接处的上下分别设置钢轨连接板(25)即可固定，若要缩短轨道(1)的长度时只需拆除对应长度的轨道组件上的钢轨连接板(25)即可取下轨道组件。
6.根据权利要求1所述的复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人，其特征在于：所述超声波定位传感器(10)型号为NU14E140TR-1，防爆壳体(14)内的检测装置激光雷达扫描仪(12)型号为LMS111，无线路由器(13)型号为TL-WR702N；检测装置激光雷达扫描仪(12)通过线路与隔爆型三相异步电机(7)连接，根据实际需要还可以选择不同的检测元件设置在防爆壳体(14)内。
7.根据权利要求1所述的复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人，其特征在于：所述连接轴(16)顶端为圆形头以减少与轨道(1)腹板的摩擦阻力，连接轴(16)的轴肩处采用圆角过渡，以减少与防护板的接触。
8.根据权利要求1所述的复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人，其特征在于：所述连接轴(16)末端伸出轨道一定长度与连接架b(17)连接，连接架b(17)下方设有安装板(24)，连接轴(16)末端伸出轨道的长度用以防止在两个单轨道中的行走机构所带动的巡检模块相互反向巡检运动时相互干涉发生碰撞。
9.根据权利要求1所述的复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人，其特征在于：悬挂在轨道(1)上的行走机构下端可选择的选择不同的安装板(24)，以安装不同尺寸重量规格的巡检模块。
10.根据权利要求1所述的复合轨道钢丝绳牵引煤矿巡检机器人，其特征在于：控制单元包括控制系统(18)，控制系统(18)置于轨道机构一端，通过无线通讯装置接收巡检模块发出的信息实现分析与判断并与驱动模块连接控制整个系统的起停。
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