CN112983270A - 一种钻探机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种钻探机器人，包括钻头和底盘，底盘上设置有多机械腿行走机构，底盘顶部固定连接有壳体，壳体内设置有驱动钻头旋转的第一气动马达，第一气动马达的输出轴伸出壳体与设置在壳体前端的钻头固定连接，壳体内设置有集成单元模块，壳体内设置有集成单元模块，第一气动马达输出轴通过万能转向节与钻头连接，集成单元模块包括采集环境信息的信息采集模块、数据处理模块、控制钻探机器人运动的控制模块和与钻探机器人外部终端进行数据通信的通信模块，本发明钻头控制、钻进角度控制使用气动马达和气动推杆等气动元件，在钻头钻进过程中这些气动元件的运转不会产生电火花，使得煤矿的井下作业安全性大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及矿山巷道钻探技术领域，具体涉及一种钻探机器人。
背景技术
煤矿开采过程中，瓦斯、煤尘、水、火和顶板灾害五大自然灾害是煤矿安全生产最大的威胁和隐患，其中最为谈虎色变是瓦斯；瓦斯爆炸、瓦斯突出等瓦斯事故层出不穷，瓦斯治理过程中钻探抽采是最为重要的环节，目前钻探技术效果虽然比较成功，但是钻孔施工还是较为原始，还是以人为体力操作为主，体力的消耗导致操作偏差使治理效果达不到预期。
目前，最为先进的钻机，是中煤科工院研制的自动全液压钻机，将人为操作操作模式改为遥控操作，由电机、液压泵、液压传输油管、操作台、钻机机械体组成，现有设备结构复杂、体积较大、在作业空间狭窄的地方难以展开，且人为遥控操作仍难以实现操作人员远离危险区域，而传统的在小空间内使用的气动架柱式钻机自动化程度低，也无法实现钻机的自动化操作，因此需要一种体积较小、自动化程度高的钻探设备解决这些问题。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种钻探机器人。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种钻探机器人，包括钻头和底盘,所述底盘上设置有驱动机器人行动的多机械腿行走机构，每支机械腿的关节处均设置有关节电机，所述底盘顶部固定连接有壳体，所述壳体内设置有第一气动马达和集成单元模块，所述钻头与第一气动马达的伸出壳体端部的输出轴固定连接，所述第一气动马达的进气口处设置有电磁控制阀，所述集成单元模块与电磁控制阀和机械腿的关节电机电连接，集成单元模块通过控制电磁控制阀来控制第一气动马达的转速，从而实现对钻头的控制，通过控制关节电机驱动机械腿实现机器人的自主移动；
所述集成单元模块包括采集环境信息的信息采集模块、数据处理模块、控制钻探机器人运动的控制模块和与钻探机器人外部终端进行数据通信的通信模块；
所述信息采集模块与用于获取钻探情况的观察摄像头、用于获取环境信息的激光雷达电连接，所述观察摄像头和激光雷达均设置在底盘顶部；
所述通信模块用于将信息采集模块获取的信息数据以及接收外部终端的指令信息；
所述数据处理模块处理信息采集模块收集的环境信息、钻探信息和外部终端的指令信息，并根据环境信息、钻探信息和外部终端的指令信息制定机器人的钻探方案，并将根据钻探方案生成的动作指令传递至控制模块；
所述控制模块根据数据处理模块传输的动作指令控制多机械腿行走机构上的关节电机，驱动钻探机器人进行移动，控制模块依据动作指令控制钻头钻进。
作为本发明的进一步的方案：所述底盘包括两个相对设置的平台板，其中一个所述平台板顶面固定安装有支架，两个所述平台板之间固定连接有一根连接杆，两个所述平台板相对的侧面上对称设置有两个气动推杆，所述支架顶端与激光雷达固定连接，所述气动推杆的尾端转动连接在平台板的侧面，所述连接杆上转动连接有活动板，所述活动板两侧均固定连接有一个连接轴，所述连接轴与气动推杆的杆端转动连接，所述活动板的两端分别转动连接有一个链轮，所述活动板顶面两端对称设置有安装座，两个链轮之间设置有链条，其中一个链轮与设置在活动板端部的第二气动马达输出轴固定连接，所述链条上固定连接有运动板，所述安装座上固定安装有滑杆，所述运动板顶部与壳体固定连接。
作为本发明的进一步的方案：所述多机械腿行走机构为六机械腿行走机构，所述六机械腿行走机构由六个三自由度机械腿组成，每三个所述机械腿串连设置在两个平台板的不相邻的一侧，所述机械腿由大腿部、小腿部以及足部组成，所述大腿部转动连接在平台板上，所述小腿部转动连接在大腿部端部，所述足部设置在小腿部的末端。
作为本发明的进一步的方案：所述壳体设置有第一气动马达的一端固定连接有防尘罩，所述第一气动马达通过万能转向节与钻头固定连接，所述万能转向节设置在防尘罩内，所述观察摄像头固定连接在壳体顶部前端位置。
作为本发明的进一步的方案：所述壳体内设置有与第一气动马达进气口连通的进风管，所述进风管与设置在壳体远离第一气动马达一端的连接管连通，所述第一气动马达的出气口上连通有导气管，所述导气管上固定连接有管口朝向观察摄像头的引气管。
作为本发明的进一步的方案：所述钻头由连接部和钻头本体组成，所述连接部与钻头本体的轴心位置设置有相互连通的出水道，所述连接部轴身中部设置有环状突出部，所述环状突出部上设置有垂直于连接部轴线的进水孔，所述进水孔与出水道连通。
作为本发明的进一步的方案：所述防尘罩外表面上设置导气孔，所述防尘罩罩体内部设置有环状导气槽和等角度布置的若干个导气道，所述防尘罩上的内侧端部固定连接有水套，所述导气孔与环状导气槽连通，所述导气孔与导气管连接，所述环状导气槽与导气道连通，所述导气道开口设置在防尘罩远离壳体的一侧，所述水套上设置有进水管，所述进水管伸出防尘罩侧壁。
作为本发明的进一步的方案：所述平台板前端均设置有照明灯，所述平台板的底部均设置有蓄电池。
作为本发明的进一步的方案：所述水套与环状突出部配合，所述水套内侧与环状突出部外表面形成储水槽。
本发明的有益效果：
1、本发明的钻头的旋转控制、钻头部分的进给控制以及钻头部分的钻孔角度的控制分别使用气动马达和气动推杆等气动元件，在钻头钻进过程中这些气动元件都是由压缩空气驱动运转，不会产生电火花，具备较好的防爆性能，使得煤矿的井下作业安全性大大提高；
2、本发明的钻探机器人通过集成单元模块实现了自主运转，可以在瓦斯浓度高等危险区域代替人工进行瓦斯的钻探抽采等工作，大大降低了高危险环境中作业给操作人员带来的巨大风险，提高了井下作业的安全性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明整体结构俯视示意图；
图2是本发明壳体、防尘罩和钻头连接结构侧视示意图；
图3是本发明壳体、防尘罩和钻头连接结构剖视示意图；
图4是本发明钻头侧视结构示意图；
图5是本发明防尘罩前视结构示意图；
图6是本发明防尘罩上的环状导气槽结构剖视示意图；
图7是本发明活动板结构侧视示意图；
图中：1、壳体；2、第一气动马达；3、集成单元模块；4、万能转向节；5、钻头；6、观察摄像头；7、激光雷达；8、支架；9、平台板；10、连接杆；11、气动推杆；12、活动板；13、连接轴；14、链轮；15、链条；16、第二气动马达；17、运动板；18、安装座；19、滑杆；20、照明灯；21、大腿部；22、小腿部；23、足部；24、防尘罩；25、进风管；26、连接管；27、导气管；28、引气管；29、连接部；30、钻头本体；31、出水道；32、环状突出部；33、进水孔；34、导气孔；35、环状导气槽；36、导气道；37、水套；38、进水管；39、储水槽；40、电磁控制阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7所示，一种钻探机器人，包括钻头5和底盘,所述底盘上设置有驱动机器人行动的多机械腿行走机构，每支机械腿的关节处均设置有关节电机，所述底盘顶部固定连接有壳体1，所述壳体1内设置有第一气动马达2和集成单元模块3，所述钻头5与第一气动马达2的伸出壳体1端部的输出轴固定连接，所述第一气动马达2的进气口处设置有电磁控制阀40，所述集成单元模块3与电磁控制阀40和机械腿的关节电机电连接，集成单元模块3通过控制电磁控制阀40来控制第一气动马达2的转速，从而实现对钻头5的控制，通过控制关节电机驱动机械腿实现机器人的自主移动；
所述集成单元模块3包括采集环境信息的信息采集模块、数据处理模块、控制钻探机器人运动的控制模块和与钻探机器人外部终端进行数据通信的通信模块；
所述信息采集模块与用于获取钻探情况的观察摄像头6、用于获取环境信息的激光雷达7电连接，所述观察摄像头6和激光雷达7均设置在底盘顶部；
所述通信模块用于将信息采集模块获取的信息数据以及接收外部终端的指令信息；
所述数据处理模块处理信息采集模块收集的环境信息、钻探信息和外部终端的指令信息，并根据环境信息、钻探信息和外部终端的指令信息制定机器人的钻探方案，并将根据钻探方案生成的动作指令传递至控制模块；
所述控制模块根据数据处理模块传输的动作指令控制多机械腿行走机构上的关节电机，驱动钻探机器人进行移动，控制模块依据动作指令控制钻头5钻进。
信息采集模块、控制模块和通信模块相互独立，但前述三个模块均与数据处理模块电连接，信息采集模块收集的信息进数据处理模块处理压缩后由通信模块进行传输，外部终端具备和钻探机器人进行数据通信的能力，并可以通过观察摄像头对钻探机器人的钻探工作进行查看。
所述底盘包括两个相对设置的平台板9，其中一个所述平台板9顶面固定安装有支架8，两个所述平台板9之间固定连接有一根连接杆10，所述支架8顶端与激光雷达7固定连接，两个所述平台板9相对的侧面上对称设置有两个气动推杆11，所述气动推杆11的尾端转动连接在平台板9的侧面，所述进给机构包括转动连接在连接杆10上的活动板12，所述活动板12两侧均固定连接有一个连接轴13，所述连接轴13与气动推杆11的杆端转动连接，气动推杆11活塞杆的伸缩可以推动活动板12实现竖直平面内的一定角度范围内俯仰，从而实现控制钻探角度的效果，所述活动板12的两端分别转动连接有一个链轮14，所述活动板12顶面两端对称设置有安装座18，两个链轮14之间设置有链条15，其中一个链轮14与设置在活动板12端部的第二气动马达16输出轴固定连接，所述链条15上固定连接有运动板17，所述安装座18上固定安装有滑杆19，运动板17的两端与滑杆19滑动连接，运动板17可以在链条15的带动下平稳运动，所述运动板17顶部与壳体1固定连接，通过改变第二气动马达16的进气和出气方向，使得链条15可以带动运动板17上的钻头5前进后退，达到控制钻头5钻孔深度的效果，气动推杆11推动活动板12的角度改变以及链条15带动钻头5的进退，可以满足多种钻孔要求。
所述多机械腿行走机构为六机械腿行走机构，所述六机械腿行走机构由六个三自由度机械腿组成，每三个所述机械腿一组设置在两个平台板9的不相邻的一侧，所述机械腿由大腿部21、小腿部22以及足部23组成，所述大腿部21转动连接在平台板9上，所述小腿部22转动连接在大腿部21端部，所述足部23设置在小腿部22的末端，平台板9与大腿部21连接的关节、小腿部22与大腿部21连接的关节以及小腿部22和足部23连接的关节部均设置有相应的驱动电机，这些驱动电机均由控制模块控制，控制模块通过控制驱动电机实现机械腿的行走。
所述壳体1设置有第一气动马达2的一端固定连接有防尘罩24，所述第一气动马达2通过万能转向节4与钻头5固定连接，所述万能转向节4设置在防尘罩24内，所述观察摄像头6固定连接在壳体1顶部前端位置。
所述壳体1内设置有与第一气动马达2进气口连通的进风管25，所述进风管25与设置在壳体1远离第一气动马达2一端的连接管26连通，在进行钻探作业前，通过将外部的压缩空气管道接到连接管26上，即可通过压缩空气驱动第一气动马达2，所述第一气动马达2的出气口上连通有导气管27，所述导气管27上固定连接有管口朝向观察摄像头6的引气管28，引气管28吹出的压缩空气可以将钻探过程将观察摄像头6前方的扬尘吹离，保证观察摄像头6视野清晰。
所述钻头5由连接部29和钻头本体30组成，所述连接部29与钻头本体30的轴心位置设置有相互连通的出水道31，所述连接部29轴身中部设置有环状突出部32，所述环状突出部32上设置有垂直于连接部29轴线的进水孔33，所述进水孔33与出水道31连通。
所述防尘罩24外表面上设置导气孔34，所述防尘罩24罩体内部设置有环状导气槽35和等角度布置的若干个导气道36，所述防尘罩24上的内侧端部固定连接有水套37，所述导气孔34与环状导气槽35连通，所述导气孔34与导气管27连通，所述环状导气槽35与导气道36连通，所述导气道36开口设置在防尘罩24远离壳体1的一侧，导气管27将自第一气动马达2中放出的压缩空气引入到导气孔34中，导气孔34将压缩空气导入环状导气槽35，环状导气槽35中的压缩空气通过与之连通的导气道36从防尘罩24前端吹出，这些吹出的压缩空气可以有效地清理钻孔中的渣滓，同时减少钻探过程中扬尘对摄像头视野的影响，所述水套37上设置有进水管38，所述进水管38伸出防尘罩24侧壁。
所述平台板9前端均设置有照明灯20，所述平台板9的底部均设置有蓄电池，蓄电池主要为集成单元模块3、观察摄像头6、激光雷达7和六机械腿行走机构等部位供电，蓄电池及相关电器元件均使用了防爆措施，确保钻探机器人在煤矿井下的安全运转。
所述水套37与环状突出部32配合，所述水套37内侧与环状突出部32外表面形成储水槽39，外部供水管道连接到进水管38上，钻头5进行作业时，供水管道通过进水管38向储水槽39内供水，由于水套37不随钻头5旋转，储水槽39内的水流通过进水孔33流入到出水道31中，并最终从出水道31出口喷出，这些水流可以提高钻头5钻进的效率，并有效减少钻进过程中产生的扬尘，此外水流可以很好对钻头5进行降温，减少钻头5钻进过程中因受热产生的变形、磨损过度等问题，也可以避免钻头5钻进过程中产生火花，提高了安全系数，考虑到钻头5的更换以及机器人各主要部件检修的需要，防尘罩24以及其中的水套37均由相同的两部分螺栓连接组成，防尘罩24的两部分组件接触位置均设置有相应的密封橡胶件，保证防尘罩24组装后的密封，而水套37的组件基础部分也同样设置有密封圈等密封组件，确保钻探过程中水套37不会出现渗水问题。
上述的气动组件包括第二气动马达16和气动推杆11上的进气口均设置有电磁阀，这些电磁阀均与集成单元模块3电连接，集成单元模块3可以通过控制电磁阀的开闭实现对气动组件的控制。
包括壳体1、防尘罩24、平台板9和运动板17等主要部件均为防爆材料制成或采取了外部刷涂防爆涂层，确保整个机器人结构可以安全在高瓦斯环境下进行钻探作业。
需要说明的是本发明所使用的观察摄像头6及激光雷达7均为现有技术中的设备，本发明并不涉及对观察摄像头6及激光雷达7的改进。
工作原理：将本发明的钻探机器人运输至作业地点或作业地点附近，将各数据线缆、电源接头准确连接，通过手持终端调试钻探机器人各主要电器元件的工作运转情况，调试完成后，将外部压缩空气管路分别连接到壳体1尾端的连接管26上和第二气动马达16的进气口上，随后启动第一气动马达2、第二气动马达16及气动推杆11，确认钻探机构和进给机构运转正常，确认钻探机器人各主要运转部分正常后，技术人员将钻探作业信息及井下环境信息通过手持终端输入给钻探机器人的集成单元模块3，随后技术人员退至安全地点，通过手持终端接收到的钻探机器人传输的信息数据了解钻探机器人的作业信息及环境信息；
钻探机器人的集成单元模块3接收到技术人员发出的开始作业的指令，集成单元模块3中的数据处理模块将接收到的作业信息进行分析后，控制模块根据数据处理模块发出的数据信息控制钻探机器人移动到作业面，随后钻探机器人上的观察摄像头6和激光雷达7采集工作面周围的环境信息，信息收集模块将收集到的信息传输给数据处理模块，数据处理模块对环境信息和预先输入的钻孔数量、钻孔深度以及钻孔分布等数据信息规划好钻孔顺序及作业路线，随后数据处理模块将生成的作业方案传输给控制模块，控制模块控制机器人的六机械腿行走机构移动到作业位置，移动到作业位置以后，钻探机器人的控制模块孔至调整机器人的姿态，控制气动推杆11将活动板12转动到合适的角度，随后钻头5启动，控制模块控制第二气动马达16驱动链条15运转，进而带动钻头5开始钻进，钻头5钻进过程中，第一气动马达2的出气口输出的压缩空气通过导气管27进入到防尘罩24中，导气管27中的部分压缩空气通过引气管28吹向观察摄像头6，保证钻头5钻孔过程中产生的灰尘影响观察摄像头6视野，而进入防尘罩24的压缩空气通过环状导气槽35和导气道36向钻头5方向吹出，因而在钻头5钻进过程中压缩空气可以将钻孔内的渣滓碎屑吹出，而在钻头5钻进过程中，防尘罩24上的进水管38已经和外部供水管接通，进水管38向水套37中供水，钻头5连接部29旋转时，环状突出部32始终在水套37内旋转，水套37内的水流通过环状突出部32上的进水孔33进入到钻头5的出水道31中，钻头5钻进过程中，出水道31喷出的水流可有效减少钻进过程中产生的粉尘，同时降低钻头5温度，减少钻头5磨损，提高钻头5工作寿命，当钻头5钻进到预设的深度后，控制模块控制钻头5停止工作，随后控制模块控制第二气动马达16将钻头5收回，控制气动推杆11带动活动板12复位，随后控制模块控制六机械腿行走机构，钻探机器人进入下一个作业位置进行下个钻孔的钻进工作。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种钻探机器人，包括钻头(5)和底盘，其特征在于，所述底盘上设置有驱动机器人行动的多机械腿行走机构，每支机械腿的关节处均设置有关节电机，所述底盘顶部固定连接有壳体(1)，所述壳体(1)内设置有第一气动马达(2)和集成单元模块(3)，所述钻头(5)与第一气动马达(2)的伸出壳体(1)端部的输出轴固定连接，所述第一气动马达(2)的进气口处设置有电磁控制阀(40)，所述集成单元模块(3)与电磁控制阀(40)和机械腿的关节电机电连接，集成单元模块(3)通过控制电磁控制阀(40)来控制第一气动马达(2)的转速，从而实现对钻头(5)的控制，通过控制关节电机驱动机械腿实现机器人的自主移动；
所述集成单元模块(3)包括采集环境信息的信息采集模块、数据处理模块、控制钻探机器人运动的控制模块和与钻探机器人外部终端进行数据通信的通信模块；
所述信息采集模块与用于获取钻探情况的观察摄像头(6)、用于获取环境信息的激光雷达(7)电连接，所述观察摄像头(6)和激光雷达(7)均设置在底盘顶部；
所述通信模块用于将信息采集模块获取的信息数据以及接收外部终端的指令信息；
所述数据处理模块处理信息采集模块收集的环境信息、钻探信息和外部终端的指令信息，并根据环境信息、钻探信息和外部终端的指令信息制定机器人的钻探方案，并将根据钻探方案生成的动作指令传递至控制模块；
所述控制模块根据数据处理模块传输的动作指令控制多机械腿行走机构上的关节电机，驱动钻探机器人进行移动，控制模块依据动作指令控制钻头(5)钻进。
2.根据权利要求1所述的一种钻探机器人，其特征在于，所述底盘包括两个相对设置的平台板(9)，其中一个所述平台板(9)顶面固定安装有支架(8)，两个所述平台板(9)之间固定连接有一根连接杆(10)，两个所述平台板(9)相对的侧面上对称设置有两个气动推杆(11)，所述支架(8)顶端与激光雷达(7)固定连接，所述气动推杆(11)的尾端转动连接在平台板(9)的侧面，所述连接杆(10)上转动连接有活动板(12)，所述活动板(12)两侧均固定连接有一个连接轴(13)，所述连接轴(13)与气动推杆(11)的杆端转动连接，所述活动板(12)的两端分别转动连接有一个链轮(14)，所述活动板(12)顶面两端对称设置有安装座(18)，两个链轮(14)之间设置有链条(15)，其中一个链轮(14)与设置在活动板(12)端部的第二气动马达(16)输出轴固定连接，所述链条(15)上固定连接有运动板(17)，所述安装座(18)上固定安装有滑杆(19)，所述运动板(17)顶部与壳体(1)固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种钻探机器人，其特征在于，所述多机械腿行走机构为六机械腿行走机构，所述六机械腿行走机构由六个三自由度机械腿组成，每三个所述机械腿一组设置在两个平台板(9)的不相邻的一侧，所述机械腿由大腿部(21)、小腿部(22)以及足部(23)组成，所述大腿部(21)转动连接在平台板(9)上，所述小腿部(22)转动连接在大腿部(21)端部，所述足部(23)设置在小腿部(22)的末端。
4.根据权利要求1所述的一种钻探机器人，其特征在于，所述壳体(1)设置有第一气动马达(2)的一端固定连接有防尘罩(24)，所述第一气动马达(2)通过万能转向节(4)与钻头(5)固定连接，所述万能转向节(4)设置在防尘罩(24)内，所述观察摄像头(6)固定连接在壳体(1)顶部前端位置。
5.根据权利要求1所述的一种钻探机器人，其特征在于，所述壳体(1)内设置有与第一气动马达(2)进气口连通的进风管(25)，所述进风管(25)与设置在壳体(1)远离第一气动马达(2)一端的连接管(26)连通，所述第一气动马达(2)的出气口上连通有导气管(27)，所述导气管(27)上固定连接有管口朝向观察摄像头(6)的引气管(28)。
6.根据权利要求1所述的一种钻探机器人，其特征在于，所述钻头(5)由连接部(29)和钻头本体(30)组成，所述连接部(29)与钻头本体(30)的轴心位置设置有相互连通的出水道(31)，所述连接部(29)轴身中部设置有环状突出部(32)，所述环状突出部(32)上设置有垂直于连接部(29)轴线的进水孔(33)，所述进水孔(33)与出水道(31)连通。
7.根据权利要求4所述的一种钻探机器人，其特征在于，所述防尘罩(24)外表面上设置导气孔(34)，所述防尘罩(24)罩体内部设置有环状导气槽(35)和等角度布置的若干个导气道(36)，所述防尘罩(24)上的内侧端部固定连接有水套(37)，所述导气孔(34)与环状导气槽(35)连通，所述导气孔(34)与导气管(27)连通，所述环状导气槽(35)与导气道(36)连通，所述导气道(36)开口设置在防尘罩(24)远离壳体(1)的一侧，所述水套(37)上设置有进水管(38)，所述进水管(38)伸出防尘罩(24)侧壁。
8.根据权利要求2所述的一种钻探机器人，其特征在于，所述平台板(9)前端均设置有照明灯(20)，所述平台板(9)的底部均设置有蓄电池。
9.根据权利要求7所述的一种钻探机器人，其特征在于，所述水套(37)与环状突出部(32)配合，所述水套(37)内侧与环状突出部(32)外表面形成储水槽(39)。
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