CN116197931A - 一种矿井隧道救护机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿井隧道救护机器人，涉及矿井隧道安全救护技术领域。包括前段、中段、后段与两个旋转关节。前段和后段首尾均设有麦克纳姆轮，前段和后段的中央部位均设有储物格，可放置应急救护物品；前段和中段、中段和后段之间均由设有步进电机的旋转关节相联接。中段内为三段式机械臂。机械臂终端设有机械手，可精确抓取物品。前段首部、后段尾部、第一旋转关节顶部、第二旋转关节处顶部均设有夜视广角摄像头。本发明可通过管道系统以及较复杂的路面环境；依据带有5G信号模块的摄像头实时查看现场情况，根据地形调整至最佳姿态，借助麦克纳姆轮进行全方向运动，到达救护点后机械手臂可协助人员运输应急物资、清除障碍。
Description
技术领域
本发明涉及矿井隧道安全救护技术领域，具体为一种矿井隧道救护机器人。
背景技术
随着煤矿产业的蓬勃发展，矿井隧道中的事故也时有发生。发生事故时，如何快速而有效地救护，成为一项亟待解决的问题。现有的救护设施，一般比较庞大，在事故发生时，很难第一时间进入现场。对于固定的救护仓，被困人员也不一定有能力及时到达。现有的移动式救护机器人也大多采用轮胎作为移动载体，亦或采用麦轮直接代替轮胎，而外观依旧是传统模式，即轮子轴线与主行进方向垂直。因此需要一种设备，可通过狭长的管道，亦可适应较复杂的路面环境，同时可携带应急救护物资，兼具观察现场环境，可协助救护人员或被困人员搬运物资，清除障碍。
发明内容
本发明为了解决现有技术中若矿井隧道中发生事故，救护时存在的上述问题，提供了一种新型的矿井隧道救护机器人。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种矿井隧道救护机器人，所述矿井隧道救护机器人为可调整姿态机器人，当机器人为直线姿态时，呈长圆柱形，包括前段、中段与后段，所述前段与中段之间通过第一旋转关节连接，所述中段与后段之间通过第二旋转关节连接，所述中段上开有长方形下沉槽，所述长方形下沉槽内设有三段式机械臂；所述前段包括前段首部麦克纳姆轮、前段尾部麦克纳姆轮、第一夜视广角摄像头与第一储物格，所述前段首部麦克纳姆轮为左旋转，所述前段尾部麦克纳姆轮为右旋转，所述前段首部麦克纳姆轮与前段尾部麦克纳姆轮各自配有独立的步进电机；所述第一储物格设置于前段首部麦克纳姆轮与前段尾部麦克纳姆轮之间，所述第一夜视广角摄像头安装于前段首部麦克纳姆轮的前端部；所述第一旋转关节包括第一上关节与第一下关节，所述第一上关节位于第一下关节的上部且两者同轴连接，所述第一上关节与前段尾部麦克纳姆轮连接，所述第一下关节与中段连接，所述第一上关节由安装于第一下关节内部的步进电机驱动转动，转动角度为水平正负90度；所述后段包括后段首部麦克纳姆轮、后段尾部麦克纳姆轮、第二夜视广角摄像头与第二储物格，所述后段首部麦克纳姆轮为左旋转，所述后段尾部麦克纳姆轮为右旋转，所述后段首部麦克纳姆轮与后段尾部麦克纳姆轮各自配有独立的步进电机；所述第二储物格设置于后段首部麦克纳姆轮与后段尾部麦克纳姆轮之间，所述第二夜视广角摄像头安装于后段尾部麦克纳姆轮的后端部；所述第二旋转关节包括第二上关节与第二下关节，所述第二上关节位于第二下关节的上部且两者同轴连接，所述第二下关节与后段首部麦克纳姆轮连接，所述第二上关节与中段连接，所述第二下关节由安装于第二上关节内部的步进电机驱动转动，转动角度为水平正负90度。
本发明所设计的一种矿井隧道救护机器人，为可调整姿态机器人，直线姿态时呈长圆柱形，依靠麦克纳姆轮可通过狭长的管道以及实现全方向运动；依靠设有的夜视广角摄像头，可实时查看现场环境；依靠设计的关节，可适时调整姿态，以适应不同的路面环境；依靠设有的机械手臂和储物格，可协助人员完成物资搬运和清除障碍等工作。当机器人为直线姿态时，呈长圆柱形，包括前段、中段与后段，前段与中段之间通过第一旋转关节连接，第一旋转关节使前段与中段之间有角度变化，中段与后段之间通过第二旋转关节连接，第二旋转关节使中段与后段之间有角度变化。中段上开有长方形下沉槽，长方形下沉槽内设有三段式机械臂，三段式机械臂实现清障和物资搬运的功能。
前段包括前段首部麦克纳姆轮、前段尾部麦克纳姆轮、第一夜视广角摄像头与第一储物格，前段首部麦克纳姆轮为左旋转，前段尾部麦克纳姆轮为右旋转，左旋转和右旋转指的是麦克纳姆轮的布置方式，由于前段首部麦克纳姆轮与前段尾部麦克纳姆轮各自配有独立的步进电机，因此可以根据实际使用的环境，使麦克纳姆轮按照需要进行不同方向的旋转，配合后段两麦克纳姆轮可实现机器人前进、后退、左右平移、斜向平移、原地旋转等全方向运动。第一储物格设置于前段首部麦克纳姆轮与前段尾部麦克纳姆轮之间，用于放置救护物资；第一夜视广角摄像头安装于前段首部麦克纳姆轮的前端部，可实时查看现场情况。第一旋转关节包括第一上关节与第一下关节，第一上关节位于第一下关节的上部且两者同轴连接，第一上关节与前段尾部麦克纳姆轮连接，连接方式不限，但是需要满足不影响麦克纳姆轮旋转的条件，则当第一上关节旋转时，前段可随之转动，第一下关节与中段连接，第一上关节由安装于第一下关节内部的步进电机驱动转动，转动角度为水平正负90度，共180度范围内的旋转，即前段可以有180度的旋转范围。
后段包括后段首部麦克纳姆轮、后段尾部麦克纳姆轮、第二夜视广角摄像头与第二储物格，后段首部麦克纳姆轮为左旋转，后段尾部麦克纳姆轮为右旋转，左旋转和右旋转指的是麦克纳姆轮的布置方式，由于后段首部麦克纳姆轮与后段尾部麦克纳姆轮各自配有独立的步进电机，因此可以根据实际使用的环境，使麦克纳姆轮按照需要进行不同方向的旋转，配合前段两麦克纳姆轮可实现机器人前进、后退、左右平移、斜向平移、原地旋转等全方向运动。第二储物格设置于后段首部麦克纳姆轮与后段尾部麦克纳姆轮之间，用于放置救护物资；第二夜视广角摄像头安装于后段尾部麦克纳姆轮的后端部，可实时查看现场情况。第二旋转关节包括第二上关节与第二下关节，第二上关节位于第二下关节的上部且两者同轴连接，第二下关节与后段首部麦克纳姆轮连接，连接方式不限，但是需要满足不影响麦克纳姆轮旋转的条件，则当第二下关节旋转时，后段可随之转动，第二上关节与中段连接，第二下关节由安装于第二上关节内部的步进电机驱动转动，转动角度为水平正负90度，共180度范围内的旋转，即后段可以有180度的旋转范围。
本发明具体操作为：当矿井隧道发生事故时，救护人员和被救人员均可在第一时间内对设置好的矿井隧道机器人进行远程操控，如在管道内行走，采用如图1的直线姿态模式行进，通过4个麦克纳姆轮配合旋转，可实现机器人前进、后退、左右平移、斜向平移、原地旋转等全方向运动。操控者通过设置在机器人上的两个夜视广角摄像头，实时查看现场情况，根据现场具体情况，配合两个旋转关节以及四个麦克纳姆轮的旋转，实时调整机器人姿态。进入平坦道路，可采用如图3的小车姿态模式，第一旋转关节逆时针旋转90度，第二旋转关节顺时针旋转90度，同时配合麦克纳姆轮旋转，机器人即可转变成小车姿态。小车姿态下，通过4个麦克纳姆轮配合旋转，可实现机器人前进、后退、左右平移、斜向平移、原地旋转等全方向运动。小车姿态下，在平坦路面运动更加快捷有效，同时机器人整体更加稳定，此时机器人可伸展机械臂进行救护工作。在遇到其他特殊障碍时，可依据障碍形态，选择合适的旋转关节旋转角度，通过障碍；亦可以操控机械手臂清除障碍后继续前进。当到达救护地点后，被救人员可从储物格中得到应急救护物资。如果被救人员失去行为能力，救护人员可操控机械臂协助被救人员脱困。
优选的，所述三段式机械臂包括第一伺服电机，所述第一伺服电机固定于中段的长方形下沉槽内靠近第一旋转关节处；所述第一伺服电机输出轴连接第一段机械臂首端且驱动第一段机械臂旋转，所述第一段机械臂末端连接第二伺服电机，所述第二伺服电机的输出轴连接中部连接关节一端且驱动中部连接关节旋转，所述中部连接关节另一端连接第三伺服电机，所述第三伺服电机的输出轴连接第二段机械臂首端且驱动第二段机械臂旋转，所述第二段机械臂末端连接第四伺服电机，所述第四伺服电机的输出轴连接前部连接关节且驱动前部连接关节旋转，所述前部连接关节的前端固定连接有第三段机械臂，所述第三段机械臂的前端设有第五伺服电机，所述第五伺服电机的输出轴连接于第六伺服电机的底座，所述第五伺服电机通过驱动输出轴旋转带动第六伺服电机及机械手整体旋转，所述第六伺服电机的输出轴通过齿轮与机械手连接，所述第六伺服电机通过驱动输出轴旋转带动机械手完成开合动作。这6个伺服电机可以控制实现机械臂的各种动作，不仅可以清障，还可以协助被救护人员脱困。
优选的，所述前段首部麦克纳姆轮与前段尾部麦克纳姆轮各自的步进电机分别位于两者的内部中央；所述后段首部麦克纳姆轮与后段尾部麦克纳姆轮各自的步进电机分别位于两者的内部中央，这样可使整个机器人结构更加紧凑。
优选的，所述第一上关节的顶面上还安装有第三夜视广角摄像头；所述第二上关节的顶面上还安装有第四夜视广角摄像头，可以观测到更多环境信息，操控者可以在小车的不同姿态下，实时查看现场状况。
优选的，所述第一储物格与第二储物格内放置应急救护物资，比如应急灯、应急通讯设备、防护服、制氧面罩、移动电源、食物、水、药物等；到达施救点后，可对被救护人员进行生命支持。
优选的，第一夜视广角摄像头、第二夜视广角摄像头、第三夜视广角摄像头与第四夜视广角摄像头上均配有5G信号模块，可远程传输高清图像给操控者。
优选的，所述矿井隧道救护机器人匹配有多个遥控器，遥控器由救护人员或被救护人员控制，当发生险情时，各人员均可在第一时间操控救护机器人实施救护。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种矿井隧道救护机器人：①本发明造型简洁、新颖。直线姿态下整体呈长圆柱形，可实现全方向运动，可通过狭长的管道；同时由于设有旋转关节，使机器人具有多种姿态，可适应较复杂的路面条件，小车姿态下，机器人整体更加稳定，可伸展机械手臂进行救护工作。
②本发明在首尾及两旋转关节处均设有夜视广角摄像头，操控者可对现场进行全方位的监控。
③本发明中部设有三段式机械臂，其终端机械手可灵活精确地抓取物品，同时也可进行清除障碍工作，施展救护。
④本发明前后两段均设有储物格，发生险情时，可及时提供应急物资。
附图说明
图1是本发明的整体结构即直线姿态等轴测示意图。
图2是本发明的整体结构即直线姿态俯视图。
图3是本发明的小车姿态下三段式机械臂伸展状态示意图。
图4是本发明三段式机械臂伸展状态示意图。
图5是本发明三段式机械臂收缩状态示意图。
图中标记如下：1-前段，2-中段，3-后段，4-第一旋转关节，5-第二旋转关节，6-三段式机械臂，101-前段首部麦克纳姆轮，102-前段尾部麦克纳姆轮，103-第一夜视广角摄像头，104-第一储物格，301-后段首部麦克纳姆轮，302-后段尾部麦克纳姆轮，303-第二夜视广角摄像头，304-第二储物格，401-第三夜视广角摄像头，402-第一下关节，403-第一上关节，501-第四夜视广角摄像头，502-第二下关节，503-第二上关节，601-第一伺服电机，602-第一段机械臂，603-第二伺服电机，604-第三伺服电机，605-第二段机械臂，606-第四伺服电机，607-第三段机械臂，608-第五伺服电机，609-第六伺服电机，610-机械手，611-中部连接关节，612-前部连接关节。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种矿井隧道救护机器人，如图1至图3所示：所述矿井隧道救护机器人为可调整姿态机器人，当机器人为直线姿态时，呈长圆柱形，包括前段1、中段2与后段3，所述前段1与中段2之间通过第一旋转关节4连接，所述中段2与后段3之间通过第二旋转关节5连接，所述中段2上开有长方形下沉槽，所述长方形下沉槽内设有三段式机械臂6。所述前段1包括前段首部麦克纳姆轮101、前段尾部麦克纳姆轮102、第一夜视广角摄像头103与第一储物格104，所述前段首部麦克纳姆轮101为左旋转，所述前段尾部麦克纳姆轮102为右旋转，所述前段首部麦克纳姆轮101与前段尾部麦克纳姆轮102各自配有独立的步进电机；所述第一储物格104设置于前段首部麦克纳姆轮101与前段尾部麦克纳姆轮102之间，所述第一夜视广角摄像头103安装于前段首部麦克纳姆轮101的前端部；所述第一旋转关节4包括第一上关节403与第一下关节402，所述第一上关节403位于第一下关节402的上部且两者同轴连接，所述第一上关节403与前段尾部麦克纳姆轮102连接，所述第一下关节402与中段2连接，所述第一上关节403由安装于第一下关节402内部的步进电机驱动转动，转动角度为水平正负90度。所述后段3包括后段首部麦克纳姆轮301、后段尾部麦克纳姆轮302、第二夜视广角摄像头303与第二储物格304，所述后段首部麦克纳姆轮301为左旋转，所述后段尾部麦克纳姆轮302为右旋转，所述后段首部麦克纳姆轮301与后段尾部麦克纳姆轮302各自配有独立的步进电机；所述第二储物格304设置于后段首部麦克纳姆轮301与后段尾部麦克纳姆轮302之间，所述第二夜视广角摄像头303安装于后段尾部麦克纳姆轮302的后端部；所述第二旋转关节5包括第二上关节503与第二下关节502，所述第二上关节503位于第二下关节502的上部且两者同轴连接，所述第二下关节502与后段首部麦克纳姆轮301连接，所述第二上关节503与中段2连接，所述第二下关节502由安装于第二上关节503内部的步进电机驱动转动，转动角度为水平正负90度。
本实施例采用了以下优选方案：①首先采用了三段式机械臂6的优选方案，如图4和图5所示，所述三段式机械臂6包括第一伺服电机601，所述第一伺服电机601固定于中段2的长方形下沉槽内靠近第一旋转关节4处；所述第一伺服电机601输出轴连接第一段机械臂602首端且驱动第一段机械臂602旋转，所述第一段机械臂602末端连接第二伺服电机603，所述第二伺服电机603的输出轴连接中部连接关节611一端且驱动中部连接关节611旋转，所述中部连接关节611另一端连接第三伺服电机604，所述第三伺服电机604的输出轴连接第二段机械臂605首端且驱动第二段机械臂605旋转，所述第二段机械臂605末端连接第四伺服电机606，所述第四伺服电机606的输出轴连接前部连接关节612且驱动前部连接关节612旋转，所述前部连接关节612的前端固定连接有第三段机械臂607，所述第三段机械臂607的前端设有第五伺服电机608，所述第五伺服电机608的输出轴连接于第六伺服电机609的底座，所述第六伺服电机609的输出轴通过齿轮与机械手610连接，所述第五伺服电机608通过驱动输出轴旋转带动第六伺服电机609及机械手610整体旋转；所述第六伺服电机609通过驱动输出轴旋转带动机械手610完成开合动作。②所述前段首部麦克纳姆轮101与前段尾部麦克纳姆轮102各自的步进电机分别位于两者的内部中央；所述后段首部麦克纳姆轮301与后段尾部麦克纳姆轮302各自的步进电机分别位于两者的内部中央。③所述第一上关节403的顶面上还安装有第三夜视广角摄像头401；所述第二上关节503的顶面上还安装有第四夜视广角摄像头501。④所述第一储物格104与第二储物格304内放置应急救护物资。⑤第一夜视广角摄像头103、第二夜视广角摄像头303、第三夜视广角摄像头401与第四夜视广角摄像头501上均配有5G信号模块。⑥所述矿井隧道救护机器人匹配有多个遥控器，救护人员或被救护人员均可对其进行操控。
本实施例具体操作为：当矿井隧道发生事故时，救护人员和被救人员均可在第一时间内对设置好的矿井隧道机器人进行远程操控，根据不同的地形及路面条件，调整机器人姿态：如在管道内行走，采用如图1的直线姿态模式行进，直线姿态下麦克纳姆轮轴线与主行进方向一致，麦克纳姆轮端面即行进端面，与地形接触面积大，通过4个麦克纳姆轮配合旋转，可实现机器人前进、后退、左右平移、斜向平移、原地旋转等全方向运动。同时可适时调节旋转关节通过障碍；操控者通过设置在机器人上的第一夜视广角摄像头103、第二夜视广角摄像头303、第三夜视广角摄像头401与第四夜视广角摄像头501，实时查看现场情况；根据现场具体情况，配合第一旋转关节4、第二旋转关节5以及四个麦克纳姆轮的旋转，实时调整机器人姿态。进入平坦道路，可采用如图3的小车姿态模式，第一上关节403逆时针旋转90度，第二下关节502顺时针旋转90度，同时配合麦克纳姆轮旋转，机器人即可转变成小车姿态。小车姿态下，通过4个麦克纳姆轮配合旋转，可实现机器人前进、后退、左右平移、斜向平移、原地旋转等全方向运动。小车姿态下，在平坦路面运动更加快捷有效，同时机器人整体更加稳定，此时机器人可伸展三段式机械臂进行救护工作。在遇到其他特殊障碍时，可依据障碍形态，选择合适的旋转关节旋转角度，通过障碍；亦可以使多个伺服电机动作，从而控制机械手臂清除障碍后继续前进。当到达救护地点后，被救人员可从第一储物格104和第二储物格304中得到应急救护物资。如果被救人员失去行为能力，救护人员可操控机械臂协助被救人员脱困。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种矿井隧道救护机器人，其特征在于：所述矿井隧道救护机器人为可调整姿态机器人，当机器人为直线姿态时，呈长圆柱形，包括前段（1）、中段（2）与后段（3），所述前段（1）与中段（2）之间通过第一旋转关节（4）连接，所述中段（2）与后段（3）之间通过第二旋转关节（5）连接，所述中段（2）上开有长方形下沉槽，所述长方形下沉槽内设有三段式机械臂（6）；
所述前段（1）包括前段首部麦克纳姆轮（101）、前段尾部麦克纳姆轮（102）、第一夜视广角摄像头（103）与第一储物格（104），所述前段首部麦克纳姆轮（101）为左旋转，所述前段尾部麦克纳姆轮（102）为右旋转，所述前段首部麦克纳姆轮（101）与前段尾部麦克纳姆轮（102）各自配有独立的步进电机；所述第一储物格（104）设置于前段首部麦克纳姆轮（101）与前段尾部麦克纳姆轮（102）之间，所述第一夜视广角摄像头（103）安装于前段首部麦克纳姆轮（101）的前端部；所述第一旋转关节（4）包括第一上关节（403）与第一下关节（402），所述第一上关节（403）位于第一下关节（402）的上部且两者同轴连接，所述第一上关节（403）与前段尾部麦克纳姆轮（102）连接，所述第一下关节（402）与中段（2）连接，所述第一上关节（403）由安装于第一下关节（402）内部的步进电机驱动转动，转动角度为水平正负90度；
所述后段（3）包括后段首部麦克纳姆轮（301）、后段尾部麦克纳姆轮（302）、第二夜视广角摄像头（303）与第二储物格（304），所述后段首部麦克纳姆轮（301）为左旋转，所述后段尾部麦克纳姆轮（302）为右旋转，所述后段首部麦克纳姆轮（301）与后段尾部麦克纳姆轮（302）各自配有独立的步进电机；所述第二储物格（304）设置于后段首部麦克纳姆轮（301）与后段尾部麦克纳姆轮（302）之间，所述第二夜视广角摄像头（303）安装于后段尾部麦克纳姆轮（302）的后端部；所述第二旋转关节（5）包括第二上关节（503）与第二下关节（502），所述第二上关节（503）位于第二下关节（502）的上部且两者同轴连接，所述第二下关节（502）与后段首部麦克纳姆轮（301）连接，所述第二上关节（503）与中段（2）连接，所述第二下关节（502）由安装于第二上关节（503）内部的步进电机驱动转动，转动角度为水平正负90度。
2.根据权利要求1所述的一种矿井隧道救护机器人，其特征在于：所述三段式机械臂（6）包括第一伺服电机（601），所述第一伺服电机（601）固定于中段（2）的长方形下沉槽内靠近第一旋转关节（4）处；所述第一伺服电机（601）输出轴连接第一段机械臂（602）首端且驱动第一段机械臂（602）旋转，所述第一段机械臂（602）末端连接第二伺服电机（603），所述第二伺服电机（603）的输出轴连接中部连接关节（611）一端且驱动中部连接关节（611）旋转，所述中部连接关节（611）另一端连接第三伺服电机（604），所述第三伺服电机（604）的输出轴连接第二段机械臂（605）首端且驱动第二段机械臂（605）旋转，所述第二段机械臂（605）末端连接第四伺服电机（606），所述第四伺服电机（606）的输出轴连接前部连接关节（612）且驱动前部连接关节（612）旋转，所述前部连接关节（612）的前端固定连接有第三段机械臂（607），所述第三段机械臂（607）的前端设有第五伺服电机（608），所述第五伺服电机（608）的输出轴连接于第六伺服电机（609）的底座，所述第六伺服电机（609）的输出轴通过齿轮与机械手（610）连接，所述第五伺服电机（608）通过驱动输出轴旋转带动第六伺服电机（609）及机械手（610）整体旋转；所述第六伺服电机（609）通过驱动输出轴旋转带动机械手（610）完成开合动作。
3.根据权利要求1所述的一种矿井隧道救护机器人，其特征在于：所述前段首部麦克纳姆轮（101）与前段尾部麦克纳姆轮（102）各自的步进电机分别位于两者的内部中央；所述后段首部麦克纳姆轮（301）与后段尾部麦克纳姆轮（302）各自的步进电机分别位于两者的内部中央。
4.根据权利要求1所述的一种矿井隧道救护机器人，其特征在于：所述第一上关节（403）的顶面上还安装有第三夜视广角摄像头（401）；所述第二上关节（503）的顶面上还安装有第四夜视广角摄像头（501）。
5.根据权利要求4所述的一种矿井隧道救护机器人，其特征在于：第一夜视广角摄像头（103）、第二夜视广角摄像头（303）、第三夜视广角摄像头（401）与第四夜视广角摄像头（501）上均配有5G信号模块。
6.根据权利要求1所述的一种矿井隧道救护机器人，其特征在于：所述第一储物格（104）与第二储物格（304）内均放置有应急救护物资。
7.根据权利要求1所述的一种矿井隧道救护机器人，其特征在于：所述矿井隧道救护机器人匹配有多个遥控器，救护人员或被救护人员均可对其实施操控。
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