CN114524066B - 一种面向矿井透水救援的水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向矿井透水救援的水下机器人，包括，启动单元，用于控制整个救援动作的展开；传动单元，与启动单元连接，用于为机器人提供移动的动力；执行单元，与传动单元连接，用于对水下生命源的打捞；本发明通过单片机控制水下机器人推进器实现制动，推进器启动时实现机器人在多个自由度进行上升、下降、前进和后退，通过力矩电机反转时通过连轴器促使机械手机构动作，通过机械手机构的视觉识别从而能把在井下透水出现情况下的事故，确定人所发生矿下的位置，在透水情况下遇到突发情况能够灵活应变，从而方便机器人水下生命源和将一些杂物进行拖带到地面等一系列问题。

Description

一种面向矿井透水救援的水下机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种面向矿井透水救援的水下机器人。

背景技术

随着在煤矿生产过程中，众多的井下人员流动分布在不同的巷道，电机车等运输设备在大范围内连续地移动变位，如果不能及时监控此类动态目标的实时位置，必将给高效有序的生产调度带来不便，降低生产效率。而一旦发生透水事故时，因无法及时确定被困在井下人员的具体位置和各处的人数，势必影响到快速有效地组织施救，给遇险工人的生命安全增加威胁。井下透水是指地下矿藏开采过程中，凿穿隔壁，与大的水源(水下河、水库、用水填充的旧矿等)连通，形成矿灾事故。近年来,国家对煤矿生产的安全性给予了高度的关注,煤矿防水工作也取得了一定的效果,但由于各种原因的影响,透水事故仍然时有发生。据不完全统计,从2005年到2014年这10年中,国内各大煤矿发生透水事故约为285起,造成1728人死亡,经济损失以亿元计。可见,煤矿井下透水事故的危害非常巨大。因此,为了有效预防透水事故的发生,必须对其成因进行分析。大体上可将透水事故的成因归纳为两个方面:一方面是管理因素导致的透水事故,另一方面是技术因素引起的透水事故；透水事故发生后，受限于复杂的事故环境，使得救援人员难以快速有效的对被困的生命源进行及时解救，进而导致施救不及时引发安全事故。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种面向矿井透水救援的水下机器人，旨在解决现有的因复杂的事故环境而难以快速有效开展救援工作的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种面向矿井透水救援的水下机器人，包括，

启动单元，用于控制整个救援动作的展开；

传动单元，与启动单元连接，用于为机器人提供移动的动力；

执行单元，与传动单元连接，用于对水下生命源的打捞。

进一步地，所述启动单元包括两个表面具有均匀棱状凸起的端盖、与端盖连接的端盘以及呈矩形结构的壳体，所述壳体设于两个端盘之间。

进一步地，所述启动单元还包括设于端盖内部的单片机、单片机芯片以及设于端盖表面的开关按钮。

进一步地，所述启动单元还包括摄像头以及安装摄像头的安装螺栓，所述摄像头于壳体表面四周均有设置，用于对机器人周围的画面进行采集。

进一步地，所述传动单元包括连接杆、设置于连接杆两端的接向杆以及与接向杆连接的推进器，所述连接杆设置有两个分设于端盘两侧，且所述连接杆与端盘固定连接。

进一步地，所述执行单元包括导杆、与导杆一端连接的六边形端盖、与端盖连接的联轴器、与联轴器连接的连接螺栓、套设于导杆上的移动活塞以及与导杆另一端连接的机械手机构。

进一步地，所述机械手机构包括两个接触夹、与接触夹连接的连杆、分别与两个接触夹连接的单齿轮和双齿轮、与连杆连接的端板、设置于端板上的正齿轮以及用于驱动的力矩电机，所述单齿轮与双齿轮啮合连接。

进一步地，还包括设置于导杆上的水动力马达，所述水动力马达包括外壳、设置于外壳内的旋转轴和旋转内芯、设置于外壳上的动力环和启动开关以及开设于外壳端部的螺纹孔。

进一步地，还包括生命救援箱，安装于端盖上且与执行单元位于同侧设置，用于承载通过执行单元救援的生命源。

进一步地，所述生命救援箱包括回收箱、与回收箱下端连接的平浮阶梯、与回收箱上端连接的连接梁以及设置于回收箱底部的两个悬浮轮。

本发明的有益效果体现在：

本发明通过单片机控制水下机器人推进器实现制动，推进器启动时实现机器人在多个自由度进行上升、下降、前进和后退，通过力矩电机反转时通过连轴器促使机械手机构动作，通过机械手机构的视觉识别从而能把在井下透水出现情况下的事故，确定人所发生矿下的位置，在透水情况下遇到突发情况能够灵活应变，从而方便机器人水下生命源和将一些杂物进行拖带到地面等一系列问题。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明端盖结构示意图；

图3为本发明壳体结构正视示意图；

图4为本发明壳体结构示意图；

图5为本发明执行单元结构示意图；

图6为本发明机器人结构俯视示意图；

图7为本发明移动活塞立体结构示意图；

图8为本发明水动力马达结构示意图；

图9为本发明生命救援箱结构示意图；

图10为本发明生命救援箱结构仰视示意图；

图11为本发明生命救援箱与机器人连接示意图；

图12为本发明救援程序示意图；

图13为本发明机器人视觉程序示意图。

附图标记说明：

100、启动单元；101、端盖；102、端盘；103、开关按钮；104、壳体；105、单片机芯片；106、单片机；107、摄像头；108、安装螺栓；200、传动单元；201、连接杆；202、接向杆；203、推进器；300、执行单元；301、导杆；302、联轴器；303、六边形端盖；304、连接螺栓；305、机械手机构；3051、端板；3052、单齿轮；3053、连杆；3054、接触夹；3055、力矩电机；3056、正齿轮；3057、双齿轮；306、移动活塞；400、水动力马达；401、外壳；402、启动开关；403、动力环；404、旋转轴；405、旋转内芯；406、螺纹孔；500、生命救援箱；501、回收箱；502、连接梁；503、平浮阶梯；504、悬浮轮。

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的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，“多个”指两个以上。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在。

请参阅图1，本发明一种面向矿井透水救援的水下机器人，包括，

启动单元100，用于控制整个救援动作的展开；启动单元通过外部控制设备无线控制；

传动单元200，与启动单元100连接，用于为机器人提供移动的动力；

执行单元300，与传动单元200连接，用于对水下生命源的打捞。

矿灾事故发生时，由于矿道内空间狭窄，且会伴随一定的透水情况，会给施救工作带来极大的困难，往往会错失最佳的施救时间，而传统的救援大多数只能探寻到是否有生命源存在，却不能在探寻到生命源的同时帮助其进行脱困，通过本发明可快速有效的对生命源进行探寻和施救。

工作时，通过将机器人放置于矿道内，控制传动单元200驱动执行单元300沿着矿道的方向移动，利用执行单元300实现对生命源的打捞作业，启动单元100用于控制传动单元200和执行单元300协同动作，避免出现抓取生命源是出现打滑的问题。

在一实施例中，请参阅图2，启动单元100包括两个表面具有均匀棱状凸起的端盖101、与端盖101连接的端盘102以及呈矩形结构的壳体104，壳体104设于两个端盘102之间。其中壳体104上设置有端盖，二者之间通过螺丝固定，具体的，端盘102上开设有若干个M3和M5孔，壳体104上的端盖通过双头螺栓贯穿M3和M5孔与端盘102固定连接。

在一实施例中，请参阅图3，启动单元100还包括设于端盖101内部的单片机106、单片机芯片105以及设于端盖101表面的开关按钮103。

单片机106优选采用SM32-单片机，在开关按钮103的按压下，整个机器人开始启动，从而在井下透水控制水下机器人实现制动，实现机器人在多个自由度进行上升，下降，前进和后退。

SM32-单片机的内核：ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz，单周期乘法和硬件除法；SM32-单片机存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器；SM32-单片机时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。POR、PDR和可编程的电压探测器(PVD)。4-16MHz的晶振。内嵌出厂前调校的8MHzRC振荡电路。内部40kHz的RC振荡电路，用于CPU时钟的PLL，带校准用于RTC的32kHz的晶振。

SM32-单片机调试模式：串行调试(SWD)和JTAG接口。最多高达112个的快速I/O端口、最多多达11个定时器、最多多达13个通信接口。

SM32-单片机的启动带动整个机器人的上浮和下潜，机器人在井下透水的特殊情况下会遇到大的障碍，因此单片机芯片105可以调幅整个机器人推进的前进速度和运载动力；

SM32-单片机发送指令调节转速及转矩大小实现对制动装置制动力及制定执行单元300响应时间的控制；

通过SM32-单片机来控制其优点是利用执行单元的反馈信号可以实现执行单元中执行结构的制动力及其响应时间的实时调控，其中执行结构适用于水下救援机器人的严密性，安装拆卸方便，避免了液压驱动泄漏等一系列问题。

在一实施例中，请参阅图4，启动单元100还包括摄像头107以及安装摄像头107的安装螺栓108，摄像头107于壳体104表面四周均有设置，用于对机器人周围的画面进行采集。其中，摄像头107包括照明和画面采集功能的摄像头。

在机器人的最前端分别是主摄摄像头、辅摄摄像头对未知物的捕捉和采集，照明摄像头用于对路线的照明，最左端分别是左前摄像头、左中摄像头、左后摄像头，以达到对左侧未知物的探测，最右端分别是右前摄像头、右中摄像头、右后摄像头，以达到对右侧未知物的探测，使得施救人员能够清晰的知晓机器人周围未知物的情况，帮助施救人员快速及时的了解情况并进行施救作业。

在一实施例中，请参阅图6，传动单元200包括连接杆201、设置于连接杆201两端的接向杆202以及与接向杆202连接的推进器203，连接杆201设置有两个分设于端盘102两侧，且连接杆201与端盘102固定连接。

推进器203共设有四个，为机器人提供稳定的移动力；连接杆201上均匀开设有连接孔，通过螺栓与端盘102固定连接。

其中推进器203由叶轮和轴孔组成，风轮与轴套连接，轴套与接向杆202相连接，当SM32-单片机启动时，叶轮加快转动，机器人开始上升，沿着巡线做定向巡航，通过现有的流程加快机器人接近目标物的进程，

在一实施例中，请参阅图5，执行单元300包括导杆301、与导杆301一端连接的六边形端盖303、与端盖101连接的联轴器302、与联轴器302连接的连接螺栓304、通过连接螺栓304将导杆301的整体结构固定于端盘102上，套设于导杆301上的移动活塞306以及与导杆301另一端连接的机械手机构305。

导杆301和机械手机构305的夹角应为90度，以实现运动的垂直换向，导杆301的长度和机械手机构305的尺寸可以根据实际需求设置，来改变机械手机构305运动的自由度变换，以此来实现特殊情况下的配合。

其中，请参阅图7，移动活塞306通过电力控制，其上具有输出轴，输出轴与导杆301连接，通过可伸缩的输出轴带动导杆301移动，增加导杆301的动力，辅助导杆301进行伸缩，进而增加对机械手机构305的动力，提高拖拽生命源的动力。

导杆301为电动可伸缩结构，可采用电动伸缩杆、直线驱动器等结构，用于将被机械手机构305夹持的生命源向机器人方向拖拽。

在一实施例中，请参阅图5，机械手机构305包括两个接触夹3054、与接触夹3054连接的连杆3053、分别与两个接触夹3054连接的单齿轮3052和双齿轮3057、与连杆3053连接的端板3051、设置于端板3051上的正齿轮3056以及用于驱动的力矩电机3055，单齿轮3052与双齿轮3057啮合连接。

接触夹3054具有在同一平面的二自由度变换，以达到在井下透水发生时能稳稳抓住目标物的目的，接触夹3054的单向运动依靠单齿轮3052和双齿轮3057的过盈配合，为防止接触夹3054发生单向的轴向运动，将单齿轮3052和双齿轮3057置于机械手端板3051内，同时机械手端板3051设置安装有正齿轮3056能够有效避免导杆301在轴向运动引起制动的失效。

力矩电机3055的输出轴利用联轴器与蜗杆连接，控制力矩电机3055的速度及力矩的大小，二者共同实现对制动结构的制动响应时间及制动力矩的控制，达到实际使用要求，利用力矩电机3055为机械手机构305提供制动力，无需繁琐的液压系统，避免了液压驱动导致泄漏等一系列问题。

在一实施例中，请参阅图8，还包括设置于导杆301上的水动力马达400，水动力马达400包括外壳401、设置于外壳401内的旋转轴404和旋转内芯405、设置于外壳401上的动力环403和启动开关402以及开设于外壳401端部的螺纹孔406，其中，动力环403便于在拆卸时工作人员对水动力马达的拿持，且其通过启动开关实现弹出。

其中水动力马达400还包括弹簧柱塞，用于在机器人水下运动时遇到水阻力较大或者当力矩电机3055供力不足的时候提供缓冲作用。

水动力马达400工作时，电力驱动旋转轴404转动，带动旋转内芯405转动，驱动水流于之间穿过，产生与机械手机构305移动方向同向的水流推力，对机械手机构305提供额外的动力，带动机械手机构305对生命源进行有效拖拽。

在一实施例中，请参阅图11，还包括生命救援箱500，安装于端盖101上且与执行单元300位于同侧设置，这样使得机械手机构305将生命源向启动单元100方向拖动时，能够正好将生命源移动至生命救援箱500上，不用做其他过多的换向动作，提高了救援的效率，用于承载通过执行单元300救援的生命源，通过将救援的生命源通过机械手机构305拖拽至生命救援箱500上，为生命源提供一定的承载力，减小机器人返回途中的阻力，因为生命救援箱500具有一定的浮力，同时能够对生命源提供稳定的支撑力。

在一实施例中，请参阅图9和图10，生命救援箱500包括回收箱501、与回收箱501下端连接的平浮阶梯503、与回收箱501上端连接的连接梁502以及设置于回收箱501底部的两个悬浮轮504，平浮阶梯503的设置便于将生命源平顺的拖拽至回收箱501内，悬浮轮504的设置用于对回收箱501提供一定的浮力，进而能够承载生命源本身的重量，减小机器人返途过程中的阻力。

工作原理：

请参阅图12和图13，控制开关按钮103，通过连接线启动处于壳体104内端的SM32-单片机，SM32-单片机通过单片机芯片105进而对摄像头发出信号，摄像头107会随可编辑控制器出现图像在OPPENSV上，直至整个机器人开始巡航启动；

启动传动单元200，信号传达推进器203，带动悬浮轮504转动，使得水下救援机器人可以沿着矿道相向运动，寻找具有生命源的生命体，整个机器人开始上浮，下潜，防止打滑现象，完成制动过程；

启动传动单元200，通过可编程控制器信发送指令给力矩电机3055转速及转矩大小实现对制动装置力及制定响应时间的控制；

力矩电机3055对机械手的制动，机械手中的正齿轮3056旋转带动单齿轮3052和双齿轮3057旋转，单齿轮3052和双齿轮3057紧密连接，推动连轴器带动接触夹3054进行拖拽，另一方面推动为机械手提供动力，由可编程控制器向机械手发送数字量信号和模拟量信号，从而能让机械手将具有生命源的生命体拉上救援箱；

水动力马达400在机械手蓄力不足的情况下提供强有劲的动力源，当按下启动开关402后，动力环403会立即出动起来，旋转轴404加速旋转以带动旋转内芯405加速旋转，从而使水动力马达400为机械手机构305提供强大的动力源，带动机械手将生命源拖拽到生命救援箱500；

以下进一步给出本发明装置实验测试的实验结果分析

请参阅图12和图13，机械手制动力的大小是对制动结构接触夹3054制动效果最直接的反应，为得到制动踏面在回收箱501与电流及行程的关系进行详细叙述，步骤为：

1)根据矿井复杂程度需要，安装固定好力矩电机3055和开关按钮103；

2)安装固定好开关按钮1031中的传动单元SM32-单片机，确保在开关按钮103按下后传动单元SM32-单片机启动四个处于壳体104上端盖的12个摄像头107，确保机器人有视野亮阔的巡视范围；

3)将执行单元300的机械手机构305与导杆301无缝连接，机械手随着力矩电机3055的启动，机械手中的单齿轮3052和双齿轮3057交互连接，齿轮的小齿随着彼此的缝接向啮合，加速旋转从而带动正齿轮3056将两个接触夹3054推动；

4)两个接触夹3054在力矩电机3055大的电流影响下加大动力来夹持目标物；

5)接通电源，将程序输入可编程控制器内部，通过可编程控制器发送的指令控制力矩电机3055及SM32-单片机的运转；通过可编程控制器发送的数字量信号改变力矩电机3055的转向，通过模拟量信号改变力矩电机3055的输出传动力的大小以及传动速度；通过可编程控制器发送的脉冲信号控制力矩电机3055带动机械手进行搜救目标物；

机械手在摄像头107的光照下发现井下透水的目标物，将机械手将目标物拖拽到回收端盖的平浮阶梯503，平浮阶梯503在井下透水的特殊情况下特意会将目标物增大力矩拉上回收箱501，回收箱501具有一定的摩擦力能保证目标物不会脱落，再次启动开关按钮103将回收箱501封装起来，从而带出矿井外。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种面向矿井透水救援的水下机器人，其特征在于：包括，

启动单元（100），用于控制整个救援动作的展开；

传动单元（200），与启动单元（100）连接，用于为机器人提供移动的动力；

所述启动单元（100）包括两个表面具有均匀棱状凸起的端盖（101）、与端盖（101）连接的端盘（102）以及呈矩形结构的壳体（104），所述壳体（104）设于两个端盘（102）之间；

执行单元（300），与传动单元（200）连接，用于对水下生命源的打捞；

所述执行单元（300）包括导杆（301）、与导杆（301）一端连接的六边形端盖（303）、与端盖（101）连接的联轴器（302）、与联轴器（302）连接的连接螺栓（304）、套设于导杆（301）上的移动活塞（306）以及与导杆（301）另一端连接的机械手机构（305）；

所述机械手机构（305）包括两个接触夹（3054）、与接触夹（3054）连接的连杆（3053）、分别与两个接触夹（3054）连接的单齿轮（3052）和双齿轮（3057）、与连杆（3053）连接的端板（3051）、设置于端板（3051）上的正齿轮（3056）以及用于驱动的力矩电机（3055），所述单齿轮（3052）与双齿轮（3057）啮合连接；

还包括生命救援箱（500），安装于端盖（101）上且与执行单元（300）位于同侧设置，用于承载通过执行单元（300）救援的生命源；

所述生命救援箱（500）包括回收箱（501）、与回收箱（501）下端连接的平浮阶梯（503）、与回收箱（501）上端连接的连接梁（502）以及设置于回收箱（501）底部的两个悬浮轮（504）。

2.如权利要求1所述的一种面向矿井透水救援的水下机器人，其特征在于：所述启动单元（100）还包括设于端盖（101）内部的单片机（106）、单片机芯片（105）以及设于端盖（101）表面的开关按钮（103）。

3.如权利要求1或2所述的一种面向矿井透水救援的水下机器人，其特征在于：所述启动单元（100）还包括摄像头（107）以及安装摄像头（107）的安装螺栓（108），所述摄像头（107）于壳体（104）表面四周均有设置，用于对机器人周围的画面进行采集。

4.如权利要求3所述的一种面向矿井透水救援的水下机器人，其特征在于：所述传动单元（200）包括连接杆（201）、设置于连接杆（201）两端的接向杆（202）以及与接向杆（202）连接的推进器（203），所述连接杆（201）设置有两个分设于端盘（102）两侧，且所述连接杆（201）与端盘（102）固定连接。

5.如权利要求4所述的一种面向矿井透水救援的水下机器人，其特征在于：还包括设置于导杆（301）上的水动力马达（400），所述水动力马达（400）包括外壳（401）、设置于外壳（401）内的旋转轴（404）和旋转内芯（405）、设置于外壳（401）上的动力环（403）和启动开关（402）以及开设于外壳（401）端部的螺纹孔（406）。

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