CN219687485U - 一种矿用带升降杆式四轮防爆机器人 - Google Patents

Abstract

一种矿用带升降杆式四轮防爆机器人，包括外壳，所述外壳安装于防爆底盘上，所述防爆底盘安装于行走机构上；外壳顶部前端安装有云台，云台前端外壳顶部安装有激光雷达，云台后端外壳顶部通过倒伏机构转动安装有多级伸缩杆，多级伸缩杆的顶部安装有检测机构，所述外壳四周均安装有超声波避障传感器，所述外壳上安装有急停按钮，所述外壳的后端侧壁上安装有故障按钮盒，所述外壳的侧壁上安装有声光报警器。对井下巷道的气体环境和障碍物情况进行监测，能够在巷道内按照规定的轨迹进行巡检，升降杆可以使机器人更大范围的进行检测，并能检测到更复杂的地方，在异常时能发出警报。降低人工作业强度和风险、提高安全保障。

Description

一种矿用带升降杆式四轮防爆机器人

技术领域

本实用新型属于煤矿井下巡检机器人技术领域，具体涉及一种矿用带升降杆式四轮防爆机器人。

背景技术

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭行业是高危行业，煤矿环境复杂，矿井中有瓦斯和煤尘等危险气体，井下巷道、机电硐室经常有滴水、淋水、甚至大量涌水情况，空气相对湿度在90％以上等。瓦斯、水灾、火灾、冒顶、爆炸等事故困扰着煤矿安全生产。煤矿井下输煤皮带、变电所及其他设备的运行状态异常时会直接影响到了整个煤矿的安全生产。

针对上述问题，现有巡检方式：

1.人工巡检，存在劳动强度大、工作效率低、检测质量分散、手段单一、极大浪费人力成本；缺少提前预测，针对异常情况缺乏实时有效的发现手段；存在人身安全隐患等问题。

2.轨道挂轨式巡检机器人，由于巷道长度较长且错综复杂，不同路段的轨道施工量难易度也不同，并且由于环境因素的影响；造成的轨道的损坏也不同；需要经常对轨道进行维护，增加了人工的工作量。

3.轮式，履带式巡检机器人，具备了可以自主进行移动、定位、影象信息采集、智能图像传感、预警、人机交互等多种环境监控检测功能，在一定的范围内能够实现对井下煤壁、片帮、大块煤、有毒有害气体、温度、粉尘、装置以及运行环境状态的实时监控。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种矿用带升降杆式四轮防爆机器人，对井下巷道的气体环境和障碍物情况进行监测，能够在巷道内按照规定的轨迹进行巡检，升降杆可以使机器人更大范围的进行检测，并能检测到更复杂的地方，在异常时能发出警报。降低人工作业强度和风险、提高安全保障。

一种矿用带升降杆式四轮防爆机器人，包括外壳，所述外壳安装于防爆底盘上，所述防爆底盘安装于行走机构上；外壳顶部前端安装有云台，云台前端外壳顶部安装有激光雷达，云台后端外壳顶部通过倒伏机构转动安装有多级伸缩杆，多级伸缩杆的顶部安装有检测机构，所述外壳四周均安装有超声波避障传感器，所述外壳上安装有急停按钮，所述外壳的后端侧壁上安装有故障按钮盒，所述外壳的侧壁上安装有声光报警器。

所述外壳的后端安装有照明灯，外壳的前端安装有防撞挡条。

所述检测机构包括检测机构底架，检测机构底架上安装有防护罩，检测机构底架上防护罩内分别安装有顶部摄像头、顶部超声波避障传感器支架、侧向超声波避障传感器支架、多参数传感器支架及本安接线盒支架，顶部超声波传感器支架上安装有顶部超声波避障传感器，侧向超声波传感器支架上安装有侧向超声波避障传感器，多参数传感器支架上安装有多参数传感器。

所述防爆底盘由防爆格栅分隔形成接线腔、电气腔及电池腔，所述电池腔位于防爆底盘的前端上部，内置动力电池组件，为机器人提供动力电源；所述电气腔位于防爆底盘底部、中部及后右侧上部，防爆底盘底部布置两个驱动单元，驱动单元由伺服电机及行星减速机组成，用于给行走机构提供动力；防爆底盘中部左、右两侧各安装一个驱动器，左侧驱动器控制左侧行走履带或者左侧驱动轮，右侧驱动器控制右侧行走履带或右侧驱动轮，利用差速运动模式实现机器人的前进后退及旋转功能；防爆底盘中部布置电源组件和控制单元组件；防爆底盘后右侧上部布置导航工控机；所述接线腔位于防爆底盘后左侧上部，内置接线端子排，用于接线。

所述控制单元包括PLC控制器和VCU，所述PLC控制器输出端分别与VCU、照明灯、多参数传感器、倒伏机构、故障按钮盒、顶部摄像头、双光谱云台、无线通讯模块、多级伸缩杆连接；所述PLC控制器的输入端分别与声光报警器、路由器及急停按钮连接，路由器与地面控制中心连接；所述VCU的输出端与驱动器连接，控制伺服电机启停，进而控制行走轮机构工作；所述导航工控机的输入端分别与超声波避障传感器、顶部超声波避障传感器、侧向超声波避障传感器及激光雷达连接，导航工控机输出端与PLC控制器输入端连接，所述电池组件通过电源组件与车体供电端连接。

本实用新型的技术效果为：

带升降杆的矿用四轮防爆机器人，更大范围的对巷道状态进行实时监测。在需要检测的地方，机器人会停下来，升降杆按照预定的程序升缩到设备处，对设备进行检查，由于升降杆的体积远远小于机器人本体，可以检测到空间更小的地方。搭载的双光谱云台摄像头集成可见光、热成像、拾音器、补光灯功能。机器人上安装多级伸缩杆并在其上搭载的多合一气体传感器可以更大范围的识别采集温湿度、烟雾粉尘等环境气体参数，网络对讲模块可以通过网络实现集控中心和机器人附近人员的语言对讲。机器人采用差分激光导航定位可以实现机器人厘米级的定位精度。机器人安装有激光避障和超声避障以及防撞条等安全设备保障机器人可以安全运行。

矿用带升降杆式四轮防爆机器人，在煤矿巷道内按照规定的行程进行定期巡检，通过热成像仪、噪声、气体浓度等采集设备，实时监测煤矿井下设备及环境状态，具有手机APP功能，将采集到的数据上传至地面监控平台，统一进行分析管理，实现各类异常情况的实时报警并通知相关人员，提高输煤皮带的智能化程度，降低运行人员的劳动强度，确保生产的连续稳定运行，及时发现潜在生产事故风险，辅助现场岗位工的部分生产巡查内容，并成为调度人员，运维人员在矿井的眼，耳，脑的延伸。

矿用带升降杆式四轮防爆机器人，通过在多级伸缩杆并在其上搭载安装顶部摄像头、多参数传感器和上部检测可以识别采集不同高度的温湿度、烟雾粉尘等环境气体参数、噪音采集设备，节省空间，当巡检机器人监测到有环境信息异常时，后台管理系统将进行报警，提醒运维人员及时处理。网络对讲模块可以通过网络实现集控中心和机器人附近人员的语言对讲，可实现远程指挥、逃生引导；

矿用带升降杆式四轮防爆机器人，可通过履带的长度及宽度解决煤矿井下路面的变形后的适应性，和大幅度提升其承载能力，并减小其原地自旋及转向驱动履带的磨损，该履带式移动底盘可以满足煤矿井下一些路面复杂或负载较重的工程类智能设备需求。

附图说明

图1 本实用新型轮式矿用带升降杆式四轮防爆机器人示意图；

图2 本实用新型轮式矿用带升降杆式四轮防爆机器人防爆底盘部分示意图；

图3本实用新型矿用带升降杆式四轮防爆机器人的倒伏机构示意图；

图4本实用新型矿用带升降杆式四轮防爆机器人的检测机构示意图；

图5本实用新型轮式矿用带升降杆式四轮防爆机器人控制原理示意图；

1-顶部摄像头，2-多参数传感器，3-超声波避障传感器，4-双光谱云台，5-照明灯，6-防撞挡条，7-驱动轮，8-外壳，9-多级伸缩杆，11-急停按钮，12-故障按钮盒，13-悬挂组件，14-防爆底盘，15-激光雷达，16-倒伏机构，17-声光报警器，18-防护罩，19-本安接线盒，20-本安接线盒支架，21-顶部超声波避障传感器支架，22-侧向超声波避障传感器支架，23-多参数传感器支架，24-检测机构底架，25-顶部超声波避障传感器，26-侧向超声波避障传感器，27-导航工控机，28-PLC控制器，29-VCU，30-驱动器，31-放电接触器，32-熔断器，33-航空插头，34-充电接触器，35-预充电阻，36-预充接触端，37-分流器，38-路由器，39-伺服电机，40-BMS电池管理系统，41-电池组件。

实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1至图5所示，一种矿用带升降杆式四轮防爆机器人，包括外壳8，外壳8用于保护安装在防爆底盘14上的各个部件，并满足美观的要求；所述外壳8安装于防爆底盘14上形成防爆箱体，防爆底盘14的隔爆利用SolidWorks静应力分析，观察其挠度量，整体钢板厚度减薄，增加围筋，在保认证实验情况下，降低整体防爆底盘14重量；所述防爆底盘14安装于行走机构上；外壳8顶部前端安装有云台，本实施例中云台采用双光谱云台4，为远程操作人员提供现场环境画面，操作人员可以根据机器人运行环境，对可能出现的意外情况进行远程干预或者紧急制动；云台前端外壳8顶部安装有激光雷达15，云台后端外壳8顶部通过倒伏机构16转动安装有多级伸缩杆9，通过倒伏机构16使多级伸缩杆9处于水平和竖直两个状态，在运输状态或工作状态自如转换来避免机器人超高；多级伸缩杆9杆体节数为4节；最高能升到3m，能够承载30kg的载荷，稳定状态能够承受的风速为17m/s，稳态风速时摆动量小于30mm；能够在-40°～+55°温度内正常使用；多级伸缩杆9顶部安装有检测机构，所述外壳8四周均安装有超声波避障传感器3，当遇到障碍物时会在规定的距离处停下，防止发生碰撞；外壳8的后端安装有照明灯5，照明灯5采用防爆设计，满足井下的基本要求；所述外壳8的前端安装有防撞挡条6，防撞挡条6和激光雷达15、超声波避障传感器3组成机器人的避障方式，当运行现场水汽粉尘较重时会吸收或折射避障激光雷达15发出的激光，返回数据形成偏差，此时超声波避障传感器3可以避免激光雷达15的问题，会优先显示超声波数据；单超声波传感器死区300mm，且散射角度大容易检测到两侧墙面形成误检，此时优先显示激光雷达15数据；防撞挡条6是最后一道安全手段，安装在机器人最外沿的防撞挡条6会对轻微的触碰做出反应，机器人立即急停；通过对激光和超声波数据在不同区域赋予不同的权重，将发生误检漏检的可能性降到最低，起到安全防撞的功能；所述外壳8上安装有急停按钮11，急停按钮11可以使机器在任何情况下，立即停止动作，其作用是发生突发情况时，立即停止机器，防止伤害或者损失扩大；所述外壳8的后端侧壁上安装有故障按钮盒12，故障按钮盒12可以在机器人发生故障时下电，避免进一步的伤害；所述外壳8的侧壁上安装有声光报警器17，当发生异常时，可以发出警报。

所述检测机构包括检测机构底架24，检测机构底架24上安装有防护罩18，检测机构底架24上防护罩18内分别安装有顶部摄像头1、顶部超声波避障传感器支架21、侧向超声波避障传感器支架22、多参数传感器支架23及本安接线盒支架20，本安接线盒支架20上安装有本安接线盒19，顶部超声波避障传感器支架21上安装有顶部超声波避障传感器25，侧向超声波避障传感器支架22上安装有侧向超声波避障传感器26，多参数传感器支架23上安装有多参数传感器2，顶部超声波避障传感器25、侧向超声波避障传感器26及多参数传感器2通过本安接线盒19与导航工控机27连接。通过顶部超声波避障传感器25和侧向超声波避障传感器26的设置，保证多级伸缩杆9在工作过程中能够翻转角度，避免检测机构与障碍物发生碰撞；多参数传感器2可以检测一氧化碳、二氧化碳、硫化氢及瓦斯，能够实时监测巷道内的气体环境；顶部摄像头1采用的是矿用本安型热成像摄像仪，满足防爆要求，能对井下环境进行监控。

在煤矿巷道内按照规定的行程进行定期巡检，通过顶部摄像头1、超声波避障传感器3、顶部超声波避障传感器25、侧向超声波避障传感器26及多参数传感器2的设置，实时监测煤矿井下设备及环境状态，将采集到的数据上传至地面控制中心，统一进行分析管理，实现各类异常情况的实时报警并通知相关人员，提高输煤皮带的智能化程度，降低运行人员的劳动强度，确保生产的连续稳定运行，及时发现潜在生产事故风险，辅助现场岗位工的部分生产巡查内容，并成为调度人员，运维人员在矿井的眼，耳，脑的延伸。

所述行走机构分为两种，一种是轮式行走机构，一种是履带式行走机构；所述行走机构采用差速运动模式实现机器人的前进后退及旋转功能，通过驱动电机工作，带动履带或驱动轮实现车辆的行走功能。当采用轮式行走机构时，由驱动轮7和悬挂组件13组成机器人的行走机构，实现双侧独立驱动；其中用于驱动驱动轮7的驱动器30和防爆底盘14整体防爆采用本安兼隔爆的原理，在无安标的伺服电机39情况下，采用隔爆处理，将驱动器30包裹在电气腔内，外部引轴做旋转隔爆面处理，增加隔爆出轴法兰、支撑轴承及密封橡胶圈，保证驱动伺服电机39顺利出轴并起到隔爆效果。

所述防爆底盘14由防爆格栅分隔形成接线腔、电气腔及电池腔，防爆底座14满足隔爆需求，保证安全；所述电池腔位于防爆底盘14的前端上部，内置动力电池组件41，为机器人提供动力电源；所述电气腔位于防爆底盘14底部、中部及后右侧上部，防爆底盘14底部布置两个驱动单元，驱动单元由伺服电机39及行星减速机组成，用于给行走机构提供动力；防爆底盘14中部左、右两侧各安装一个驱动器30，左侧驱动器30控制左侧行走履带或者左侧驱动轮，右侧驱动器30控制右侧行走履带或右侧驱动轮，利用差速运动模式实现机器人的前进后退及旋转功能；防爆底盘14中部布置本安型电源组件和控制单元组件，本安电源组件给多源探测传感系统中的电气元器件供电，其中电源组件由BMS电池管理系统40、充电接触器34、放电接触器31、预充电阻35、分流器37、熔断器32组成；控制单元组件由PLC控制器28及VCU29组成；防爆底盘14后右侧上部布置导航工控机27，导航工控机27可将机器人行进过程中通过超声波避障传感器3、顶部超声波避障传感器、侧向超声波避障传感器及激光雷达收集的环境点云信息、深度图像信息和障碍物信息计算分析并规划出可靠的行驶路径反馈给PLC控制器28；控制单元组件用于控制整个机器人，通过导航工控系统下达的决策指令，控制机器人整机供电、加速、降速和转向动作；所述接线腔位于防爆底盘14后左侧上部，内置接线端子排，用于接线。

所述PLC控制器28输出端分别与VCU29、照明灯5、多参数传感器2、倒伏机构16、故障按钮盒12、顶部摄像头1、双光谱云台4、无线通讯模块、多级伸缩杆9连接；所述PLC控制器28的输入端分别与声光报警器17、路由器38及急停按钮11连接，路由器38与地面控制中心连接；所述VCU29的输出端与驱动器30连接，控制伺服电机39启停，进而控制行走轮机构工作；所述导航工控机27的输入端分别与超声波避障传感器3、顶部超声波避障传感器25、侧向超声波避障传感器26及激光雷达15连接，导航工控机27输出端与PLC控制器28输入端连接，所述电池组件41通过放电接触器31、航空插头33与电源连接，给电池组件41进行充电；电池组件41通过放电接触器31、熔断器32及分流器37与车体供电端连接，BMS电池管理系统40分别与预充接触端36、放电接触器31及充电接触器34连接，预充接触端36通过预充电阻35与车体供电端连接。

一种矿用带升降杆四轮防爆机器人的作业方法：地面控制中心发射指令给机器人使机器人按照提前规划好的轨迹行走，激光雷达15获取当前机器人的位置，前、后、左、右侧的超声波避障传感器3及侧向超声波避障传感器26判别当前位置是否有障碍物，并将数据传回给导航工控机27，导航工控机27将信息整合后反馈给PLC控制器，决定机器人运行和停止；安装在机器人前侧的双光谱云台4会对经过的路径前方进行监测；多参数传感器2会对巷道内的一氧化碳和其他危险气体进行检测；需要检测更高的地方时，倒伏机构16、多级伸缩杆9和顶部超声波避障传感器25配合升到指定地方，采用顶部摄像头1进行监测；所有检测到的信息将反馈给地面控制中心，起到对巷道内环境的监测作用；地面控制中心通过无线通讯模块实现和机器人附近的人员的通讯。

（1）符合矿井一类防爆及相关国家煤矿安全规程要求；

（2）机器人具有与地面控制中心数据通讯交互功能，通过机器人防爆箱内部的无线通讯模块实现，接入矿井现有4G管网，通过地面控制中心实现对机器人的控制。

（3）机器人具有自检功能，在启动和工作完成时，能够对其机器人内部各个模块的工作状态检测，当发生异常时，可以发出警报，并通过4G管网上传故障信息；

（4）机器人具有避障功能，运行过程中通过双光谱云台4和超声波避障传感器3实时监测机器人与障碍物之间的距离，防止发生碰撞；

（5）机器人可以无线充电，在机器人的运行路径上每隔一定的间距安装一个充电桩，当机器人电量不足时，会自动运行到附近的充电桩进行充电。

（6）机器人底盘满足本安兼隔爆，机器人的移动系统具有较强的复杂地形适应性能和越障性能，升降杆能使机器人进行更大范围的检测。

Claims (5)

1.一种矿用带升降杆式四轮防爆机器人，其特征在于，包括外壳，所述外壳安装于防爆底盘上，所述防爆底盘安装于行走机构上；外壳顶部前端安装有云台，云台前端外壳顶部安装有激光雷达，云台后端外壳顶部通过倒伏机构转动安装有多级伸缩杆，多级伸缩杆的顶部安装有检测机构，所述外壳四周均安装有超声波避障传感器，所述外壳上安装有急停按钮，所述外壳的后端侧壁上安装有故障按钮盒，所述外壳的侧壁上安装有声光报警器。

2.根据权利要求1所述的一种矿用带升降杆式四轮防爆机器人，其特征在于：所述外壳的后端安装有照明灯，外壳的前端安装有防撞挡条。

3.根据权利要求1所述的一种矿用带升降杆式四轮防爆机器人，其特征在于：所述检测机构包括检测机构底架，检测机构底架上安装有防护罩，检测机构底架上防护罩内分别安装有顶部摄像头、顶部超声波避障传感器支架、侧向超声波避障传感器支架、多参数传感器支架及本安接线盒支架，顶部超声波传感器支架上安装有顶部超声波避障传感器，侧向超声波传感器支架上安装有侧向超声波避障传感器，多参数传感器支架上安装有多参数传感器。

4.根据权利要求1所述的一种矿用带升降杆式四轮防爆机器人，其特征在于：所述防爆底盘由防爆格栅分隔形成接线腔、电气腔及电池腔，所述电池腔位于防爆底盘的前端上部，内置动力电池组件，为机器人提供动力电源；所述电气腔位于防爆底盘底部、中部及后右侧上部，防爆底盘底部布置两个驱动单元，驱动单元由伺服电机及行星减速机组成，用于给行走机构提供动力；防爆底盘中部左、右两侧各安装一个驱动器，左侧驱动器控制左侧行走履带或者左侧驱动轮，右侧驱动器控制右侧行走履带或右侧驱动轮，利用差速运动模式实现机器人的前进后退及旋转功能；防爆底盘中部布置电源组件和控制单元组件；防爆底盘后右侧上部布置导航工控机；所述接线腔位于防爆底盘后左侧上部，内置接线端子排，用于接线。

5.根据权利要求4所述的一种矿用带升降杆式四轮防爆机器人，其特征在于：所述控制单元包括PLC控制器和VCU，所述PLC控制器输出端分别与VCU、照明灯、多参数传感器、倒伏机构、故障按钮盒、顶部摄像头、双光谱云台、无线通讯模块、多级伸缩杆连接；所述PLC控制器的输入端分别与声光报警器、路由器及急停按钮连接，路由器与地面控制中心连接；所述VCU的输出端与驱动器连接，控制伺服电机启停，进而控制行走轮机构工作；所述导航工控机的输入端分别与超声波避障传感器、顶部超声波避障传感器、侧向超声波避障传感器及激光雷达连接，导航工控机输出端与PLC控制器输入端连接，所述电池组件通过电源组件与车体供电端连接。