CN219380693U - 一种矿用防爆牵引式巡检机器人 - Google Patents

Abstract

一种矿用防爆牵引式巡检机器人，包括：机器人本体，机器人本体包括：外壳、云台摄像仪、控制装置、自发电模块，自发电模块包括：部分伸出所述外壳外并由摩擦力驱动转动的驱动轮、与所述驱动轮连接并由驱动轮驱动的驱动传动机构、与所述驱动传动机构连接并由传动机构传动带动发电的发电机；上述矿用防爆牵引式巡检机器人，自身带有发电机，可将远端牵引所带来的机械能转化为电能，供给整个系统使用，在发电电能有所富裕的情况下，可储存到系统自身携带的超级电容中，并用以供给设备停止运动时的消耗。主要解决井下充电不安全及电池续航时间短的问题，最终实现全天候24h不间断巡检，保证了井下环境监测的完整性、安全性、准确性、及时性。

Description

一种矿用防爆牵引式巡检机器人

技术领域

本实用新型涉及井下机器人领域，特别涉及一种矿用防爆牵引式巡检机器人。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，机器人在很多领域都得到了较好的应用，而轨道巡检机器人因其能很好的替代人力完成重复性任务，确保被检测设备运行正常，有效释放人力，其被广泛运用在电力、煤矿、机房、仓库等行业中。

变电站作为煤矿重要基础设施之一，工作人员必须每天巡检变电站设备，由于巡检工作单调又复杂、工作人员技术水平参差不齐，在巡检过程中常会出现差错、漏查等现象，造成电气设备故障不能及时处理，从而引发巨大经济损失与重大事故。并且，随着煤矿井下开采力度的加大，配套大型机电设备的数量越来越多，使得煤矿变电站面积越来越大，进出线回路不断增多，切换频繁，运行环境变得愈加复杂，传统的巡检方式很难满足现代化煤矿变电站需求。此外，尽管煤矿井下现已安装有环境视频监控系统，但总体来看，现有监控设备功能相对单一，大多只具备现场环境视频监控功能，对现场设备的仪表识别、读数读取、故障分析较少能做到，通常需要人工后期对视频做处理，无法真正做到替代人工完成巡检工作。

现有技术虽然在一定程度上解决了当前煤矿井下人工日常巡检的痛点，但总的来看，仍存在以下问题：

带分析功能的监控摄像仪在实现时投入大、施工难度高。该方案在实现监控分析时，采用的是定点监控形式，要实现井下各场景全覆盖，需在井下架设大量摄像仪以及配套的通信、供电设备，如基站、电源、线缆等，总体投入成本高、施工难度大。

随着井下智能化程度的提高，携带摄像仪的巡检机器人在井下得到了大量运用。目前，已应用巡检机器人的场景包括主运皮带、井下变电站、井下水泵房、综采工作面、主运及辅运巷道，在这些场景中，已有的巡检机器人在一定程度上缓解了巡检工人日常巡检的劳动压力。但由于现有巡检机器人在智能分析方面的缺陷，如识别分析不深入、识别分析不全面等问题，造成巡检机器人在井下不能大面积推广、无法真正做到全面取代人工完成井下日常巡检。另外，现有机器人大多采用电池作为能源来源，续航时间短，整体重量重等的问题，更为重要的是，目前，还没有一个能很好解决机器人设备在井下充电的问题的方法。

发明内容

基于此，有必要提供一种提高性能的矿用防爆牵引式巡检机器人。

一种矿用防爆牵引式巡检机器人，包括：机器人本体，所述机器人本体包括：外壳、主体设置在所述外壳外并置于下部的云台摄像仪、设置在所述外壳中的控制装置、及设置在外壳中并与所述控制装置连接的自发电模块，所述自发电模块包括：部分伸出所述外壳外并由摩擦力驱动转动的驱动轮、与所述驱动轮连接并由驱动轮驱动的驱动传动机构、与所述驱动传动机构连接并由传动机构传动带动发电的发电机。

在优选实施例中，所述驱动传动机构包括：与所述驱动轮配合并由驱动轮驱动转动的驱动主轴、与所述驱动主轴配合并由驱动主轴驱动转动的锥齿轮组、与所述锥齿轮组配合的万向节、与所述万向节配合传动并带动发电机转动的同步带轮组。所述同步带轮组包括：相互配合的同步带与同步轮。

在优选实施例中，所述发电机包括：多级增速器及发电机主体，所述发电机通过安装板安装于所述外壳内，所述外壳内还设置有安装框架。

在优选实施例中，还包括：轨道，所述机器人本体悬挂安装于所述轨道上。

在优选实施例中，还包括：调节所述驱动轮紧贴所述轨道的弹性件组件，所述弹性件组件包括：调节轴、套设在所述调节轴上的弹性件、设置在所述调节轴上的调节螺母。

在优选实施例中，所述轨道上设置有防爆牵引电机、及与所述防爆牵引电机连接并由防爆牵引电机驱动的钢丝绞盘、及缠绕在所述钢丝绞盘上并牵引移动所述机器人本体的牵引钢缆，所述机器人本体通过安装座与所述牵引钢缆连接。

在优选实施例中，还包括：支撑所述驱动主轴的驱动轮轴承座、辅助轮组件、设置在所述外壳内并部分伸出外壳的驱动轮安装座，所述轨道为工字型截面结构，所述外壳于所述驱动轮对应位置设置有供驱动轮伸出的驱动孔，所述辅助轮组件包括：设置在外壳外并紧贴所述轨道两腰滚动滑动的辅助轮，所述辅助轮安装在所述驱动轮安装座上。

在优选实施例中，所述驱动轮安装座包括：座体、及由座体弯折延伸形成的安装片，所述辅助轮通过安装片进行安装，所述安装座安装于所述外壳的顶板的上表面，所述安装座安装有挂持在所述轨道端面上的承重轮，所述承重轮通过承重轮固定座安装于所述安装座上，所述安装座包括：进行固定安装的安装部、由所述安装部弯折延伸形成的安装本体、设置在所述安装本体上并夹持所述牵引钢缆的夹持部，所述承重轮固定座相对所述夹持部设置于所述安装本体的另一面。

在优选实施例中，所述外壳的顶板上还安装有限位传感器，所述轨道的两端各自安装有防爆牵引电机，所述轨道设置有水平弯道与垂直弯道，所述轨道上设置有限位滑轮、及安装所述限位滑轮的滑轮安装支架，所述牵引钢缆通过所述限位滑轮引导限位。

在优选实施例中，所述机器人本体还包括：设置在外壳中的超声波传感器、设置在下部的多参传感器、拾音器、根据检测数据是否超出设定值进行报警的声光报警器，所述多参传感器包括：检测甲烷超限的多合一传感器、温湿度传感器、烟雾传感器。

上述矿用防爆牵引式巡检机器人，自身带有发电机，可将远端牵引所带来的机械能转化为电能，供给整个系统使用，在发电电能有所富裕的情况下，可储存到系统自身携带的超级电容中储存，并用以供给设备停止运动时的消耗。主要解决井下充电不安全及电池续航时间短的问题，最终实现全天候24h不间断巡检，保证了井下环境监测的完整性、安全性、准确性、及时性；通过钢缆牵引机器人本体，驱动轮与轨道摩擦转动进行发电，将机械能转化为电能，供给机器人本体各个部件使用，可使机器人在井下长距离运行，无需考虑充电，做到24h智能化巡检；结构简单、成本低、重量轻巧。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的矿用防爆牵引式巡检机器人的示意图；

图2为本实用新型一实施例的矿用防爆牵引式巡检机器人的另一视角的示意图；

图3为本实用新型一实施例的矿用防爆牵引式巡检机器人的又一视角的示意图；

图4为本实用新型一实施例的机器人本体与导轨的部分结构示意图；

图5为图4的剖视图；

图6为本实用新型一实施例的机器人本体与导轨的另一视角的剖视图；

图7为本实用新型一实施例的机器人本体与导轨的部分结构俯视图；

图8为本实用新型一实施例的机器人本体与导轨的部分结构立体图；

图9为本实用新型一实施例的机器人本体与导轨的又一视角的剖视图；

图10为本实用新型一实施例的机器人本体与导轨的部分结构爆炸图；

图11为本实用新型一实施例的驱动轮与弹性件组件的部分结构示意图；

图12为本实用新型一实施例的电源控制电路的示意图；

图13为本实用新型一实施例的发电机电源转换板的整流电路与DCDC稳压电路的部分电路原理图；

图14为本实用新型一实施例的发电机电源转换板的电容充电电路与输出电路的部分电路原理图；

图15为本实用新型一实施例的发电机电源转换板的第一控制单元的部分电路原理图；

图16为本实用新型一实施例的发电机电源转换板的电容电压采集电路的部分电路原理图；

图17为本实用新型一实施例的发电机电源转换板的DCDC电路的部分电路原理图；

图18为本实用新型一实施例的电源控制板的多路DCDC电路、安全栅电路、缓启动电路及电源输出电路的部分电路原理图；

图19为本实用新型一实施例的电源控制板的MCU的DCDC电路的部分电路原理图；

图20为本实用新型一实施例的电源控制板的通信电路与第二控制单元的部分电路原理图。

具体实施方式

以下的实施例便于更好地理解本实用新型，但并不限定本实用新型。

如图1至图20所示，本实用新型的一种矿用防爆牵引式巡检机器人100，包括：机器人本体20，机器人本体20包括：外壳22、主体设置在外壳22外并置于下部的云台摄像仪24、设置在外壳中的控制装置26、设置在外壳22中并与控制装置26连接的自发电模块28、设置在外壳22中并与所述控制装置连接的报警装置29。云台摄像仪24安装在外壳22的底板223上。

控制装置26包括：电源控制电路80、及控制模块。

控制模块包括：

采集单元：控制云台摄像仪24的采集图像，采集输送皮带托辊及设定区域的人员；

分析单元：接收采集数据进行分析处理，分析每帧中托辊数量与托辊之间相对位置；

跑偏判断单元：若连续设定n帧图像中托辊数量小于设定值i，生成皮带跑偏报警信息；

若检测分析图像中只有单排托辊且托辊数量大于i，拟合所有托辊位置中心点直线，计算直线斜率，若连续n帧前后斜率变化大于设定值m，则生成皮带跑偏报警信息；

若检测分析图像中有两排托辊，将两排托辊按照一左一右或一上一下组合一一对应，当未有匹配对应的托辊数量大于等于设定值j时，生成皮带跑偏报警信息；

若检测分析图像中有两排托辊，且单排托辊数量均大于等于设定值n，且无法按照一一对应的方式进行组合，计算单排斜率，并将两排斜率作差，若两斜率差大于设定值m，则生成皮带跑偏报警信息；

侵入判断单元：若检测分析出连续n帧图像中检测到人员且人员位于皮带两边警戒区域时，生成人员侵入报警信息；

报警提示：将报警信息发送给上位机，由上位机控制进行报警信息的提示及报警图像显示、存储。

本实用新型的n、m、i、j将根据实际应用时现场条件及使用需求自行设置的经验值。比如托辊数量i及j，一般为相机视野范围内托辊总数三分之一左右。斜率角度变化m，为使用方生产条件下人为判定的跑偏预警阈值，各生产环境不同，判定条件严格程度不同，会出现偏差，提供该接口由生产方按照自己的生产条件自行设置。

根据经验值，优选的，n为5，i为2，m为0.5，j为1。

机器人本体20还包括：设置在下部的多参传感器202、拾音器204、根据检测数据是否超出设定值进行报警的声光报警器206。多参传感器202包括：检测甲烷超限的多合一传感器、温湿度传感器、烟雾传感器，

控制模块还包括：

读取单元：读取多合一传感器、温湿度传感器、烟雾传感器、BMS数据进行解析，上传给上位机，

气体浓度判断单元：根据多合一传感器的返回数据判断甲烷是否超限，若判断甲烷浓度超出设定报警值则控制声光报警器进行报警，若判断甲烷浓度超出设定的断电浓度值则发出断电指令，控制机器人断电；

烟雾判断单元：根据烟雾传感器的返回数据判断是否有烟雾，若判断有烟雾则发出断电指令，控制机器人断电。

本实施例的矿用防爆牵引式巡检机器人还包括：轨道40。机器人本体20悬挂安装于轨道40上。

本实施例的机器人本体20还包括：安装在外壳22的顶板227上的限位传感器208、设置在外壳22上的超声波传感器209。

本实施例的限位传感器208包括：左限位传感器2082、右限位传感器2084。

轨道40的两端各自安装有防爆牵引电机60，包括：左牵引电机62、与右牵引电机62。防爆牵引电机60供电是由井下变电站提供交流电，然后在防爆牵引电机60连接设置的整流、降压电路进行整流、降压。防爆牵引电机60通过无线通信模块与机器人本体20通信。

控制模块还包括：

位置分析单元：根据防爆牵引电机的运行情况与轨道布局分析机器人本体的运行方向、速度、运行位置；

避障分析单元：控制超声波传感器检测距离数据，分析超声波传感器返回数据，若判断小于设定避障距离，控制发出防爆牵引电机停止指令，并报警；

上传单元：上传机器人本体的运行方向、速度、是否有障碍物、避障距离及运动控制系统是否掉电；

运转分析单元：读取左、右限位传感器的中断反馈数据，接收反向指令，读取防爆牵引电机的运转方向判断反转是否成功，控制电机运转。

进一步，本实施例的自发电模块28包括：部分伸出外壳22外并由摩擦力驱动转动的驱动轮282、与驱动轮282连接并由驱动轮282驱动的驱动传动机构284、与驱动传动机构284连接并由驱动传动机构284传动带动发电的发电机286。

驱动传动机构284包括：与驱动轮282配合并由驱动轮282驱动转动的驱动主轴281、与驱动主轴281配合并由驱动主轴281驱动转动的锥齿轮组283、与锥齿轮组283配合的万向节285、与万向节285配合传动并带动发电机286转动的同步带轮组287。同步带轮287组包括：相互配合的同步带2872与同步轮2874。

发电机286包括：多级增速器2862及发电机主体2864。发电机286通过安装板211安装于外壳22内。外壳22内还设置有安装框架213。安装板211设置在安装框架213上。

本实施例的机器人本体20还包括：调节驱动轮282紧贴轨道40的弹性件组件23。弹性件组件23包括：调节轴232、套设在调节轴232上的弹性件234、设置在调节轴232上以调节弹性件234的调节螺母236。通过调节调节螺母236调节弹性件234如弹簧压缩长短，从而调节驱动轮282对轨道40压力。

本实施例的矿用防爆牵引式巡检机器人100还包括：与防爆牵引电机60连接并由防爆牵引电机60驱动的钢丝绞盘50、及缠绕在钢丝绞盘50上并牵引移动机器人本体20的牵引钢缆70。机器人本体20通过安装座25与牵引钢缆70连接。

本实施例的机器人本体20还包括：支撑驱动主轴281的驱动轮轴承座272、辅助轮组件274、设置在外壳22内并部分伸出外壳22的驱动轮安装座276。

本实施例的轨道40为工字型截面结构。

本实施例的外壳22于驱动轮282对应位置设置有供驱动轮282伸出的驱动孔213。

本实施例的辅助轮组件274包括：设置在外壳22外并紧贴轨道40两腰滚动滑动的辅助轮2742。辅助轮2742安装在驱动轮安装座276上。

本实施例的驱动轮安装座276包括：座体2762、及由座体2762弯折延伸形成的安装片2764。辅助轮2742通过安装片2764进行安装。

本实施例的安装座25安装于外壳22的顶板227的上表面。安装座25安装有挂持在轨道40端面上的承重轮251。承重轮251通过承重轮固定座253安装于安装座25上。安装座25包括：进行固定安装的安装部252、由安装部252弯折延伸形成的安装本体254、设置在安装本体254上并夹持牵引钢缆70的夹持部256。承重轮固定座253相对夹持部256设置于安装本体254的另一面。

为适应井下的皮带巷、水泵房、变电站等区域的环境，轨道40设置有水平弯道42与垂直弯道44。轨道40上设置有限位滑轮402、及安装限位滑轮402的滑轮安装支架404。牵引钢缆70通过限位滑轮402引导限位。

如图12至20所示，本实施例的电源控制电路80包括：与发电机输出连接的发电机电源转换板82、及与发电机电源转换板82连接接收来自发电机电源转换板84的电源进行处理后输出给后端负载使用的电源控制板84。发电机电源转换板82包括：接入发电机输出的整流电路、与整流电路连接的DCDC稳压电路、与DCDC稳压电路连接的电容充电电路、与电容充电电路连接的电源输出电路、与电源输出电路连接进行DCDC变换的DCDC电路、与DCDC电路连接接收供电的第一控制单元U7、与电容充电电路连接并将采集信号输出给第一控制单元U7的电容电压采集电路。

电容充电电路与电源输出电路包括：电压比较器U40A、其栅极受电压比较器U40A输出控制的开关芯片Q71、与开关芯片Q71连接的恒流芯片U20、与恒流芯片U20连接的防反向二极管D98、与恒流芯片U20连接并将采样电流反馈给恒流芯片U20的反馈电阻R65、与反馈电阻R65连接的电流采样电阻R92、并联在电流采样电阻R92两端的二极管D99、与反馈电阻R65连接并进行DCDC稳压电路输出的主电源供电与超级电容供电的切换的切换继电器K1。

切换继电器K1的2脚与5脚接通为DCDC稳压电路输出的主电源供电。切换继电器K1的3脚与5脚接通为超级电容为后端供电。开关芯片Q71的默认状态为关断。DCDC稳压电路输出的主电源经过开关芯片Q71的PMOS后进入恒流芯片U20。恒流芯片U20与第一控制单元U7连接。

本实施例的恒流芯片U20的第二引脚EN接入第一控制单元U7的FB13端受其控制信号控制恒流芯片U20是否向后端电容充电。电容充电电路与电源输出电路还包括：分压电阻R78、与分压电阻R18连接并为电压比较器U40A的同相输入端提供2.5V参考电压的稳压二极管D92。电压比较器U40A的反相输入端来自于超级电容的电压采样。

DCDC稳压电路输出24V为后端供电。恒流芯片U20的第二引脚EN通过三极管Q52、电阻R3接入第一控制单元U7的FB13端。电阻R3一端接入第一控制单元U7的FB13端、其另一端接入三极管Q52的基极。三极管Q52的发射极接入恒流芯片U20的第二引脚EN、其发射极另一条支路通过电阻R8接地，其集电极接入+3.3V电压。

恒流芯片U20的第五引脚、第六引脚与第九引脚汇合后通过二极管D67接地，另一条支路通过电感L51接入防反向二极管D98的正极。

电感L51与防反向二极管D98的正极之间引出一条支路通过并联连接的电容C65与C67后接地。防反向二极管D98的负极接入接口CN1的第四脚、其另一条支路通过电容C40接地。恒流芯片U20的第一引脚通过电阻R65、电流采样电阻R92后接地，二极管D99的负极接入电阻R65与电流采样电阻R92之间，二极管D99的正极接地，电阻R65与电流采样电阻R92的公共端接入接口CN1的第三脚，接口CN1的第二脚接地、第一脚输出，二极管D99的负极的另一条支路通过电阻R69、电阻R62接入第一控制单元U7的PA6端，电阻69、电阻R62的公共端引出一条支路通过电容C31接地。恒流芯片U20的第三脚通过电阻R64、电容C57后接地，恒流芯片U20的第四脚通过并联连接的电容C90、C96后接地，电压比较器U40A的输出端通过电阻R70接入到三极管Q73的基极、其输出端另一条支路通过电阻R59接入24V电压，三极管Q73的发射极接地、其集电极通过电阻R79接入开关Q71。

电容电压采集电路包括：与超级电容连接的分压电阻R84、R87，接入分压电阻R84、R87的公共端的电阻R85、R86，并联在R87两端的电容C89，稳压二极管D109；电阻R85另一端接入所述第一控制单元U7的PA5端，电阻R86另一端接入电压比较器U40A的反相输入端；分压电阻R87另一端接地，稳压二极管D109负极接入电阻R05与电压比较器U40A的反相输入端之间、正极接地。

发电机电源转换板的DCDC电路包括：用于5V输出LDO的三端稳压芯片U80，组成两级限压电路以用于限制5V电压的稳压二极管D107、D108、可控硅Q40、Q50、电阻R115、R116、R57、电容C48、C49，保险管F3、限流电阻R104，用于3.3V输出LDO的三端稳压芯片U81，与三端稳压芯片U81连接并联连接的电容C121、C122、C123、C124、C128；三端稳压芯片U80的第一脚接入接口CNI的第一脚、其另一条支路通过并联连接的电容C55与C56后接地，其第二脚接地，其第三脚通过并联连接的电容C53、C54、电阻R50接地，其第三脚的另一条支路通过保险管F3、电阻R104接入三端稳压芯片U81的第三脚，保险管F3与电阻R104公共端的一条支路接入可控硅Q40的阳极、另一条支路接入稳压二极管D107负极，稳压二极管D107的正极通过电阻R57接地，可控硅Q40的控制极通过电阻R115接入稳压二极管D107的正极与电阻R57的公共端、另一条支路通过电容C48接地，可控硅Q40的阴极接地；电阻R104与三端稳压芯片U81的第三脚的公共端一条支路接入可控硅Q50的阳极、另一条支路接入稳压二极管D108的负极，稳压二极管D108的正极通过电阻R58接地，可控硅Q50的控制极通过电阻R116接入稳压二极管D108的正极与电阻R58的公共端，可控硅Q50的控制极的另一条支路通过电容C49接地、其阴极接地，保险管F3与电阻R50的公共端接入+5V电压；三端稳压芯片U81的第一脚接地、其第二脚与第四脚连接并通过并联连接的电容C121、C122、C123、C124、C128接地，电容C122与C123的公共端一端接地、另一端接入+3.3V电压。

整流电路包括：组成三相整流桥以将发电机发出的三相电整流成直流的二极管D71、D72、D73、D74、D75、D76，及并联连接的滤波电容C71、C72、C73、C74、C75、C76、C77、C78；所述DCDC稳压电路包括：隔离DCDC模块U1、并联连接的滤波电容C79、C80、C81、C82。

电源控制板包括：多路DCDC电路、安全栅电路、缓启动电路及电源输出电路，MCU的DCDC电路、第二控制单元U15、通信电路。

多路DCDC电路、安全栅电路、缓启动电路及电源输出电路包括：第一路DCDC电路、与第一路DCDC电路连接的第一路安全栅电路、与第一路安全栅电路连接的第一路缓启动电路及与第一路缓启动电路连接的第一路电源输出电路，第二路DCDC电路、与第二路DCDC电路连接的第二路安全栅电路、与第二路安全栅电路连接的第二路缓启动电路及与第二路缓启动电路连接的第二路电源输出电路，第三路DCDC电路、与第三路DCDC电路连接的第三路安全栅电路、与所述第三路安全栅电路连接的第三路缓启动电路及与第三路缓启动电路连接的第三路电源输出电路。

第一路DCDC电路包括：隔离来自MCU信号的光耦U5、输出12V电压的隔离DCDC模块U6。第一路安全栅电路包括：与隔离DCDC模块U6连接并用于限压限流的安全栅模块U3。第一路缓启动电路包括：与安全栅模块U3连接的缓启动模块U4。第一路电源输出电路包括：与缓启动模块U4连接并接入负载电路的电感L1、与电感L1连接的双向型TVS瞬态电压抑制二极管D5、与双向型TVS瞬态电压抑制二极管D5连接的气体放电管TV1。

第二路DCDC电路包括：隔离来自MCU信号的光耦U9、输出12V电压的隔离DCDC模块U10。第二路安全栅电路包括：与隔离DCDC模块U10连接并用于限压限流的安全栅模块U7。第二路缓启动电路包括：与安全栅模块U7连接的缓启动模块U8。第二路电源输出电路包括：与缓启动模块U8连接的电感L2、与电感L2连接的双向型TVS瞬态电压抑制二极管D6、与双向型TVS瞬态电压抑制二极管D6连接的气体放电管TV2。

第三路DCDC电路包括：隔离来自MCU信号的光耦U13、输出12V电压的隔离DCDC模块U14。第三路安全栅电路包括：与隔离DCDC模块U14连接并用于限压限流的安全栅模块U11。第三路缓启动电路包括：与安全栅模块U11连接的缓启动模块U12。第三路电源输出电路包括：与缓启动模块U12连接的电感L3、与电感L3连接的双向型TVS瞬态电压抑制二极管D7、与双向型TVS瞬态电压抑制二极管D7连接的气体放电管TV3。

MCU的DCDC电路包括：5V隔离DCDC模块U1，组成两级限压电路以限制5V电压的稳压二极管D1、D2、可控硅Q2、Q3，用于3.3V输出LDO的三端稳压芯片U2，形成两级限压电路以限制3.3V电压的稳压管D3、D4、可控硅Q1、Q4。隔离DCDC模块U1的第一脚接地，其第二脚通过电感BL1、熔断器F1接入接口J1的第一脚，其第二脚与电感BLI的公共端通过电容C1接地，电感BL1与熔断器F1的公共端通过并联连接的电容C3与C5接地，接口J1的第二脚接地。隔离DCDC模块U1的第三脚接入第二控制单元U15的VSS_1端后接地，隔离DCDC模块U1的第四脚通过并联连接的电容C6、C4接入第二控制单元U15的接地端，其第四脚的另一条支路通过熔断器F2、电感BL2接入三端稳压芯片U2的第三脚。稳压二极管D1的负极接入熔断器F2与电感BL2的公共端、其正极通过电阻R2接入第二控制单元U15的接地端，电阻R3与电容C9连接后并联在电阻R2两端。

可控硅Q2阳极接入熔断器F2与电感BL2的公共端，阴极接入第二控制单元U15的接地端、其控制极接入电阻R3与电容C9的公共端。稳压二极管D2的负极接入熔断器F2与电感BL2的公共端、其正极通过电阻R1接入第二控制单元U15的接地端，电阻R4与电容C10连接后并联在电阻R1两端。

可控硅Q3阳极接入熔断器F2与电感BL2的公共端，阴极接入第二控制单元U15的接地端、其控制极接入电阻R4与电容C10的公共端；电感BL2的公共端与三端稳压芯片U2第三脚的公共端接入5V电压、其另一条支路通过电容C2接入第二控制单元U15的接地端；三端稳压芯片U2的第二脚通过并联连接的电容C7、C8与其第一脚连接并第二控制单元U15的接地端，三端稳压芯片U2的第二脚另一条支路接入3.3V电压，稳压二极管D3的负极接入三端稳压芯片U2的第二脚、其正极通过电阻R5接入第二控制单元U15的接地端，电阻R6与电容C11连接后并联在电阻R5两端。

可控硅Q4阳极接入三端稳压芯片U2的第二脚、其阴极接入第二控制单元U15的接地端、其控制极接入电阻R6与电容C11的公共端；稳压二极管D4的负极接入三端稳压芯片U2的第二脚、其正极通过电阻R7接入第二控制单元U15的接地端，电阻R8与电容C12连接后并联在电阻R7两端，可控硅Q1阳极接入三端稳压芯片U2的第二脚、其阴极接入第二控制单元U15的接地端、其控制极接入电阻R8与电容C12的公共端。

通信电路包括：与第二控制单元U15连接用于隔离来自发电机电源转换板传输来的串口通信的隔离光耦U17、U18，与第二控制单元U15连接的隔离485模块U16，与隔离485模块U16连接的总线上的限流电阻R21、R22、R25、R26，用于限压的稳压二极管D12、D13、D14、D15，电磁兼容保护的双向型TVS瞬态电压抑制二极管D10、D16、D17，电磁兼容保护的电感L4、气体放电管D11、终端电阻R24，隔离光耦U17的第三脚接入第二控制单元U15的PB10端，隔离485模块U16的第五脚接入第二控制单元U15的PA4端、其第四脚接入第二控制单元U15的PA3端、其第三脚接入第二控制单元U15的PA2端、其第二脚接入第二控制单元U15的接地端、其第一脚接入3.3V电压、其第十脚接地、其第九脚通过串联连接的电阻R25、R26接入电感L4的第二脚，其第八脚通过串联连接的R21、R22接入电感L4的第一脚，稳压二极管D12负极接入电感L4的第一脚、其正极通过电容C33接地，电容C33两端并联有电阻R27，稳压二极管D13负极接入电感L4的第一脚、其正极通过电容C33接地，稳压二极管D14负极接入电感L4的第二脚、其正极通过电容C33接地，稳压二极管D15负极接入电感L4的第二脚、其正极通过电容C33接地。

双向型TVS瞬态电压抑制二极管D10一端接入电感L4的第一脚、另一端接入电感L4的第二脚。双向型TVS瞬态电压抑制二极管D17一端接入电感L4的第一脚、另一端连接到电容C33的一端。双向型TVS瞬态电压抑制二极管D16一端接入电感L4的第二脚、另一端连接到稳压管D15的正极。

第一控制单元U7是发电机电源转换板的主控，第二控制单元U15是电源控制板的主控，他们之间通过UART方式进行通信。

第一控制单元U7、第二控制单元U15的型号优选为GD32F103CBT6。

第一控制单元U7的PA10端与第二控制单元U15的PA10端连接，第一控制单元U7的PA11端与第二控制单元U15的PA11端连接，第一控制单元U7的PA2端与第二控制单元U15的PA2端连接，第一控制单元U7的PA3端与第二控制单元U15的PA3端连接。第一控制单元U7的PD0_OSC_IN端接入晶振Y2的第三脚、其另一支路通过电容C53接地，第一控制单元U7的PD1_OSC_OUT端接入晶振Y2的第一脚、其另一支路通过电容C52接地，晶振Y2的第二脚、第四脚接地。

第二控制单元U15的PD0_OSC_IN端接入晶振Y1的第三脚、其另一支路通过电容C32接地，第二控制单元U15的PD1_OSC_OUT端接入晶振Y1的第一脚、其另一支路通过电容C31接地，晶振Y1的第二脚、第四脚接地。

隔离RS485模块U1的型号优选为RSM(3)485CHT。DCDC隔离模块的型号优选为B1205S。隔离模块U10、U6、U14的型号优选为VRB1212YMD。三端稳压芯片U80的型号优选为7805。恒流芯片U20的型号优选为FP7103。

本实用新型的电机通过旋转带动钢缆绞盘，从而带动牵引钢缆运动，进一步拉动机器人本体沿着轨道进行运动，此时驱动轮与轨道之间的摩擦力过大，从而带动驱动轮旋转并通过锥齿轮组、同步带之间的传动，将动力传递至发电机，发电机通过增速器将速度提高带动永磁体转子旋转，使线圈不断切割磁感线，产生感应电动势，从而实现将机械能转化成电能。

轨道40安装在墙壁一侧或者顶部，采用角钢连接，角钢一侧通过锚杆或者膨胀螺丝固定到墙面，另一侧固定到轨道40上表面，使轨道距离最近墙面不低于0.5m,离地面约1.5m。具体安装方式视现场情况而定。

发电机输出的三相电经过整理电路后通过DCDC模块将宽压输入的整流电压变换成稳定电压24V输出，输出的电压一方面DCDC变换后为MCU供电及外部的电源控制板供电，另一方面将剩余的发电容量为超级电容充电，通过MCU采集电容电压及电压采集电路进行双重判断超级电容是否充到额定的容量，充满后关断充电电路，待超级电容容量下降到一定程度后又重启充电电路为电容充电。电容充电电路与DCDC稳压电路之间通过继电器的触点进行切换，为电源输出电路选择不同的供电回路。MCU采集到的电容容量信息通过通讯传输给电源控制板，电源控制板通过RS485通信将所有数据传输给上位机。电源控制板接收来自发电机转换板的一路24V电源，通过三路DCDC电路及安全栅，缓启动电路后输出给后端本安负载使用。

电源转换板的整流电路及DCDC稳压电路，D71～D76组成的三相整流桥将发电机发出的三相电整流成纹波较大的直流，经过C71～C78滤波后变成满足一定纹波率的电压，U1为隔离DCDC模块，输出稳定的24V为后端供电，输出电路中C79～C82起到滤波的作用。

电源转换板的电容充电电路及电源输出电路，其中24V主电源经过开关芯片Q71的PMOS后进入U20的恒流芯片，Q71相当于一个开关，它的栅极受U4A电压比较器的输出控制，比较器的同相输入端参考电压为D92提供的2.5V参考，反向输入端来自于电容的电压采样。开关芯片Q71的默认状态是关断状态，其后端电路的任何失效均会导致开关芯片Q71关断，极大的增加了电路的可靠性。U20的第二引脚EN还受来自单片机CC_EN的控制信号控制，该信号可以控制恒流芯片是否向后端电容充电，这是第二道电容电压采样。D8为防反向二极管，R92为电流采样电阻，通过R65反馈回恒流芯片，D99在超级电容放电时起作用。K1为24V供电及超级电容供电的切换，当24V供电正常时，K1的2脚5脚接通，24V供电，当24V消失后3脚5脚接通，超级电容为后端供电。

电容电压采集电路，电容电压经过R84、R87分压后分别通过R85、R86送至MCU的ADC采集引脚和U4A反向输入端进行采样分析。

DCDC电路为供电回路，U80为5V输出LDO(low dropout regulator，低压差线性稳压器)，D107,D108,Q40,Q50,R115、R116、R57、R58,C48,C49组成的两级限压电路用于限制5V电压，F3和R104用于限流，U81为3.3V输出LDO。

电源控制板三路DCDC、安全栅、缓启动及输出电路，U5,U9,U13为光耦，用于隔离来自MCU的控制信号，U6,U10,U14为隔离DCDC模块，输出为12V，U3,U7,U11为安全栅模块，作用为限压限流，U4,U8,U12为缓启动模块，作用是缓慢增大负载电流，减少尖峰冲击，L1,L2,L3为共模电感，后边的均为电磁兼容保护器件。

MCU的DCDC电路为MCU的供电回路，U1为5V隔离DCDC，D1,D2,Q2,Q3等组成的两级限压电路用于限制5V电压，F2用于限流，U2为3.3V输出LDO，D3,D4,Q1,Q4等组成的两级限压电路用于限制3.3V电压。

第二控制单元U15及RS485电路，U15为MCU。U17,U18为隔离光耦，用于隔离来自发电机电源转换板传输来的串口通信，U16为隔离485模块，R21,R22,R25,R26为总线上的限流电阻，D12～D15为稳压二极管用于限压D10,D16,D17,L4,D11为电磁兼容相关保护器件，R24为终端电阻。

充电电路部分采用恒流芯片进行充电，恒流充电的特点在于可以对0电压的电容进行快速充电，随着电容电压的升高，充电功率会越来越大。由于超级电容两端的电压不能超过其额定电压，所以最终的充电电压受MCU检测电压电路及检测判断电路双重限定，极大的提高了超级电容两端电压不过压的稳定性及安全性。

嵌入式系统负责读取温湿度并通过网络UDP上传到上位机。BMS电池管理系统反馈信息包括：系统状态(初始化、放电、预充、恒流、充满、涓流、维护和故障)、保护状态(过充电压、过放电压、充电过流、放电过流、输出短路、电池组温度报警、环境温度(预留)和低电量警告)、保护失效状态报警(过充电压保护失效、过放电压保护失效、充电过流保护失效、放电过流保护失效、输出短路保护失效、电池组温度报警、环境温度报警和采集信号失效)、放电电流、充电输入、剩余电量、充电电流、扩展状态信息(充满标志、温度保护、充电过流、充电过压、充满条件－－负&V、充满条件－－温度、充满条件－－时间到、放电中、放电低温保护、放电高温保护、放电过流、放电短路、过放电压(硬件判断)和过放电压(软件判断)、额定容量、单体电压1～20、电池组电压、电池组温度；嵌入式系统再接收到BMS数据后，会对系统状态、保护状态、保护状态失效报警、剩余电量、额定容量、电池组电压做处理，判断电池处于什么状态，放电、充电、还是涓流或者故障报警并反馈到上位机、获取额定容量和剩余电量来获取电池剩余电量百分比并上传到上位机，获取电池电压上传到上位机。

机器人本体携带自研隔爆发电机，能将固定的牵引电机输出的动能转化为电能，不间断的供给设备使用。

本实用新型首先轨道40两端防爆牵引电机60受控开始运转，拖动牵引钢缆70沿着限位滑轮402切线方向运行，从而带动机器人本体20在轨道40上来回运动，自发电模块28的驱动轮282受到摩擦力同步旋转，通过驱动主轴281及锥齿轮组283、万向节285、同步轮2874与同步带2872的传动，将动力传至发电机286，发电机内部有两级增速器，可将机器人本体较小的运动速度增加至750转每分钟左右。此时，发电机286将机械能转化为电能输出至电源箱，电源箱经过电源控制板，电源控制板经过限压分流、过压保护、能量泄放保护等功能直接输出或供给超级电容储存电能。电源箱输出信号有三路本安输出：12V、1600mA，通过矿用隔爆线缆连接到轨道式巡检机器人控制箱。

进一步，多参传感器、控制盒、超声波传感器、限位传感器、拾音器204、云台摄像仪以及声光报警器可通过航空插头连接到机器人控制箱。

本实用新型主要是以防爆牵引电机及牵引钢缆作为机器人运动动力来源，同时自带防爆发电机将机械能直接转化成电能给机器人本体设备供电，另外，富裕出来的电能还能储存到机器人本身自带的超级电容里面，作为备用电源在机器人停止时待机使用。现有技术主要采用镍氢电池作为动力电池，因此需要隔爆处理，体积大、重量大，便携性低。本实用新型一方面解决了井下不能充电或者充电难、续航时间短、带电池设备不能边行走边充电的问题，能做到全天24h无人化监控，保证了检测信息的时效性、安全性、稳定性；另一方面本实用新型用钢缆牵引能适应多种工况环境，驱动能力强，能大角度爬坡，钢缆紧固安装，安全性高、稳定性强、成本低、经济效益好，利于工程化运用。

本实用新型机器人本体带有云台摄像仪、视频分析处理板，针对现场的视频信息能在本地第一时间处理，一方面，本地处理时间段、效率高，如果存在问题，现在即可响起警报，节约了上下位机联系时间，进一步提高了检测的安全性；另一方面，本地处理之后上传结果，节约上行网络资源，为更多通信设备留有空间，针对矿下特种环境，这点优势极其明显。

本实用新型矿用防爆牵引式巡检机器人包含轨道式自发电机器人本体20、牵引钢缆70、防爆牵引电机60、监控中心、轨道40等。其中，轨道40安装在变电站行人侧的墙上，离地约1.5m；防爆牵引电机60安装在轨道40两端。如果，轨道过长，中间可增加电机中继。牵引钢缆70通过多种限位滑轮402限位固定在轨道一侧，且与轨道40保持10cm±3cm的距离，牵引钢缆70一端固定在机器人本体20上，另一端固定在防爆牵引电机60端。

本实用新型的轨道式巡检机器人集成有控制器、云台摄像仪、限位开关、避障感应器、无线路由以及视频分析处理单元，控制器、云台摄像仪以及视频分析处理单元通过无线路由将数据传输到变电站内基站，基站再将数据逐步传递至地面监控中心。

轨道式巡检机器人主要有发电机构、控制盒、电源箱、云台摄像仪。其中，云台摄像仪安装在轨道式巡检机器人底部，用来拍摄变电站现场视频，云台摄像仪有水平和垂直两方向自由度，水平方向可360°旋转，垂直方向可在-25°～90°之间旋转；发电机构、控制盒、电源箱在轨道式巡检机器人内部，控制盒内包含底层嵌入式主板、无线路由、视频分析处理板，外部连接有多参传感器控制盒、超声波传感器、限位传感器、拾音器204以及声光报警器。限位传感器安装固定在轨道式巡检机器人外壳前后两端上方，超声波传感器安装固定在轨道式巡检机器人外壳前后两端正中间，多参数传感器控制盒内部集成有四合一传感器、温湿度传感器、烟雾传感器，与拾音器204、声光报警器一起安装在轨道式巡检机器人底部；电源箱安装在轨道式巡检机器人内部，电源箱主要由数个超级电容和电源控制板构成，主要给轨道式巡检机器人提供3路本安电源供给；发电机构安装在轨道式巡检机器人内部，发电机构中包含发电机、驱动轮、齿轮、轴、同步轮等组成，驱动轮通过弹簧受压始终压紧轨道。

本实用新型矿用防爆牵引式巡检机器人结构简单、成本低、重量轻巧。带有防爆发电机，通过钢缆牵引机器人本体，驱动轮与轨道摩擦转动进行发电，将机械能转化为电能，供给机器人本体各个部件使用，可使机器人在井下长距离运行，无需考虑充电，做到24h智能化巡检。

本实用新型针对现煤矿井下变电站人工日常巡检时存在的单次时间长、巡检效率低、巡检实时性及完成性难保证、巡检质量难核查、设备充电不安全等问题，本实用新型提供了一种防爆自发电式牵引机器人系统。一方面，该系统旨在提供一种综合井下变电站场景内的音视频、环境参数变量、语音对讲信息，在采集获取的基础上，加入分析识别功能，最终形成集分类、统计、报警联动的变电站监控识别系统，主要用于解决当前煤矿井下矿工日常巡检的痛点，在减轻矿工日常巡检工作量的同时，逐步实现煤矿井下日常巡检设备化的要求，最终实现井下作业少人或者无人化的目的；另一方面，该系统自身带有防爆发电机，可将远端牵引所带来的机械能转化为电能，供给整个系统使用，在发电电能有所富裕的情况下，可储存到系统自身携带的超级电容中储存，并用以供给设备停止运动时的消耗。主要解决井下充电不安全及电池续航时间短的问题，最终实现全天候24h不间断巡检，保证了井下环境监测的完整性、安全性、准确性、及时性。

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种矿用防爆牵引式巡检机器人，其特征在于，包括：机器人本体，所述机器人本体包括：外壳、主体设置在所述外壳外并置于下部的云台摄像仪、设置在所述外壳中的控制装置、及设置在外壳中并与所述控制装置连接的自发电模块，所述自发电模块包括：部分伸出所述外壳外并由摩擦力驱动转动的驱动轮、与所述驱动轮连接并由驱动轮驱动的驱动传动机构、与所述驱动传动机构连接并由传动机构传动带动发电的发电机。

2.根据权利要求1所述的矿用防爆牵引式巡检机器人，其特征在于，所述驱动传动机构包括：与所述驱动轮配合并由驱动轮驱动转动的驱动主轴、与所述驱动主轴配合并由驱动主轴驱动转动的锥齿轮组、与所述锥齿轮组配合的万向节、与所述万向节配合传动并带动发电机转动的同步带轮组，所述同步带轮组包括：相互配合的同步带与同步轮。

3.根据权利要求1所述的矿用防爆牵引式巡检机器人，其特征在于，所述发电机包括：多级增速器及发电机主体，所述发电机通过安装板安装于所述外壳内，所述外壳内还设置有安装框架。

4.根据权利要求2所述的矿用防爆牵引式巡检机器人，其特征在于，还包括：

轨道，所述机器人本体悬挂安装于所述轨道上。

5.根据权利要求4所述的矿用防爆牵引式巡检机器人，其特征在于，还包括：

调节所述驱动轮紧贴所述轨道的弹性件组件，所述弹性件组件包括：调节轴、套设在所述调节轴上的弹性件、设置在所述调节轴上的调节螺母。

6.根据权利要求4所述的矿用防爆牵引式巡检机器人，其特征在于，所述轨道上设置有防爆牵引电机、及与所述防爆牵引电机连接并由防爆牵引电机驱动的钢丝绞盘、及缠绕在所述钢丝绞盘上并牵引移动所述机器人本体的牵引钢缆，所述机器人本体通过安装座与所述牵引钢缆连接。

7.根据权利要求6所述的矿用防爆牵引式巡检机器人，其特征在于，还包括：

支撑所述驱动主轴的驱动轮轴承座、辅助轮组件、设置在所述外壳内并部分伸出外壳的驱动轮安装座，所述轨道为工字型截面结构，所述外壳于所述驱动轮对应位置设置有供驱动轮伸出的驱动孔，所述辅助轮组件包括：设置在外壳外并紧贴所述轨道两腰滚动滑动的辅助轮，所述辅助轮安装在所述驱动轮安装座上。

8.根据权利要求7所述的矿用防爆牵引式巡检机器人，其特征在于，所述驱动轮安装座包括：座体、及由座体弯折延伸形成的安装片，所述辅助轮通过安装片进行安装，所述安装座安装于所述外壳的顶板的上表面，所述安装座安装有挂持在所述轨道端面上的承重轮，所述承重轮通过承重轮固定座安装于所述安装座上，所述安装座包括：进行固定安装的安装部、由所述安装部弯折延伸形成的安装本体、设置在所述安装本体上并夹持所述牵引钢缆的夹持部，所述承重轮固定座相对所述夹持部设置于所述安装本体的另一面。

9.根据权利要求8所述的矿用防爆牵引式巡检机器人，其特征在于，所述外壳的顶板上还安装有限位传感器，所述轨道的两端各自安装有防爆牵引电机，所述轨道设置有水平弯道与垂直弯道，所述轨道上设置有限位滑轮、及安装所述限位滑轮的滑轮安装支架，所述牵引钢缆通过所述限位滑轮引导限位。

10.根据权利要求1至8任意一项所述的矿用防爆牵引式巡检机器人，其特征在于，所述机器人本体还包括：设置在外壳中的超声波传感器、设置在下部的多参传感器、拾音器、根据检测数据是否超出设定值进行报警的声光报警器，所述多参传感器包括：检测甲烷超限的多合一传感器、温湿度传感器、烟雾传感器。