CN114802315B - 一种用于工作面液压支架之间的行走机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于工作面液压支架之间的行走机构，包括：一驱动部以及一轮式行走机构；驱动部与轮式行走机构连接，用于驱动轮式行走机构前行；其中，轮式行走机构包括：至少一对驱动轮；驱动轮的表面布满了斜齿轮形状的凹槽，凹槽的横截面为半圆形。本申请通过在驱动轮上布满斜向凹槽，凹槽的直径与轨道壁厚吻合，增大了行走机构跨轨道时与轨道间的摩擦力，使行走机构行走至轨道间隙处时可以平稳驶入下一级轨道；在行走机构的四周设置导向轮，防止驱动轮的侧面与轨道侧面接触，矫正方向，实现了使机器人的行走机构能够在不连续轨道上行驶移动跨越轨道间隙并适应两轨道之间存在的水平以及垂直偏差的效果。

Description

一种用于工作面液压支架之间的行走机构

技术领域

本申请属于煤矿巡检机器人技术领域，具体地讲，涉及一种用于工作面液压支架之间的行走机构。

背景技术

煤矿生产是典型的高危行业，现有煤矿设备需要技术工人直接或间接的参与，存在较高的安全隐患和成本代价。

智能化综采工作面建设，已经发展为可视化远程干预型智能无人化综采，但是各主要设备之间的协同动作，依然要依赖人工的细节干预以确保整个系统的可靠运转，特别是对于液压支架与采煤机的配合，综采工作面内仍然需要工人进行巡检作业，为了实现综采工作面支架支护区域内真正无人，需要研究一种综采工作面巡检机器人，实现对综采工作面巡检人员的替代，具备对煤矿错综复杂的工况环境的自主感知，适应不同条件下的工况环境，识别动态事物的类型和状态，进而判断工作模式，自主避障规划，适应智能综采的发展方向。

现有的综采工作面采煤机巡检机器人的行走机构，以电池供电驱动行走机构沿刮板输送机电缆槽外侧的轨道实现快速移动，巡检机器人行走的轨道之间采用具有一定承载能力的弹簧连接件实现柔性连接。

综采工作面巡检机器人搭载惯性导航系统、三维激光扫描装置、红外热成像摄像仪、可见光摄像仪、无线移动终端等装备，可完成对综采工作面直线度、水平度检测、工作面精确定位、工作面点云扫描、采煤机运行状态巡检与工作面快速巡检等功能，并通过无线通信网络实现传感数据准确、快速传输至巷道集控中心。

但是，现有的综采工作面巡检机器人的运行轨道之间采用具有一定承载能力的弹簧连接件实现柔性连接，在煤矿井下的潮湿环境中更容易加快老化时间，使得弹簧的弹力发生改变，从而影响整个轨道的连接，容易使轨道的柔性连接失效，轨道之间的衔接处产生间隙，当间隙较大时机器人有从轨道柔性连接处脱轨的风险，当间隙较小时也会影响到机器人在轨道上的行走。

发明内容

本申请提供了一种用于工作面液压支架之间的行走机构，以至少解决机器人如何能够在在不连续且有较小间隙的两端轨道上移动和行走的问题。

根据本申请提供的一种用于工作面液压支架之间的行走机构，包括：一驱动部以及一轮式行走机构；驱动部与轮式行走机构连接，用于驱动轮式行走机构前行；

其中，轮式行走机构包括：至少一对驱动轮；

驱动轮的表面布满了斜齿轮形状的凹槽，凹槽的横截面为半圆形。

在一实施例中，驱动部包括一电机以及与电机连接的减速器；减速器与轮式行走机构相连，用于将电机输出的动力减速后传导至轮式行走机构。

在一实施例中，轮式行走机构包括：前后两对驱动轮，轴承，驱动轮连接轴和传动链条；

后对驱动轮分别与减速器连接；

前对驱动轮之间通过一驱动轮连接轴连接，驱动轮连接轴的两端分别设置有一轴承；

前驱动轮和后驱动轮之间通过传动链条连接。

在一实施例中，在行走机构的前部和后部各设置有一导向架。

在一实施例中，在导向架的两侧分别设置有一导向轮。

在一实施例中，导向架两侧的导向轮之间的距离大于每对驱动轮之间的距离。

在一实施例中，在前后两个驱动轮的轴向位置套设有一承重构件。

在一实施例中，在前后两个导向架上分别设置有一行程开关，用于控制行走机构的启动和停止。

在一实施例中，在前后两个导向架上分别设置有一台摄像机。

在一实施例中，凹槽的横截面的直径不小于运行轨道的壁厚。

煤矿内的机器人运行轨道悬挂于综采面液压支架的顶梁上，在工作面自动化开采中，每个液压支架需要单独前移，造成悬挂于顶梁下的机器人运行轨道无法连续，为了解决机器人能够在不连续且有间隙的轨道上行走的问题，本申请通过改进机器人的行走机构，在驱动轮上布满斜向凹槽，且凹槽的直径与轨道壁厚吻合，增大了行走机构跨轨道时与轨道间的摩擦力，当机器人行走至轨道间隙处时可以平稳驶入下一级轨道，同时，在行走机构的四周设置导向轮，防止驱动轮的侧面与轨道侧面接触影响机器人行走，且导向轮可以矫正行走机构的行走方向，实现了使机器人能够在不连续轨道上行驶移动跨越轨道间隙以及适应两轨道之间存在的水平以及垂直偏差的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种用于工作面液压支架之间的行走机构的简示图。

图2为本申请的行走机构的驱动轮的细节图。

图3为本申请行走机构行至轨道间隙时的示意图。

图4为本申请的行走机构的具体示意图。

图5为本申请的行走机构的侧视图。

图6为本申请的行走机构的俯视图。

图7为本申请的行走机构的导向轮的俯视图。

图8为本申请实施例中驱动轮的投影视图。

图9为本申请实施例中行走机构在轨道上工作时的运行示意图。

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。

现有的综采工作面采煤机巡检机器人，以电池供电驱动行走机构沿刮板输送机电缆槽外侧的轨道实现快速移动，轨道之间采用具有一定承载能力的弹簧连接件实现柔性连接。

综采工作面巡检机器人搭载惯性导航系统、三维激光扫描装置、红外热成像摄像仪、可见光摄像仪、无线移动终端等装备，可完成对综采工作面直线度、水平度检测、工作面精确定位、工作面点云扫描、采煤机运行状态巡检与工作面快速巡检等功能，并通过无线通信网络实现传感数据准确、快速传输至巷道集控中心。

但是，现有的综采工作面巡检运行轨道悬挂于综采面液压支架的顶梁上，在工作面自动化开采中，每个液压支架需要单独前移，造成悬挂于顶梁下的机器人运行轨道无法连续。同时，液压支架在前移时，需要收回侧护板，导致机器人的运行轨道既非连续又在两轨道之间存在空隙。

目前，轨道之间采用具有一定承载能力的弹簧连接件实现柔性连接，在煤矿井下的潮湿环境中更容易加快老化时间，使得弹簧的弹力发生改变，从而影响整个轨道的连接，容易使轨道的柔性连接失效，轨道之间的衔接处产生间隙，当间隙较大时机器人有从轨道柔性连接处脱轨的风险，当间隙较小时也会影响到机器人在轨道上的行走。

为了解决这一问题，本申请通过在巡检机器人上搭载改进的行走机构，从而使机器人具备在具有一定间隙的不连续轨道上行驶移动，跨越一定的轨道间隙，适应两轨道之间存在的水平以及垂直偏差的能力，实现替代支架工日常巡检工作。

本申请提供的一种用于工作面液压支架之间的行走机构，包括：一驱动部以及一轮式行走机构；驱动部与轮式行走机构连接，用于驱动轮式行走机构前行；

其中，轮式行走机构包括：至少一对驱动轮；

驱动轮的表面布满了斜齿轮形状的凹槽，凹槽的横截面为半圆形。

在一具体实施例中，如图1所示，驱动部A与轮式行走机构B相连，用于为轮式行走机构提供动力。轮式行走机构包括至少两个驱动轮。如图2所示，驱动轮表面布满斜齿轮状的凹槽，凹槽截面为直径10mm的半圆，在实际作业中，运行轨道的壁厚为5mm，这样轨道壁的边缘能嵌入驱动轮的凹槽内。如图3所示，行走机构在跨越有高度偏差的轨道空隙时，驱动轮能够提供足够的驱动力使得行走机构前行，轨道壁的边缘能嵌入驱动轮的凹槽内。并且斜齿轮状凹槽能够增加驱动轮与轨道之间的摩擦力，尽量避免因打滑导致行走机构无法行走的情况发生，其倾斜的凹槽还能让驱动轮在轴向的投影为圆形（如图8所示），使得驱动轮在轨道上能够平稳滚动，搭载在行走机构上的巡检机器人在行走时拍摄的画面不会抖动。

在一具体实施例中，驱动轮的数量可以为两个或四个，本申请不以此为限制。

图1所示的机器人的行走机构通过在驱动轮表面设置斜向凹槽的方式，增加了驱动轮与轨道之间的摩擦力，避免了打滑，当搭载有机器人的行走机构在跨越有高度偏差的两段轨道之间的空隙时，较高段的轨道边沿可以卡在凹槽内，使得行走机构能够顺利登上较高段的轨道，并且倾斜的凹槽让行走机构在行走时更加平稳，使机器人具备在不连续轨道上行驶移动的能力，也提升了机器人适应两轨道间存在的垂直偏差的能力。

实际中，因机器人的工作环境是在煤矿井下，运行轨道面会附着水、煤泥和煤块等杂物，使得机器人在行走过程中容易出现驱动轮打滑现象。为了确保行走的稳定性，本申请从两方面对机器人的行走机构的驱动轮进行了创新性设计。从增大摩擦力方面考虑，将轮面加入齿结构，增加轮面与轨道的摩擦力。从减少行走颠簸方面考虑，将驱动轮的凹槽设计成了斜的，这样驱动轮与轨道接触点到圆心的距离变化很小，从而使得驱动轮在轨道上的行使更加平稳。

在一实施例中，驱动部包括一电机以及与电机连接的减速器；减速器与轮式行走机构相连，用于将电机输出的动力减速后传导至轮式行走机构。

在一具体实施例中，如图4所示，驱动部包括一直流无刷伺服电机1以及一蜗轮蜗杆减速器2。直流无刷伺服电机1提供的动力经过蜗轮蜗杆减速器2将动力传递到前两个驱动轮，使得机器人的行走机构的驱动方式为全时四轮驱动。

在一实施例中，轮式行走机构包括：前后两对驱动轮，轴承6，驱动轮连接轴7和传动链条4；

后对驱动轮分别与蜗轮蜗杆减速器2连接；

前对驱动轮之间通过一驱动轮连接轴连接，驱动轮连接轴的两端分别设置有一轴承6；

前驱动轮和后驱动轮之间通过传动链条连接。

在一实施例中，在前后两个驱动轮的轴向位置套设有一承重构件。

在一具体实施例中，如图4和图5所示，行走机构共有4个驱动轮5，后部的两个驱动轮与蜗轮蜗杆减速器2连接，每个驱动轮5上均设置有一传动链轮3，传动链轮3上套设有传动链条4，前后驱动轮之间通过传动链条4进行传动。在前后驱动轮5的传动链轮3上套设有一承重构件8用于承载巡检机器人的重量。

在一实施例中，在行走机构的前部和后部各设置有一导向架9。

在一实施例中，在导向架的两侧分别设置有一导向轮。

在一实施例中，导向架两侧的导向轮之间的距离大于每对驱动轮之间的距离。

在一具体实施例中，如图6和图7所示，行走机构的前后两端各设置有一导向架9，在导向架9的两侧分别设置一导向轮10，共4个，导向轮10安装好后宽度大于驱动轮的宽度，导向轮10防止驱动轮的侧面与轨道侧面接触，影响巡检机器人的行走机构行走，由于导向轮10可以转动，当行走机构的行走方向与轨道侧面相交时，导向轮会矫正行走机构的行走方向，使行走方向与轨道侧面平行，提升了机器人的行走机构适应两轨道间存在的水平偏差的能力。

机器人的行走机构在通过有垂直或水平偏移的轨道间隙时，为了适应偏移量，会发生行走方向改变的现象，使机器人的行走机构与轨道内壁发生接触，既然接触不可避免，就需要能够利用这种现象。在机器人的行走机构两侧各安装两个导向轮结构，变滑动接触为滚动接触，同时接触的反作用力可以用来纠正行走方向，使得机器人行走机构的行走方向始终与轨道平行。

行走机构的前后两端分别安装了前/后导向架，是专为适应轨道的水平偏差而设计的，该导向结构为等腰梯形结构，在机器人的行走机构跨越轨道间隙时，如果两节轨道存在水平方向偏差，该导向结构梯形的斜边会和下一节轨道端面接触，形成作用力。由于轨道是固定的，作用力会反作用于导向结构上，随着行走机构的前移，导向结构会将行走机构的行走方向与轨道的水平偏移方向矫正一致，从而使得行走机构能够安全通过具有水平方向偏移的轨道间隙。

本申请提供的机器人的行走机构通过在四周设置导向轮的方式，矫正行走机构的行走方向，使行走方向与轨道侧面平行，提升了机器人适应两轨道间存在的水平偏差的能力。

在一实施例中，在前后两个导向架上分别设置有一行程开关，用于控制行走机构的启动和停止。

特别需要注意的是，本申请所提供的行走机构在跨越两段轨道之间的间隙时，间隙并不是无限大的，而是只能够跨越一定范围内的间隙（例如，行走机构的长度为1米的情况下，其可跨越的间隙范围不超过0.3米时是安全的，此处仅为举例，本申请并不以此为限，具体能跨越的间隙范围应当视机器人自身的参数而定），当间隙的距离已经超过行走机构所能跨越的范围时，需要行程开关来使得行走机构快速停下或倒退，避免坠落。

在一具体实施例中，由于机器人是挂在轨道上行走，离地高度一般在3米以上，如果发生坠落，后果不堪设想，因此，在行走机构的最前端与最后端分别安装有行程开关11，行程开关11的设置是为了避免当轨道之间的间隙过大，已经超越了行走机构所能克服的间隙范围时，及时预警使得行走机构快速停下或倒退，避免坠落。行程开关运用仿生学原理，行程开关模仿了昆虫的触角，当行走机构在轨道中行走时，信号“触角”会始终接触轨道内壁，持续给机器人行走机构核心控制器一个“1”（安全）信号反馈；当机器人行走机构要穿过两节轨道间的间隙时，“触角”会有一段时间触碰不到轨道内壁，这时会持续给核心控制器一个“0”（危险）信号。如果前方存在第二节轨道，且第二节轨道与本轨道之间的间隙较小时，行走机构行走一段时间后，发射的信号“触角”会再次触碰到轨道，使危险信号解除，行走机构继续行走；如果前方没有轨道或两节轨道间隙过大，会有坠落的危险，发出的危险信号持续时间超过阈值，行走机构会紧急后退至“触角”触碰到轨道为止。当间隙过大时，说明轨道之间出现异常，需由人工介入修理轨道。限位开关采用机械式开关，具有高可靠度和稳定性。

在一实施例中，在前后两个导向架上分别设置有一台摄像机。

在一实施例中，凹槽的横截面的直径不小于运行轨道的壁厚。

在一具体实施例中，在前后两个导向架上分别设置有一行程开关11，用于控制行走机构的启动和停止，导向架9的前端搭载有一摄像机12。

在一具体实施例中，行走机构搭载在一款煤矿综采工作面巡检机器人上，使得巡检机器人可以在综采工作面内往复移动进行巡检，行走机构在截面为C型的轨道内行走，每一节C型轨道悬挂于每一台综采面液压支架的顶梁上，如图9所示，为实际作业中的情形，行走机构E在轨道C上行走，行走机构E的下方吊着巡检机器人D，综采工作面巡检机器人搭载电源模块，以电池供电驱动行走机构沿不连续的轨道实现快速移动，轨道之间有一定的间隙。

综采工作面巡检机器人搭载惯性导航系统、三维激光扫描装置、可见光摄像仪、测高传感器、RFID无线射频模块、无线移动终端等装备，可完成对采煤机运行状态巡检、液压支架位置及姿态状况的监测与工作面快速巡检等功能，并通过无线通信网络实现传感数据准确、快速传输至巷道集控中心。由于机器人是挂在轨道上行走，离地高度一般在3米以上，如果发生坠落，后果不堪设想，因此，在行走机构的最前端与最后端分别安装有行程开关11，运用仿生学原理，行程开关模仿了昆虫的触角，当行走机构在轨道中行走时，“触角”会始终接触轨道内壁，持续给机器人核心控制器一个“1”（安全）信号反馈；当行走机构要穿过两节轨道间的间隙时，“触角”会有一段时间触碰不到轨道内壁，这时会持续给核心控制器一个“0”（危险）信号。如果前方存在第二节轨道，一段时间后“触角”会再次触碰到轨道，使危险信号解除，行走机构继续行走；如果前方没有轨道或两节轨道间隙过大，会有坠落的危险，危险信号持续时间超过阈值，行走机构会紧急后退至“触角”触碰到轨道为止。限位开关采用机械式，具有高可靠度和稳定性。此方法可有效的避免行走机构高空坠落。

本申请通过改进机器人的行走机构，在驱动轮上布满斜向凹槽，且凹槽的直径与轨道壁厚吻合，增大了机器人行走机构跨轨道时与轨道间的摩擦力，当行走机构行走至轨道间隙处时可以平稳驶入下一级轨道，同时，在行走机构的四周设置导向轮，防止驱动轮的侧面与轨道侧面接触影响机器人行走机构行走，且导向轮可以矫正行走机构的行走方向，实现了使机器人能够在不连续轨道上行驶移动跨越轨道间隙以及适应两轨道之间存在的水平以及垂直偏差的技术效果。

通过巡检机器人搭载该行走机构在煤矿综采工作面应用，实现最大巡检速度30m/min，可在整个工作面进行固定区域巡检，沿轨道行走对沿途的液压支架的姿态和位置进行检测，也可跟踪采煤机运动，实时监测采煤机附近支架状态，检测精度可控制在±1mm。本发明可为煤炭行业综采工作面巡检机器人技术的发展提供有益的借鉴。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。虽然本说明书实施例提供了如实施例所述的技术内容，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的技术内容。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种用于工作面液压支架之间的行走机构，其特征在于，包括：一驱动部以及一轮式行走机构；所述驱动部与所述轮式行走机构连接，用于驱动所述轮式行走机构前行；

其中，所述轮式行走机构包括：至少一对驱动轮；

所述驱动轮的表面布满了斜齿轮形状的凹槽，所述凹槽的横截面为半圆形，行走机构在跨越有高度偏差的轨道空隙时，驱动轮能够提供足够的驱动力使得行走机构前行，轨道壁的边缘能嵌入驱动轮的凹槽内；

在所述行走机构的前部和后部各设置有一导向架；

在前后两个所述导向架上分别设置有一行程开关，用于控制行走机构的启动和停止；行程开关模仿了昆虫的触角，当行走机构在轨道中行走时，“触角”会始终接触轨道内壁，持续给行走机构的核心控制器一个安全信号反馈；当行走机构要穿过两节轨道间的间隙时，“触角”会有一段时间触碰不到轨道内壁，这时会持续给行走机构的核心控制器一个危险信号，危险信号持续时间超过阈值时，行走机构会紧急后退至“触角”触碰到轨道为止。

2.根据权利要求1所述的用于工作面液压支架之间的行走机构，其特征在于，所述驱动部包括一电机以及与所述电机连接的减速器；所述减速器与所述轮式行走机构相连，用于将电机输出的动力减速后传导至轮式行走机构。

3.根据权利要求2所述的用于工作面液压支架之间的行走机构，其特征在于，所述轮式行走机构包括：前后两对驱动轮，轴承，驱动轮连接轴和传动链条；

后对驱动轮分别与减速器连接；

前对驱动轮之间通过一驱动轮连接轴连接，所述驱动轮连接轴的两端分别设置有一轴承；

前驱动轮和后驱动轮之间通过所述传动链条连接。

4.根据权利要求3所述的用于工作面液压支架之间的行走机构，其特征在于，在所述导向架的两侧分别设置有一导向轮。

5.根据权利要求4所述的用于工作面液压支架之间的行走机构，其特征在于，所述导向架两侧的导向轮之间的距离大于每对驱动轮之间的距离。

6.根据权利要求3所述的用于工作面液压支架之间的行走机构，其特征在于，在前后两个驱动轮的轴向位置套设有一承重构件。

7.根据权利要求4所述的用于工作面液压支架之间的行走机构，其特征在于，在前后两个所述导向架上分别设置有一台摄像机。

8.根据权利要求1所述的用于工作面液压支架之间的行走机构，其特征在于，所述凹槽的横截面的直径不小于运行轨道的壁厚。

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