CN115122837B - 一种废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人，包括：支撑机构、行走机构、沉浮机构、垂直推进机构、水平推进机构，支撑机构包括两相互平行且对称设置的机架；行走机构包括转动连接在机架边角处的滚轮，滚轮位于两机架相背的一侧，任一滚轮传动连接有行走电机，位于同一机架上的滚轮之间通过履带传动连接；沉浮机构设置在两机架之间，沉浮机构包括两沉浮箱，沉浮箱与外界环境连通；垂直推进机构包括转动连接在两沉浮箱之间的第一螺旋桨，第一螺旋桨水平设置，第一螺旋桨传动连接有升降电机；水平推进机构包括转动连接在两机架之间的第二螺旋桨，第二螺旋桨竖直设置，第二螺旋桨传动连接有推进电机。

Description

一种废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人

技术领域

本发明涉及潜水机器人技术领域，特别是涉及一种废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人。

背景技术

大多数地区的煤炭开采以井工开采为主，未对采空区进行处理的井工开采将地下的煤炭资源回收后，岩层的移动垮塌向上延伸至地面，造成地表塌陷并形成积水，利用这一特点，可以将地表塌陷区域水体作为上水库，地下绵延十几甚至几十公里的废弃巷道空间作为下水库，利用上下水库的势能差构建抽水蓄能电站。如能将废弃地下空间部分用于抽水蓄能发电，不仅能够缓解电力系统储能需求，还能为已关闭矿井带来持续的动态效益，对于资源枯竭型城市转型发展也具有重要意义。

将废弃矿井用作地下水库来建设抽水蓄能电站的前提是准确的掌握废弃矿井井下空间的状况。因此需要一种废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人用于勘测由废弃矿井巷道硐室空间形成的地下水库的环境。同时，水陆两栖机器人是抽水蓄能电站关键巡检设备，负责电站地下空间的前期勘探及后期维护、巡检等重要任务。由于废弃矿井存在突水、瓦斯、塌陷等诸多危险因素，且地下电站涉及水陆两栖工况，电站建成后的地下水道空间人无法到达，加之地下空间环境的复杂性，水底障碍物较多，水陆两栖机器人容易磕碰损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人，包括：

支撑机构，包括两相互平行且对称设置的机架；

行走机构，包括转动连接在所述机架边角处的滚轮，所述滚轮位于两所述机架相背的一侧，任一所述滚轮传动连接有行走电机，位于同一所述机架上的所述滚轮之间通过履带传动连接；

沉浮机构，设置在两所述机架之间，所述沉浮机构包括两沉浮箱，所述沉浮箱与外界环境连通，所述沉浮箱内设置有气体生成装置；

垂直推进机构，包括转动连接在两所述沉浮箱之间的第一螺旋桨，所述第一螺旋桨水平设置，所述第一螺旋桨传动连接有升降电机；

水平推进机构，包括转动连接在两所述机架之间的第二螺旋桨，所述第二螺旋桨竖直设置，所述第二螺旋桨传动连接有推进电机。

优选的，两所述机架的底端之间固接有第一承载板，所述第一承载板水平设置，所述行走电机固接在所述第一承载板的顶面上，所述行走电机的输出轴上固接有第一链轮，所述滚轮的轴心处固接有转轴，所述转轴转动连接在所述机架的边角处，任一所述转轴伸入两所述机架之间且固接有第二链轮，所述第二链轮与所述第一链轮之间通过链条传动连接。

优选的，所述行走电机的上方设置有第二承载板，所述第二承载板固接在两所述机架之间，所述第二承载板的上方固定安装有密封箱，所述密封箱的顶端固接有两所述沉浮箱，两所述沉浮箱分别设置在所述密封箱的两侧，所述沉浮箱的两端均开设有通孔，所述通孔上设置有密封机构，所述沉浮箱内滑动连接有滑块，所述滑块的一侧设置有气体生成装置。

优选的，两所述沉浮箱之间留有间隙，两所述沉浮箱之间固接有第一支架，所述第一支架上转动连接有第一连接轴，第一连接轴的顶端固接有第一螺旋桨，第一连接轴的底端固接有第一锥齿轮，所述第一锥齿轮啮合有第二锥齿轮，所述第二锥齿轮固接在升降电机的输出轴上，所述升降电机固接在第三承载板的顶面上，所述第三承载板固接在两所述沉浮箱之间。

优选的，所述推进电机固接在所述第三承载板的顶面上，所述推进电机的输出轴上固接有第二螺旋桨，所述第二螺旋桨位于两所述机架之间。

优选的，两所述机架之间还设置有水下转向机构，所述水下转向机构包括设置在所述沉浮箱上方的第四承载板，所述第四承载板固接在两所述机架之间，所述第四承载板的顶面上转动连接有第一伸缩杆的一端，所述第一伸缩杆的伸缩端转动连接有横杆，所述横杆的两端均转动连接有竖杆，所述竖杆转动连接在所述第四承载板的顶面上，两所述竖杆平行设置，所述竖杆远离所述横杆的一端固接有转向电机，所述转向电机的输出轴上固接有第三螺旋桨，所述第三螺旋桨位于所述第二螺旋桨的正上方，所述第三螺旋桨位于两机架之间且与所述第四承载板的外缘留有间隙。

优选的，所述机架上还设置有辅助机构，所述辅助机构包括固接在所述机架上的第一连杆，所述第一连杆上转动连接有第二连杆，所述第二连杆远离所述第一连杆的一端固接有辅助电机，所述辅助电机的输出轴上固接有第四螺旋桨，所述第四螺旋桨水平设置，所述第二连杆的底面上转动连接有第二伸缩杆的一端，所述第二伸缩杆的另一端转动连接在第三连杆上，所述第三连杆固接在机架上，所述第三连杆与所述第一连杆平行设置。

优选的，所述第一承载板与所述第二承载板之间固接有安装基座，所述安装基座上安装有机械手，所述机械手伸出两所述机架之间。

优选的，所述密封箱的顶端设置有摄像机，所述摄像机位于两所述沉浮箱之间。

优选的，所述第一承载板与所述第二承载板上均开设有贯穿孔，所述贯穿孔位于所述第一螺旋桨的正下方。

本发明公开了以下技术效果：

本发明中，沉浮机构、垂直推进机构以及水平推进机构均设置在两机架之间，通过行走电机驱动任一滚轮转动，进而带动所有滚轮转动，使的机器人可以在陆地上行走，沉浮箱与外界环境连通，当机器人入水后，水进入沉浮箱内，增加机器人的总体重量，加速机器人下沉，当机器人需要上浮时，沉浮箱内的水排出，气体生成装置在沉浮箱内生成气体，降低机器人的重量，同时产生浮力，加速机器人上浮，升降电机控制第一螺旋桨转动，进而控制机器人上浮/下潜的高度和速度,通过推进电机带动第二螺旋桨转动，使机器人在水中能够水平移动。

本发明中将机架作为机器人的外框架，沉浮机构、垂直推进机构以及水平推进机构均设置在两机架之间，能够减少水中障碍物对机器人本体的碰撞，避免机器人被水中的障碍物损坏。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人的主视图；

图2为本发明废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人的左视图；

图3为本发明废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人的俯视图；

图4为图1中A-A向视图；

图5为本发明中沉浮箱的结构示意图；

其中，1、机架；2、滚轮；3、行走电机；4、履带；5、沉浮箱；6、第一螺旋桨；7、升降电机；8、第二螺旋桨；9、推进电机；10、第一承载板；11、第一链轮；12、第二链轮；13、第二承载板；14、密封箱；15、滑块；16、第一支架；17、第一锥齿轮；18、第二锥齿轮；19、第三承载板；20、气体生成装置；21、第四承载板；22、第一伸缩杆；23、横杆；24、竖杆；25、转向电机；26、第三螺旋桨；27、第一连杆；28、第二连杆；29、辅助电机；30、第四螺旋桨；31、第二伸缩杆；32、第三连杆；33、安装基座；34、机械手；35、摄像机；36、滑轨；37、密封板；38、第三伸缩杆。

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-5，本发明提供一种废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人，包括：

支撑机构，包括两相互平行且对称设置的机架1；

行走机构，包括转动连接在机架1边角处的滚轮2，滚轮2位于两机架1相背的一侧，任一滚轮2传动连接有行走电机3，位于同一机架1上的滚轮2之间通过履带4传动连接；

沉浮机构，设置在两机架1之间，沉浮机构包括两沉浮箱5，沉浮箱5与外界环境连通，沉浮箱5内设置有气体生成装置20；

垂直推进机构，包括转动连接在两沉浮箱5之间的第一螺旋桨6，第一螺旋桨6水平设置，第一螺旋桨6传动连接有升降电机7；

水平推进机构，包括转动连接在两机架1之间的第二螺旋桨8，第二螺旋桨8竖直设置，第二螺旋桨8传动连接有推进电机9。

本装置中，沉浮机构、垂直推进机构以及水平推进机构均设置在两机架1之间，通过行走电机3驱动任一滚轮2转动，进而带动所有滚轮2转动，使的机器人可以在陆地上行走，沉浮箱5与外界环境连通，当机器人入水后，水进入沉浮箱5内，增加机器人的总体重量，加速机器人下沉，当机器人需要上浮时，沉浮箱5内的水排出，气体生成装置20在沉浮箱5内生成气体，降低机器人的重量，同时产生浮力，加速机器人上浮，升降电机7控制第一螺旋桨6转动，进而控制机器人上浮/下潜的高度和速度,通过推进电机9带动第二螺旋桨8转动，使机器人在水中能够水平移动。

其中，气体生成装置20为小型氢气机，为现有技术，此处不做赘述。

进一步优化方案，两机架1的底端之间固接有第一承载板10，第一承载板10水平设置，行走电机3固接在第一承载板10的顶面上，行走电机3的输出轴上固接有第一链轮11，滚轮2的轴心处固接有转轴，转轴转动连接在机架1的边角处，任一转轴伸入两机架1之间且固接有第二链轮12，第二链轮12与第一链轮11之间通过链条传动连接。

进一步优化方案，行走电机3的上方设置有第二承载板13，第二承载板13固接在两机架1之间，第二承载板13的上方固定安装有密封箱14，密封箱14的顶端固接有两沉浮箱5，两沉浮箱5分别设置在密封箱14的两侧，沉浮箱5的两端均开设有通孔，通孔上设置有密封机构，沉浮箱5内滑动连接有滑块15，滑块15的一侧设置有气体生成装置20。

密封机构包括固接在通孔两侧的滑轨36，两滑轨36之间滑动连接有密封板37，密封板37远离通孔的一侧固接有第三伸缩杆38，第三伸缩杆38固接在沉浮箱5的底壁上。

机器人上浮时，滑块15靠近通孔，气体生成装置20工作，沉浮箱5上靠近气体生成装置20的通孔闭合，远离气体生成装置20的通孔打开，气体生成装置20使沉浮箱5内气压大于外界压强，此时滑块15在压强的作用下将沉浮箱5内的水排出沉浮箱5，减轻机器人整体重量。

进一步优化方案，两沉浮箱5之间留有间隙，两沉浮箱5之间固接有第一支架16，第一支架16上转动连接有第一连接轴，第一连接轴的顶端固接有第一螺旋桨6，第一连接轴的底端固接有第一锥齿轮17，第一锥齿轮17啮合有第二锥齿轮18，第二锥齿轮18固接在升降电机7的输出轴上，升降电机7固接在第三承载板19的顶面上，第三承载板19固接在两沉浮箱5之间。

进一步优化方案，推进电机9固接在第三承载板19的顶面上，推进电机9的输出轴上固接有第二螺旋桨8，第二螺旋桨8位于两机架1之间。

进一步优化方案，两机架1之间还设置有水下转向机构，水下转向机构包括设置在沉浮箱5上方的第四承载板21，第四承载板21固接在两机架1之间，第四承载板21的顶面上转动连接有第一伸缩杆22的一端，第一伸缩杆22的伸缩端转动连接有横杆23，横杆23的两端均转动连接有竖杆24，竖杆24转动连接在第四承载板21的顶面上，两竖杆24平行设置，竖杆24远离横杆23的一端固接有转向电机25，转向电机25的输出轴上固接有第三螺旋桨26，第三螺旋桨26位于第二螺旋桨8的正上方，第三螺旋桨26位于两机架1之间且与第四承载板21的外缘留有间隙。

第一伸缩杆22伸长带动横杆23运动，横杆23运动带动两竖杆24转动，进而使第三螺旋桨26的轴线方向发生变化，从而使机器人在水下转向。

进一步优化方案，机架1上还设置有辅助机构，辅助机构包括固接在机架1上的第一连杆27，第一连杆27上转动连接有第二连杆28，第二连杆28远离第一连杆27的一端固接有辅助电机29，辅助电机29的输出轴上固接有第四螺旋桨30，第四螺旋桨30水平设置，第二连杆28的底面上转动连接有第二伸缩杆31的一端，第二伸缩杆31的另一端转动连接在第三连杆32上，第三连杆32固接在机架1上，第三连杆32与第一连杆27平行设置。第二伸缩杆31伸长，此时第二连杆28呈水平状态，第四螺旋桨30呈水平状态，辅助第一螺旋桨6控制机器人上浮/下潜的高度和速度，第二伸缩杆31收缩，此时第二连杆28倾斜设置，第四螺旋桨30靠近地面，对机器人起支撑作用，避免机器人侧翻。

进一步优化方案，第一承载板10与第二承载板13之间固接有安装基座33，安装基座33上安装有机械手34，机械手34伸出两机架1之间。机械手34为现有技术，此处不做赘述。

进一步优化方案，密封箱14的顶端设置有摄像机35，摄像机35位于两沉浮箱5之间。摄像机35优选为水下摄像机，为现有技术，不做赘述。

进一步优化方案，第一承载板10与第二承载板13上均开设有贯穿孔，贯穿孔位于第一螺旋桨6的正下方。

第一螺旋桨6转动，带动水流运动，通过第一螺旋桨6与水流之间的反冲力使机器人上升或者下降，第一承载板10与第二承载板13上的贯穿孔避免第一螺旋桨6带动的水流支架冲在第一承载板10与第二承载板13上，影响机器人上升/下降。

本装置中，密封箱14内设置有控制器与信号传输装置，控制器优选为plc控制器，信号传输装置优选为数据信号传送器，为现有技术，不做赘述。其中，信号传输装置、行走电机3、升降电机7、推进电机9、气体生成装置20、第一伸缩杆22、转向电机25、辅助电机29、第二伸缩杆31、机械手34、摄像机35、第三伸缩杆38均与控制器电性连接，控制器电性连接有外部控制终端。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人，其特征在于，包括：

支撑机构，包括两相互平行且对称设置的机架（1）；

行走机构，包括转动连接在所述机架（1）边角处的滚轮（2），所述滚轮（2）位于两所述机架（1）相背的一侧，任一所述滚轮（2）传动连接有行走电机（3），位于同一所述机架（1）上的所述滚轮（2）之间通过履带（4）传动连接；

沉浮机构，设置在两所述机架（1）之间，所述沉浮机构包括两沉浮箱（5），所述沉浮箱（5）与外界环境连通，所述沉浮箱（5）内设置有气体生成装置（20）；

垂直推进机构，包括转动连接在两所述沉浮箱（5）之间的第一螺旋桨（6），所述第一螺旋桨（6）水平设置，所述第一螺旋桨（6）传动连接有升降电机（7）；

水平推进机构，包括转动连接在两所述机架（1）之间的第二螺旋桨（8），所述第二螺旋桨（8）竖直设置，所述第二螺旋桨（8）传动连接有推进电机（9）；

所述行走电机（3）的上方设置有第二承载板（13），所述第二承载板（13）固接在两所述机架（1）之间，所述第二承载板（13）的上方固定安装有密封箱（14），所述密封箱（14）的顶端固接有两所述沉浮箱（5），两所述沉浮箱（5）分别设置在所述密封箱（14）的两侧，所述沉浮箱（5）的两端均开设有通孔，所述通孔上设置有密封机构，所述沉浮箱（5）内滑动连接有滑块（15），所述滑块（15）的一侧设置有所述气体生成装置（20）；

所述密封机构包括固接在所述通孔两侧的滑轨（36），两所述滑轨（36）之间滑动连接有密封板（37），所述密封板（37）远离所述通孔的一侧固接有第三伸缩杆（38），所述第三伸缩杆（38）固接在所述沉浮箱（5）的底壁上；

机器人上浮时，所述滑块（15）靠近通孔，所述气体生成装置（20）工作，所述沉浮箱（5）上靠近所述气体生成装置（20）的通孔闭合，远离所述气体生成装置（20）的通孔打开，所述气体生成装置（20）使所述沉浮箱（5）内气压大于外界压强，此时所述滑块（15）在压强的作用下将所述沉浮箱（5）内的水排出所述沉浮箱（5），减轻机器人整体重量；

两所述机架（1）之间还设置有水下转向机构，所述水下转向机构包括设置在所述沉浮箱（5）上方的第四承载板（21），所述第四承载板（21）固接在两所述机架（1）之间，所述第四承载板（21）的顶面上转动连接有第一伸缩杆（22）的一端，所述第一伸缩杆（22）的伸缩端转动连接有横杆（23），所述横杆（23）的两端均转动连接有竖杆（24），所述竖杆（24）转动连接在所述第四承载板（21）的顶面上，两所述竖杆（24）平行设置，所述竖杆（24）远离所述横杆（23）的一端固接有转向电机（25），所述转向电机（25）的输出轴上固接有第三螺旋桨（26），所述第三螺旋桨（26）位于所述第二螺旋桨（8）的正上方，所述第三螺旋桨（26）位于两机架（1）之间且与所述第四承载板（21）的外缘留有间隙。

2.根据权利要求1所述的废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人，其特征在于：两所述机架（1）的底端之间固接有第一承载板（10），所述第一承载板（10）水平设置，所述行走电机（3）固接在所述第一承载板（10）的顶面上，所述行走电机（3）的输出轴上固接有第一链轮（11），所述滚轮（2）的轴心处固接有转轴，所述转轴转动连接在所述机架（1）的边角处，任一所述转轴伸入两所述机架（1）之间且固接有第二链轮（12），所述第二链轮（12）与所述第一链轮（11）之间通过链条传动连接。

3.根据权利要求1所述的废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人，其特征在于：两所述沉浮箱（5）之间留有间隙，两所述沉浮箱（5）之间固接有第一支架（16），所述第一支架（16）上转动连接有第一连接轴，第一连接轴的顶端固接有第一螺旋桨（6），第一连接轴的底端固接有第一锥齿轮（17），所述第一锥齿轮（17）啮合有第二锥齿轮（18），所述第二锥齿轮（18）固接在升降电机（7）的输出轴上，所述升降电机（7）固接在第三承载板（19）的顶面上，所述第三承载板（19）固接在两所述沉浮箱（5）之间。

4.根据权利要求3所述的废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人，其特征在于：所述推进电机（9）固接在所述第三承载板（19）的顶面上，所述推进电机（9）的输出轴上固接有第二螺旋桨（8），所述第二螺旋桨（8）位于两所述机架（1）之间。

5.根据权利要求1所述的废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人，其特征在于：所述机架（1）上还设置有辅助机构，所述辅助机构包括固接在所述机架（1）上的第一连杆（27），所述第一连杆（27）上转动连接有第二连杆（28），所述第二连杆（28）远离所述第一连杆（27）的一端固接有辅助电机（29），所述辅助电机（29）的输出轴上固接有第四螺旋桨（30），所述第四螺旋桨（30）水平设置，所述第二连杆（28）的底面上转动连接有第二伸缩杆（31）的一端，所述第二伸缩杆（31）的另一端转动连接在第三连杆（32）上，所述第三连杆（32）固接在机架（1）上，所述第三连杆（32）与所述第一连杆（27）平行设置。

6.根据权利要求2所述的废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人，其特征在于：所述第一承载板（10）与所述第二承载板（13）之间固接有安装基座（33），所述安装基座（33）上安装有机械手（34），所述机械手（34）伸出两所述机架（1）之间。

7.根据权利要求1所述的废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人，其特征在于：所述密封箱（14）的顶端设置有摄像机（35），所述摄像机（35）位于两所述沉浮箱（5）之间。

8.根据权利要求2所述的废弃矿井建设地下水库用水陆两栖机器人，其特征在于：所述第一承载板（10）与所述第二承载板（13）上均开设有贯穿孔，所述贯穿孔位于所述第一螺旋桨（6）的正下方。

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