CN112838658A - 用于矿用巡检机器人的安全充电装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于矿用巡检机器人的安全充电装置及系统，其中的安全充电装置的设置位置与巡检轨道间的距离小于设定阈值，所述安全充电装置包括：驱动部件，经控制开关与煤矿井下的防爆动力源联通，所述控制开关打开后所述驱动部件被动力驱动其驱动端输出驱动力；被驱动部件，设置于巡检机器人上，其第一端与所述驱动部件的驱动端连接，其第二端与所述巡检机器人内的隔爆发电机连接；所述被驱动部件被所述驱动力作用后输出驱动信号以带动所述隔爆发电机产生电能为所述巡检机器人的蓄电池充电。以上方案，巡检机器人能够通过煤矿井下的隔爆动力源作为能量源头，经过安全、快速的能量转换操作，为巡检机器人内的蓄电池进行充电。

Description

用于矿用巡检机器人的安全充电装置及系统

技术领域

本发明涉及矿用巡检机器人技术领域，具体地，涉及一种用于矿用巡检机器人的安全充电装置及系统。

背景技术

随着自动化、智能化技术的不断进步，矿用巡检机器人开始在煤矿推广应用，对减轻工人劳动强度和劳动风险、提高巡检质量和效率产生重要意义。煤矿巡检机器人的动力通常由自身搭载的蓄电池提供，当电池组电量不足时，巡检机器人需进行充电补充能量。

出于煤矿的安全防爆要求，目前对于矿用巡检机器人的充电方式多采用地面充电、井下安全环境充电、无线充电、防爆接口充电，但都存在一定的局限性，无法满足巡检机器人自主、智能、快速充电的应用需求。具体来说，地面充电对充电装置和充电接口的防爆要求较低，但巡检机器人需从井下返回地面充电，额外消耗电池组能量且往返时间较长；井下安全环境充电需要为额外建造充电硐室，造价高、难度大、性价比低；无线充电功率小、充电慢，无法满足快速充电需求；防爆接口充电对防爆接口和对接控制要求高，需额外设计复杂的驱动装置和闭锁机构，实际应用中很难保证防爆接口的持续有效性。

因此，煤矿井下巡检机器人的充电方法还存在很大的改进空间。

发明内容

本发明旨在提供一种用于矿用巡检机器人的安全充电装置及系统，以解决现有技术中矿用巡检机器人在充电时无法同时满足安全性、便利性和成本方面需求的技术问题。

为此，本发明提供一种用于矿用巡检机器人的安全充电装置，其设置位置与巡检轨道间的距离小于设定阈值，所述安全充电装置包括：

驱动部件，经控制开关与煤矿井下的防爆动力源联通，所述控制开关打开后所述驱动部件被动力驱动其驱动端输出驱动力；

被驱动部件，设置于巡检机器人上，其第一端与所述驱动部件的驱动端连接，其第二端与所述巡检机器人内的隔爆发电机连接；所述被驱动部件被所述驱动力作用后输出驱动信号以带动所述隔爆发电机产生电能为所述巡检机器人的蓄电池充电。

可选地，上述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置中，所述隔爆动力源为风源，所述控制开关包括控制阀门，所述驱动部件包括风包，所述风包内部存储压缩空气，所述控制阀门打开后所述风包输出风能；

所述被驱动部件包括叶轮和变速箱，所述叶轮的迎风面作为所述被驱动部件的第一端，所述变速箱的输出端作为所述被驱动部件的第二端；所述叶轮的迎风面与所述风包的出风口相对设置，在所述风能的作用下旋转；所述变速箱的输入端与叶轮转轴连接并随所述叶轮转轴同步转动，所述变速箱的输出端在其输入端的驱动下转动以驱动所述隔爆发电机。

可选地，上述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置中，所述风包内部的压缩空气的压力在0.6-0.8Mpa之间。

可选地，上述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置中，所述隔爆动力源为隔爆电动机，所述控制开关为所述隔爆电动机的驱动开关，所述驱动部件为铜转子组，所述隔爆电动机与所述铜转子组连接，所述隔爆电动机开启带动所述铜转子组转动；

所述被驱动部包括永磁体组，所述永磁体组的外形与所述铜转子组的内壁形状相适配，所述永磁体组的本体作为所述被驱动部件的第一端与所述铜转子组通过磁力建立联动关系，所述永磁体组的转轴作为所述被驱动部件的第二端与所述隔爆发电机连接；所述永磁体组延伸至所述铜转子组内且所述铜转子组转动时，所述永磁体组被所述铜转子组切割磁力线而转动；所述永磁体组的转轴旋转以驱动所述隔爆发电机。

可选地，上述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置中，所述铜转子组为空心圆柱体结构，所述空心圆柱体的内壁设置多个铜转子，所述空心圆柱体靠近所述隔爆电动机的一侧底面具有封口部，所述封口部与所述隔爆电动机的转轴同轴连接；

所述永磁体组为圆柱体结构，所述圆柱体结构内嵌多个永磁体，且所述永磁体的数量与所述铜转子的数量相同。

可选地，上述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置中，还包括：

行程开关，设置于所述巡检轨道上；所述行程开关被所述巡检机器人触发后发出充电准备信号；

控制模块，接收所述行程开关发出的所述充电准备信号，发出指令以使所述控制开关打开。

可选地，上述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置中，所述控制模块还用于与所述巡检机器人内的传感器通信连接，所述控制模块接收所述传感器发送的充电量信号；若所述充电量信号表示充电完成，则发出指令以使所述控制开关关闭。

可选地，上述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置中，所述控制开关为多档调节开关，所述控制模块根据所述充电量信号确定所述巡检机器人的充电速率，根据所述充电速率确定目标档位；所述控制模块发出调节信号以使所述控制开关调整至所述目标档位。

可选地，上述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置中，所述控制开关为控制阀门时，不同档位表示所述控制阀门的不同阀门开度；所述控制开关为隔爆电动机的驱动开关时，不同档位表示通过所述驱动开关的不同驱动电信号的大小。

本发明还提供一种用于矿用巡检机器人的安全充电系统，包括至少一个以上任一项所述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置；所述安全充电装置设置于巡检机器人的巡检轨道的两端和/或所述巡检轨道的至少一侧。

本发明提供的以上技术方案，与现有技术相比，至少具有如下有益效果：驱动部件经控制开关与煤矿井下的防爆动力源联通，驱动部件被动力驱动其驱动端输出驱动力，被驱动部件，设置于巡检机器人上，被所述驱动力作用后输出驱动信号以带动隔爆发电机产生电能为巡检机器人的蓄电池充电。本发明中的方案，巡检机器人能够通过煤矿井下的隔爆动力源作为能量源头，经过安全、快速的能量转换操作，为巡检机器人内的蓄电池进行充电，可以对煤矿井下巡检机器人进行就地、大功率、安全充电，从而达到了巡检机器人能量快速补充、增加开机率和巡检时间的目的。

附图说明

图1为本发明一个实施例所述用于矿用巡检机器人的安全充电装置的结构示意图；

图2为巡检机器人内部充电结构的结构示意图；

图3为本发明一个实施例所述风能充电方式的结构示意图；

图4为本发明一个实施例所述永磁充电方式的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图进一步说明本发明实施例。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必需具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

本申请一些实施例中提供一种用于矿用巡检机器人的安全充电装置，其设置位置与巡检轨道间的距离小于设定阈值，设定阈值是指能够满足为巡检机器人充电的适当距离，如果过远或过近，安全充电装置无法与巡检机器人建立连接，如图1所示，所述安全充电装置包括：

驱动部件1，经控制开关2与煤矿井下的防爆动力源3联通，所述控制开关2打开后所述驱动部件1被防爆动力源3输出的动力驱动其驱动端输出驱动力；被驱动部件4，设置于巡检机器人上，其第一端与所述驱动部件1的驱动端连接，其第二端与所述巡检机器人内的隔爆发电机5连接；所述被驱动部件4被所述驱动力作用后输出驱动信号以带动所述隔爆发电机5产生电能为所述巡检机器人的蓄电池6充电。

其中，如图2所示，所述巡检机器人内部的充电结构除了隔爆发电机5和蓄电池6之外还可以包括充电控制电路7，充电控制电路7可以由巡检机器人本身的控制系统进行控制，巡检机器人的控制系统可以实时监控蓄电池6的剩余电量，当发现蓄电池6的剩余电量不足时，暂停巡检任务，控制巡检机器人移动至充电装置执行充电操作，当确定已经准备就绪能够充电时，向充电控制电路7发送信号，充电控制电路7随即导通进行充电，当巡检机器人的控制系统确认蓄电池6的充电电量已经达到目标值，则向充电控制电路7发送断电信号，充电控制电路7随即断开。巡检机器人可继续执行巡检。

以上方案中，巡检机器人能够通过煤矿井下的隔爆动力源作为能量源头，经过安全、快速的能量转换操作，为巡检机器人内的蓄电池进行充电，可以对煤矿井下巡检机器人进行就地、大功率、安全充电，从而达到了巡检机器人能量快速补充、增加开机率和巡检时间的目的。

作为一种可选的方案，如图3所示，上述方案中的所述隔爆动力源3为风源31，所述控制开关2包括控制阀门21，所述驱动部件1包括风包11，所述风包11内部存储压缩空气，优选地，所述风包11内部的压缩空气的压力在0.6-0.8Mpa之间，当所述控制阀门21打开后所述风包11的喷嘴12输出风能；所述被驱动部件4包括叶轮41和变速箱42，所述叶轮41的迎风面作为所述被驱动部件4的第一端，所述变速箱42的输出端作为所述被驱动部件4的第二端；所述叶轮41的迎风面与所述风包11的出风口相对设置(例如，可正对于喷嘴12的喷射方向)，在所述风能的作用下旋转；所述变速箱42的输入端与叶轮转轴连接并随所述叶轮转轴同步转动，所述变速箱42的输出端在其输入端的驱动下转动以驱动所述隔爆发电机5。

本方案中，巡检机器人与充电装置通过风能传递能量，两者之间没有电气连接，不会产生电火花，充电过程的安全性得以保证，而且巡检机器人与充电装置的相对位置要求低，对巡检机器人的运动控制要求低，充电适应能力强，满足煤矿井下环境对设备鲁棒性的要求。

作为另一种可选的方案，如图4所示，所述隔爆动力源3为隔爆电动机32，所述控制开关2为所述隔爆电动机32的驱动开关22，所述驱动部件1为铜转子组13，所述隔爆电动机32的与所述铜转子组13连接，所述隔爆电动机32开启带动所述铜转子组13转动；所述被驱动部4包括永磁体组43，所述永磁体组43的外形与所述铜转子组13的内壁形状相适配，所述永磁体组43的本体作为所述被驱动部件的第一端与所述铜转子组13通过磁力建立联动关系，所述永磁体组43的转轴作为所述被驱动部件的第二端与所述隔爆发电机5连接；所述永磁体组43延伸至所述铜转子组13内且所述铜转子组13转动时，所述永磁体组43被所述铜转子组13切割磁力线而转动；所述永磁体组43的转轴旋转以驱动所述隔爆发电机5。以上方案中，所述铜转子组13为空心圆柱体结构，所述空心圆柱体的内壁设置多个铜转子14，所述空心圆柱体靠近所述隔爆电动机32的一侧底面具有封口部，所述封口部与所述隔爆电动机32的转轴同轴连接；所述永磁体组43为圆柱体结构，所述圆柱体结构内嵌多个永磁体44，且所述永磁体44的数量与所述铜转子14的数量相同。为了实现磁力线的切割不受干扰，其中铜转子组13的内径应略大于所述永磁体组43的外径，不会干扰二者的相对转动。

以上方案中，巡检机器人与充电装置之间采用永磁传动，两者之间没有电气连接，不会产生电火花，充电过程安全。而且，巡检机器人与充电装置的空间位置精度要求低，对接成功率更高，满足煤矿井下环境对设备鲁棒性的要求。同时，采用永磁传动方式传递旋转机械能，巡检机器人与充电装置之间无物理接触，传动部件无机械磨损和撞击，充电过程噪音更小，部件使用寿命更长。采用相似的原理，永磁体可用其他类型磁铁替代，如普通磁体、电磁铁等；永磁体形状可以为长方体状、圆柱体、圆弧柱状体等；铜转子也可为永磁体、有源电磁线圈等。

进一步地，以上的安全充电装置，还可以包括行程开关，设置于所述巡检轨道上；所述行程开关被所述巡检机器人触发后发出充电准备信号；控制模块9，接收所述行程开关发出的所述充电准备信号，发出指令以使所述控制开关2打开。行程开关可以设置在巡检轨道上也可以如图3和图4所示，设置于充电装置上或者设置于巡检机器人上。图3中的第一行程开关10设置于通风管路上即可，当巡检机器人行走至充电位置后，巡检机器人抵住第一行程开关10将其触发，第一行程开关10将准备充电信号发送至控制模块9。或者如图4所示，第二行程开关10’设置于巡检机器人上，当巡检机器人行走至充电位置后，永磁体组43会深入到铜转子组13内部，当第二行程开关10’抵住铜转子组13的封口部时，第二行程开关10’即被触发，第二行程开关10’将准备充电信号发送至控制模块9。

如图3和图4所示的结构，所述控制模块9通过天线与所述巡检机器人内的传感器8通信连接，所述控制模块9接收所述传感器8发送的充电量信号；若所述充电量信号表示充电完成，则发出指令以使所述控制开关2关闭。本方案中的充电过程实现了闭环管理，实时监测充电量，当巡检机器人充电完成能够立即断电，继续执行巡检操作。

优选地，以上方案中，所述控制开关2为多档调节开关，所述控制模块9根据所述充电量信号确定所述巡检机器人的充电速率，根据所述充电速率确定目标档位；所述控制模块9发出调节信号以使所述控制开关2调整至所述目标档位。其中，所述控制开关2为控制阀门21时，不同档位表示所述控制阀门21的不同阀门开度；所述控制开关2为隔爆电动机的驱动开关22时，不同档位表示通过所述驱动开关22的不同驱动电信号的大小。

下面根据图3和图4所示的结构分别对巡检机器人的充电过程进行详细说明：

1.风能充电过程

1.1：充电装置的风包11连接到风源31(井下压风系统风管上)，风包11内部始终充满一定数量的压缩空气，其压力稳定在0.6～0.8Mpa之间。

1.2：巡检机器人检测到蓄电池6的电量不足时，自动沿巡检线路向充电站装置移动。

1.3：当安装在充电装置上的第一行程开关10动作时，控制模块9通过天线将准备充电信号发送给巡检机器人；巡检机器人内部的控制系统可以通过天线接收到准备充电信号，之后控制巡检机器人刹车固定在原地，接通充电控制电路7并通过天线将准备就绪的信号发送至控制模块9。

1.4：控制模块2控制所述控制阀门21打开，风包11内的压缩空气经风管、控制阀门21、喷嘴22后对叶轮41做功，驱动叶轮41旋转。

1.5：叶:41经变速箱42变速后驱动隔爆发电机5发电，电能经充电控制电路7调节后向蓄电池6充电。

1.6：传感器8实时检测蓄电池6的充电过程，并通过天线与控制模块9进行信息交互，控制模块9根据传感器88反馈的充电状况及时调整控制阀门21的开度，通过控制风量实现调节叶轮41转速进而调节蓄电池6的充电电压。

1.7：当巡检机器人的控制系统经过传感器8检测到蓄电池充电完成时，通过天线将充电完成的信号发送给控制模块9，之后控制模块9会发送关闭控制阀门21的指令。

1.8：隔爆发电机5停止转动后，巡检机器人的控制系统会切断充电控制电路7，驶离充电装置并恢复正常巡检。

2.永磁充电过程

2.1：巡检机器人检测到蓄电池6的电量不足时，自动沿巡检线路向充电站装置移动。

2.2：巡检机器人接近充电装置时，永磁体组43逐渐伸入铜转子组13内部；当永磁体组14前端安装的第二限位开关10’动作时，巡检机器人的控制系统控制巡检机器人停机，并通过天线将准备充电信号发送给控制模块9。

2.3：控制模块9通过天线接收到巡检机器人控制系统发送的信息后，控制隔爆电动机32启动；隔爆电动机32转轴带动铜转子组13旋转。铜转子组13旋转后，铜转子14切割永磁体44磁力线产生感应涡流，形成涡流磁场与永磁体磁场相互作用生成转矩，带动永磁体组43旋转，进而驱动隔爆发电机5运行，实现隔爆电动机32、隔爆发电机5的功率传递。

2.4：隔爆发电机5产生的电能经充电控制电路7调节后向蓄电池6充电。

2.5：巡检机器人的控制系统通过传感器8实时检测蓄电池6的充电过程，并通过天线与控制模块9进行信息交互，控制模块9根据传感器检测到的蓄电池6的充电状况调整隔爆电动机32的转速，达到调节充电电压和充电过程闭环管理的目的。

2.6：当巡检机器人的控制系统检测到蓄电池6充电完成时，自动通知控制模块9停止隔爆电动机32。

2.7：当隔爆发电机5停止转动后，巡检机器人的控制系统会切断充电控制电路7，驶离充电装置并恢复正常巡检。

本申请一些实施例中还提供一种用于矿用巡检机器人的安全充电系统，包括至少一个上述方案中所述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置；所述安全充电装置设置于巡检机器人的巡检轨道的两端和/或所述巡检轨道的至少一侧。其中，如果采用永磁充电方案，优选地将安全充电装置设置于轨道的两端。如果采用风能充电的方案，优选地将安全充电装置设置于井下具有气动源或者风源的位置附近。

最后应说明的是：以上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 (10)

1.一种用于矿用巡检机器人的安全充电装置，其特征在于，其设置位置与巡检轨道间的距离小于设定阈值，所述安全充电装置包括：

驱动部件，经控制开关与煤矿井下的防爆动力源联通，所述控制开关打开后所述驱动部件被动力驱动其驱动端输出驱动力；

被驱动部件，设置于巡检机器人上，其第一端与所述驱动部件的驱动端连接，其第二端与所述巡检机器人内的隔爆发电机连接；所述被驱动部件被所述驱动力作用后输出驱动信号以带动所述隔爆发电机产生电能为所述巡检机器人的蓄电池充电。

2.根据权利要求1所述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置，其特征在于：

所述隔爆动力源为风源，所述控制开关包括控制阀门，所述驱动部件包括风包，所述风包内部存储压缩空气，所述控制阀门打开后所述风包输出风能；

所述被驱动部件包括叶轮和变速箱，所述叶轮的迎风面作为所述被驱动部件的第一端，所述变速箱的输出端作为所述被驱动部件的第二端；所述叶轮的迎风面与所述风包的出风口相对设置，在所述风能的作用下旋转；所述变速箱的输入端与叶轮转轴连接并随所述叶轮转轴同步转动，所述变速箱的输出端在其输入端的驱动下转动以驱动所述隔爆发电机。

3.根据权利要求2所述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置，其特征在于：

所述风包内部的压缩空气的压力在0.6-0.8Mpa之间。

4.根据权利要求1所述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置，其特征在于：

所述隔爆动力源为隔爆电动机，所述控制开关为所述隔爆电动机的驱动开关，所述驱动部件为铜转子组，所述隔爆电动机与所述铜转子组连接，所述隔爆电动机开启带动所述铜转子组转动；

所述被驱动部包括永磁体组，所述永磁体组的外形与所述铜转子组的内壁形状相适配，所述永磁体组的本体作为所述被驱动部件的第一端与所述铜转子组通过磁力建立联动关系，所述永磁体组的转轴作为所述被驱动部件的第二端与所述隔爆发电机连接；所述永磁体组延伸至所述铜转子组内且所述铜转子组转动时，所述永磁体组被所述铜转子组切割磁力线而转动；所述永磁体组的转轴旋转以驱动所述隔爆发电机。

5.根据权利要求4所述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置，其特征在于：

所述铜转子组为空心圆柱体结构，所述空心圆柱体的内壁设置多个铜转子，所述空心圆柱体靠近所述隔爆电动机的一侧底面具有封口部，所述封口部与所述隔爆电动机的转轴同轴连接；

所述永磁体组为圆柱体结构，所述圆柱体结构内嵌多个永磁体，且所述永磁体的数量与所述铜转子的数量相同。

6.根据权利要求1-5任一项所述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置，其特征在于，还包括：

行程开关，设置于所述巡检轨道上；所述行程开关被所述巡检机器人触发后发出充电准备信号；

控制模块，接收所述行程开关发出的所述充电准备信号，发出指令以使所述控制开关打开。

7.根据权利要求6所述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置，其特征在于：

所述控制模块还用于与所述巡检机器人内的传感器通信连接，所述控制模块接收所述传感器发送的充电量信号；若所述充电量信号表示充电完成，则发出指令以使所述控制开关关闭。

8.根据权利要求7所述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置，其特征在于：

所述控制开关为多档调节开关，所述控制模块根据所述充电量信号确定所述巡检机器人的充电速率，根据所述充电速率确定目标档位；所述控制模块发出调节信号以使所述控制开关调整至所述目标档位。

9.根据权利要求8所述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置，其特征在于：

所述控制开关为控制阀门时，不同档位表示所述控制阀门的不同阀门开度；所述控制开关为隔爆电动机的驱动开关时，不同档位表示通过所述驱动开关的不同驱动电信号的大小。

10.一种用于矿用巡检机器人的安全充电系统，其特征在于，包括至少一个权利要求1-9任一项所述的用于矿用巡检机器人的安全充电装置；所述安全充电装置设置于巡检机器人的巡检轨道的两端和/或所述巡检轨道的至少一侧。

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