CN214213823U - 一种井下水仓清淤智能机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种井下水仓清淤智能机器人，涉及机器人技术领域，具体为远程集控后台、主控制器、本地监控后台、通信系统、机器人电控系统和机器人机械机构系统，所述远程集控后台包括远程操作站和主控器，所述本地监控后台包括现场遥控操作APP，所述通信系统包括无线Mesh通信网络，所述机器人电控系统包括电机及其驱动模块、智能检测模块、视觉采集模块、语言交互模块、超声波测距模块和红外模块。该井下水仓清淤智能机器人，实现无人化清淤作业，清仓用时短，效率高。该智能机器人拥有独立可调动力系统，实现自主行走，自主辨识作业场景。

Description

一种井下水仓清淤智能机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体为一种井下水仓清淤智能机器人。

背景技术

机器人是自动执行工作的机器装置，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动，它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作，机器人的产生对于社会的发展而言，具有非常好的推动作用。

机器人被广泛应用于各行各业，在井下水仓清淤领域同样有机器人的身影，这类的机器人主要是对井下水仓进行清淤，属于清洁类机器人，对于这样的机器人，需要具有一定的清淤动作能力以及排淤能力。

现有的井下水仓清淤工作尚处于人工清淤阶段，自动化设备项目也还尚处于研发阶段，很多方面的技术尚不够成熟，人工清淤的工作模式耗费人力物力，在未来必将淘汰，而现有的智能机器人，在面临井下水仓环境时，无法自主行走，避障能力有限，对于井下环境的监测能力有限，同时，在自身的控制方面也存在很大的局限性，比如只能接受人工控制，或勉强能够接受自动控制，而不能够接受遥控控制。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种井下水仓清淤智能机器人，解决了上述背景技术中提出的问题。

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：一种井下水仓清淤智能机器人，包括远程集控后台、主控制器、本地监控后台、通信系统、机器人电控系统和机器人机械机构系统，所述远程集控后台包括远程操作站和主控器，所述本地监控后台包括现场遥控操作APP，所述通信系统包括无线Mesh通信网络，所述机器人电控系统包括电机及其驱动模块、智能检测模块、视觉采集模块、语言交互模块、超声波测距模块和红外模块，所述智能检测模块包括多传感器和避障检测子模块，所述机器人机械机构系统包括机架总成、物料收集机构、驱动马达、升降油缸、转向油缸、人工控制台、行走底盘、油泵电机、输送泵出口和液压系统，其中：

机架总成承载整个机器人机械机构系统；

物料收集机构为螺旋集料，提斗输送至主料斗，适合浓度变化大的物料的运送(物料浓度30％--80％)，保证现场煤泥清理干净，其摆动角度为120°，输送机和螺旋集料组合成一体，升降行程可达500mm，以便适应各种条件下物料的收集；

驱动马达用于驱动物料收集机构；

升降油缸用于控制物料收集机构完成升降动作；

转向油缸用于机器人机械机构系统转向，其转弯半径小于2m；

人工控制台用于人工控制机器人机械机构系统；

行走底盘用于机器人机械机构系统进行正常行动，行走底盘为液压四轮驱动，其爬坡能力为±18度；

油泵电机用于为机器人机械机构系统提供动力；

输送泵出口用于排淤，采用柱塞泥浆泵输送煤泥，浓度高，颗粒大，距离远，水平距离不低于1000米，垂直150米，输送颗粒≤30mm，流量30m3/h。

可选的，所述主控制器所实现的功能包括：

a.与机器人各系统进行通信和控制；

b.通过搭载Linux操作系统对机器人同一时间需要进行的工作进行多线程分级管理；

c.搭载QT框架进行触摸屏界面的设计与开发；

d.与上位机以及手机APP进行远程通信。

可选的，所述主控制器外围扩展电路设计是根据智能清淤机器人功能需求进行确定的，其主要元件包括4G通讯模块、wifi通讯模块、2.4Ghz通讯模块、以太网通讯模块、LVDS通讯口、232通讯口及485通讯口。

可选的，所述主控器与底盘控制器相连，且底盘控制器控制行走底盘动作。

可选的，所述行走底盘的控制系统由四台电机及其驱动器组成，通过底盘控制器控制四台电机进行不同状态的运动，从而完成差速转向功能。

可选的，所述行走底盘控制系统电机选用矿用防爆电机，单台电机的额定参数具体如下：额定电压为660V，扭矩为75N.m；

电机控制采用先进的磁场定向控制方式，通过对电机速度、电流、位置灯变化量进行闭环控制，从而保证了电机运行的鲁棒性、稳定性和快速响应性；

已完成电机及驱动器的空载及带载的地面联调试验，包括正转、反转、急停，以及保护功能测试，包括过流保护、过压保护、欠压保护。

可选的，所述智能检测模块通过多传感器采集信号，所述多传感器包括视觉、超声波、红外线、光敏、雷达传感器。

可选的，所述避障检测子模块包括：障碍物探测、信息处理和避障策略。

可选的，所述视觉采集模块采用可见光摄像机为执行基础；

视觉系统主要用于：目标和作业前段的识别及位姿测量，对作业时的位姿进行控制；机器人移动时，用于环境目标识别、视觉定位、目标跟踪、视觉避障；

机器人视觉控制包括图像处理、摄像机标定、特征提取、视觉匹配、视觉测量、视觉伺服控制算法，其中，视觉测量是视觉控制的基础，主要研究从二维图像信息到二维或三维笛卡尔空间信息的映射；双目视觉采用的三角测量原理，需对左右图像中的特征点进行匹配；视觉控制则是利用二维图像信息对机器人的运动进行控制；视觉伺服是将视觉信息用于反馈信号，利用视觉信息对机器人进行的伺服控制；在关节空间的视觉伺服，直接对各个关节的力矩进行控制；

根据图像处理抽象程度及图像信息的利用水平不同，视觉信息处理分为图像处理、图像分析、图像理解与机器视觉。

可选的，所述液压系统在每一个工作装置的液压回路中都增加了两个梭阀和两个比例减压阀；

当控制操作手柄时，电液比例控制回路被隔离；当操作电液比例控制回路时，手柄操作液压回路被隔离，其中，隔离是通过梭阀来实现的。

本实用新型提供了一种井下水仓清淤智能机器人，具备以下有益效果：井下水仓清淤系统前端采用清淤机器人作业，实现无人化清淤作业，清仓用时短，效率高。清淤机器人拥有独立可调动力系统，实现自主行走，自主辨识作业场景，实现清仓作业的信息化、智能化；井下水仓智能清淤机器人根据工作环境与运行效率设有三种工作模式：遥控/自主/人工，构建一个友好的人机界面及地面APP，操作员可通过触摸屏进行机器人的所有指令控制及所有参数的监视，真正做到了整个作业过程的可视化；该系统采用先进的实时动态差分定位技术实现对水仓淤泥厚度与水位的双动态监测，打破传统单一的监测模式；采用多普勒效应与超声波技术相结合的双频数字测量装置的研发，与传统的监测装置相比，具有精确度高、实时性与安全性好等特点，将动态规划理论与计算机网络技术相结合，对水仓淤泥深度进行实时监控与上传，并在淤泥深度超过设定值之前，做出判断、报警；建立大数据用数据库，利用大数据理论实现水仓水位安全风险预控，及早评估水仓涌水趋势，预防淹井事故发生。

附图说明

图1为本实用新型清淤机器人电气系统示意图；

图2为本实用新型井下水仓智能清淤机器人及清仓自动化系统总的工艺路线示意图；

图3为本实用新型清淤机器人视觉采集工作流程示意图；

图4为本实用新型清淤机器人的机械机构系统结构示意图；

图5为本实用新型清淤机器人机械机构系统的液压回路结构示意图。

图中：1、机架总成；2、物料收集机构；3、驱动马达；4、升降油缸；5、转向油缸；6、人工控制台；7、行走底盘；8、油泵电机；9、输送泵出口。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

请参阅图1至图5，本实用新型提供一种技术方案：一种井下水仓清淤智能机器人，包括远程集控后台、本地监控后台、通信系统、机器人电控系统和机器人机械机构系统，远程集控后台包括远程操作站和主控器，本地监控后台包括现场遥控操作APP，通信系统包括无线Mesh通信网络，机器人电控系统包括电机及其驱动模块、智能检测模块、视觉采集模块、语言交互模块、超声波测距模块和红外模块，智能检测模块包括多传感器和避障检测子模块，机器人机械机构系统包括机架总成、物料收集机构、驱动马达、升降油缸、转向油缸、人工控制台、行走底盘、油泵电机、输送泵出口和液压系统，其中：机架总成承载整个机器人机械机构系统；物料收集机构为螺旋集料，提斗输送至主料斗，适合浓度变化大的物料的运送(物料浓度30％--80％)，保证现场煤泥清理干净，其摆动角度为120°，输送机和螺旋集料组合成一体，升降行程可达500mm，以便适应各种条件下物料的收集；驱动马达用于驱动物料收集机构；升降油缸用于控制物料收集机构完成升降动作；转向油缸用于机器人机械机构系统转向，其转弯半径小于2m；人工控制台用于人工控制机器人机械机构系统；行走底盘用于机器人机械机构系统进行正常行动，行走底盘为液压四轮驱动，其爬坡能力为±18度；油泵电机用于为机器人机械机构系统提供动力；输送泵出口用于排淤，采用柱塞泥浆泵输送煤泥，浓度高，颗粒大，距离远，水平距离不低于1000米，垂直150米，输送颗粒≤30mm，流量30m3/h；

主控制器作为智能清淤机器人控制核心，起着重要的枢纽作用，主控制器所实现的功能包括：a.与机器人各系统进行通信和控制；b.通过搭载Linux 操作系统对机器人同一时间需要进行的工作进行多线程分级管理；c.搭载QT 框架进行触摸屏界面的设计与开发；d.与上位机以及手机APP进行远程通信，主控制器外围扩展电路设计是根据智能清淤机器人功能需求进行确定的，其主要元件包括4G通讯模块、wifi通讯模块、2.4Ghz通讯模块、以太网通讯模块、LVDS通讯口、232通讯口及485通讯口；

该井下水仓清淤智能机器人应用有基于无线Mesh网络的无线通讯技术，无线Mesh网络是一种无线多跳网络，是一个动态的可以不断扩展的网络架构，任意的两个设备均可以保持无线互联，WMN可通过无线路由器对数据进行不断转发，直到送达目的节点，从而把接入点的覆盖范围延伸到几千米远，其显著特点是可以在大范围内实现高速通信；

主控器与底盘控制器相连，且底盘控制器控制行走底盘动作；行走底盘的控制系统由四台电机及其驱动器组成，通过底盘控制器控制四台电机进行不同状态的运动，从而完成差速转向功能；行走底盘控制系统的电机选用矿用防爆电机，单台电机的额定参数具体如下：额定电压为660V，扭矩为75N.m；电机控制采用先进的磁场定向控制方式，通过对电机速度、电流、位置灯变化量进行闭环控制，从而保证了电机运行的鲁棒性、稳定性和快速响应性；已完成电机及驱动器的空载及带载的地面联调试验，包括正转、反转、急停，以及保护功能测试，包括过流保护、过压保护、欠压保护；

智能检测模块通过多传感器采集信号，多传感器包括视觉、超声波、红外线、光敏、雷达传感器，清淤机器人通过多种传感器获得最佳的、可靠的信息，从而更准确、更全面地反映出外界环境的特征，为导航决策提供快速、正确的依据；

避障检测子模块包括：障碍物探测、信息处理和避障策略，清淤机器人根据不同的环境信息以及对环境信息的了解，可以将避障分为避障信息已知避障和避障信息不完全或者完全不知避障两种；

视觉采集模块采用可见光摄像机为执行基础；视觉系统主要用于：目标和作业前段的识别及位姿测量，对作业时的位姿进行控制，机器人移动时，用于环境目标识别、视觉定位、目标跟踪、视觉避障；机器人视觉控制包括图像处理、摄像机标定、特征提取、视觉匹配、视觉测量、视觉伺服控制算法，其中，视觉测量是视觉控制的基础，主要研究从二维图像信息到二维或三维笛卡尔空间信息的映射，双目视觉采用的三角测量原理，需对左右图像中的特征点进行匹配，视觉控制则是利用二维图像信息对机器人的运动进行控制，视觉伺服是将视觉信息用于反馈信号，利用视觉信息对机器人进行的伺服控制，在关节空间的视觉伺服，直接对各个关节的力矩进行控制；根据图像处理抽象程度及图像信息的利用水平不同，视觉信息处理分为图像处理、图像分析、图像理解与机器视觉；在清淤机器人视觉系统中，由于要识别清挖目标、障碍物及环境信息，所以要对采集的视觉信息进行相关处理及特征提取，并最终形成视觉反馈信息，参与清淤机器人的智能控制；

机器人机械机构系统包括液压系统，该液压系统在每一个工作装置的液压回路中都增加了两个梭阀和两个比例减压阀，当控制操作手柄时，电液比例控制回路被隔离，当操作电液比例控制回路时，手柄操作液压回路被隔离，其中，隔离是通过梭阀来实现的，传统的液压清挖机作业必须是通过作业员控制操纵杆和操作手柄来控制清挖机的作业方式，与其相比，清淤机器人是通过对特定作业区域的识别，根据轨迹规划方法实现自主挖掘作业，属于无人操作范畴，在整个挖掘机控制系统中，由于液压缸动作时需要的是液压信号，而控制器的输出是电信号，因此在智能化挖掘控制系统中，需要采用电液信号转换设备来构成整个控制回路，实现电信号到液压信号的转换，改造后的液压回路如图5所示，由图5可见，在原有液压系统的基础上，在每一个工作装置的液压回路中都增加了两个梭阀和两个比例减压阀，经改造后，当控制操作手柄时，电液比例控制回路被隔离，当操作电液比例控制回路时，手柄操作液压回路被隔离，隔离是通过梭阀来实现的，这样便实现了人工控制和电液比例遥控的快速方便转换。

综上，井下水仓智能清淤机器人及清仓自动化系统总的工艺路线大致如图2所示，整个水仓清淤系统可以概括如下：水仓容水中所含的煤泥，经过一段时间，绝大多数都沉降在水仓的底部，清淤过程中先将需要清理的水仓中的水抽排干净，同时启动另一个水仓以实现有效蓄水，清淤过程中，清淤机器人能够有效地将沉降的煤泥清挖并抽排出来，煤泥通过排污泵送给高频振动筛以分离出其中颗粒较大的煤泥，高频振动撒出来的粒度较小的煤泥存储在积水箱中，通过给料泵将集水箱中的煤泥泵送进压滤机箱进行压滤，保压一段时间使得煤泥的湿度达到合适的程度，压滤过后的煤泥形成的煤，与高频振动筛筛分出来的大颗粒煤泥，通过矿车运往井上，煤泥清挖与收集过程中遇到不好处理的淤泥硬结，清淤机器人将伸出已设计的机械手臂来进行敲碎；

水仓清淤机器人一方面能够对水仓清淤场所的淤泥进行自主清淤作业，另一方面实现清淤过程场景及设备运行状态的数据采集、分析、处理与信息传输，清淤机器人电控制系统除可实现机器人的运动控制，还对整套设备的运行状态进行实时监控和意外情况下的故障诊断(包括过载、过流、短路保护)，机器人通过无线通信系统，实现遥控作业，并将机器人作业数据实时传输至本地监控后台，完成数据的分析处理及预警功能；通过远程集控后台实现系统远程集控管理。

以上，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种井下水仓清淤智能机器人，包括远程集控后台、主控制器、本地监控后台、通信系统、机器人电控系统和机器人机械机构系统，其特征在于：所述远程集控后台包括远程操作站和主控器，所述本地监控后台包括现场遥控操作APP，所述通信系统包括无线Mesh通信网络，所述机器人电控系统包括电机及其驱动模块、智能检测模块、视觉采集模块、语言交互模块、超声波测距模块和红外模块，所述智能检测模块包括多传感器和避障检测子模块，所述机器人机械机构系统包括机架总成、物料收集机构、驱动马达、升降油缸、转向油缸、人工控制台、行走底盘、油泵电机、输送泵出口和液压系统，其中：

机架总成承载整个机器人机械机构系统；

物料收集机构为螺旋集料，提斗输送至主料斗，适合浓度变化大的物料的运送，保证现场煤泥清理干净，其摆动角度为120°，输送机和螺旋集料组合成一体，升降行程可达500mm，以便适应各种条件下物料的收集；

驱动马达用于驱动物料收集机构；

升降油缸用于控制物料收集机构完成升降动作；

转向油缸用于机器人机械机构系统转向，其转弯半径小于2m；

人工控制台用于人工控制机器人机械机构系统；

行走底盘用于机器人机械机构系统进行正常行动，行走底盘为液压四轮驱动，其爬坡能力为±18度；

油泵电机用于为机器人机械机构系统提供动力；

输送泵出口用于排淤，采用柱塞泥浆泵输送煤泥，浓度高，颗粒大，距离远，水平距离不低于1000米，垂直150米，输送颗粒≤30mm，流量30m3/h。

2.根据权利要求1所述的一种井下水仓清淤智能机器人，其特征在于：所述主控制器外围扩展电路设计是根据智能清淤机器人功能需求进行确定的，其主要元件包括4G通讯模块、wifi通讯模块、2.4Ghz通讯模块、以太网通讯模块、LVDS通讯口、232通讯口及485通讯口。

3.根据权利要求1所述的一种井下水仓清淤智能机器人，其特征在于：所述主控器与底盘控制器相连，且底盘控制器控制行走底盘动作。

4.根据权利要求1所述的一种井下水仓清淤智能机器人，其特征在于：所述行走底盘的控制系统由四台电机及其驱动器组成，通过底盘控制器控制四台电机进行不同状态的运动，从而完成差速转向功能。

5.根据权利要求1所述的一种井下水仓清淤智能机器人，其特征在于：所述行走底盘控制系统的电机选用矿用防爆电机，单台电机的额定参数具体如下：额定电压为660V，扭矩为75N.m；

电机控制采用先进的磁场定向控制方式，通过对电机速度、电流、位置灯变化量进行闭环控制，从而保证了电机运行的鲁棒性、稳定性和快速响应性；

已完成电机及驱动器的空载及带载的地面联调试验，包括正转、反转、急停，以及保护功能测试，包括过流保护、过压保护、欠压保护。

6.根据权利要求1所述的一种井下水仓清淤智能机器人，其特征在于：所述智能检测模块通过多传感器采集信号，所述多传感器包括视觉、超声波、红外线、光敏、雷达传感器。

7.根据权利要求1所述的一种井下水仓清淤智能机器人，其特征在于：所述避障检测子模块包括：障碍物探测、信息处理和避障策略。

8.根据权利要求1所述的一种井下水仓清淤智能机器人，其特征在于：所述液压系统在每一个工作装置的液压回路中都增加了两个梭阀和两个比例减压阀；

当控制操作手柄时，电液比例控制回路被隔离；当操作电液比例控制回路时，手柄操作液压回路被隔离，其中，隔离是通过梭阀来实现的。

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