CN219769681U - 煤矿井下巡检机器人的换电装置及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种煤矿井下巡检机器人的换电装置及系统，所述换电装置包括：壳体、第一正压腔、第一正压腔门、第二正压腔、第二正压腔门、第一进气阀、第一出气阀、第一甲烷浓度传感器、第一压力传感器、换电模块、无线充电发射模块、满充储备电源、第二进气阀、第二出气阀、第二甲烷浓度传感器、第二压力传感器、吹扫模块和和控制模块，通过在换电装置中设置吹扫模块和两个正压腔，可以在对巡检机器人进行吹扫后，将巡检机器人的电源模块从第一正压腔卸取，并在第二正压腔充电和换电，保障了巡检机器人的电源模块所在的充电和换电环境的洁净度，避免了无线充电发射模块失效，实现了巡检机器人在煤矿井下的换电和自动充电。

Description

煤矿井下巡检机器人的换电装置及系统

技术领域

本申请属于煤矿安全技术领域，尤其涉及一种煤矿井下巡检机器人的换电装置及系统。

背景技术

煤矿机器人是构建智能煤矿的重要组成部分，是提升煤矿智能装备水平的重要体现，是实现煤矿“少人、无人”的有效支撑。随着国家相关行业主管部门的不断推动，以及煤炭生产企业的高度重视，以巡检机器人为代表的各类机器人已成井下智能化建设的重要装备。目前已经下井的防爆巡检机器人根据动力源的不同，主要有锂电池供电、钢丝绳牵引两种方式。钢丝绳牵引机器人由于外部装置需求高、工程施工难度大、使用场所受限等问题，应用较少，因此井下防爆巡检机器人大多采用锂电池作为动力来源。《煤矿安全规程》对使用蓄电池设备的充电场所有明确的要求：机车等移动设备在专用充电硐室或者地面充电；监控、通信、避险等设备的备用电源可以就地充电，并有防过充等保护措施。规程相关要求不适合于井下巡检机器人，巡检机器人井下充电缺乏依据。

锂电池属于高能化学电池，当误用滥用或者生产制造存在自身缺陷，有出现泄压、着火，甚至爆炸的可能性。据统计，超过80％以上的电动车着火安全事故都发生在充电环节。煤矿井下为具有瓦斯煤尘潜在性爆炸危险的特殊环境，目前机器人井下有线、无线充电方式均存在防爆安全难以保障、充电过程安全保护控制不可靠等多方面问题，解决井下机器人的充电难题已经迫在眉睫。

无线充电利用电磁场或电磁波实现电能非接触传输，依据GB/T3836.1《爆炸性环境第5部分：设备通用要求》标准中的电磁能功率阈值要求，煤矿井下9k～60GHz的射频电磁波阈功率不得超过6W，煤矿井下防爆无线充电功率受限，无法对机器人实现高效充电。国内相关企业将无线充电装备置于隔爆腔内，机器人进入隔爆腔内进行无线充电，用以突破标准中对电磁能功率阈值的限制。

上述无线充电方案在煤矿复杂环境中应用，隔爆充电腔内容易进入煤粉等异物，造成无线充电装置失效，无法实现换电和自动充电。

实用新型内容

本申请的实施例提供了一种煤矿井下巡检机器人的换电装置及系统，进而能够减少因煤粉等异物造成无线充电装置失效，实现煤矿井下巡检机器人的换电和自动充电。

本申请的其它特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本申请的实践而习得。

根据本申请实施例的第一方面，提供了一种煤矿井下巡检机器人的换电装置，所述换电装置包括：壳体、第一正压腔、第一正压腔门、第二正压腔、第二正压腔门、第一进气阀、第一出气阀、第一甲烷浓度传感器、第一压力传感器、换电模块、无线充电发射模块、满充储备电源、第二进气阀、第二出气阀、第二甲烷浓度传感器、第二压力传感器、吹扫模块和和控制模块；其中，

所述吹扫模块，在所述壳体外且靠近所述第一正压腔门的一侧设置；

所述第一正压腔门设置于所述壳体上，所述第一正压腔和所述第二正压腔通过所述第二正压腔门隔开，所述第一正压腔内设置有所述第一进气阀、所述第一出气阀、所述第一甲烷浓度传感器、所述第一压力传感器和所述换电模块，所述第一进气阀和所述第一出气阀用于对所述第一正压腔内的气体进行置换，所述换电模块用于对所述巡检机器人的电源模块进行卸取和安装；

所述第二正压腔内设置有所述第二进气阀、所述第二出气阀、所述第二甲烷浓度传感器、所述第二压力传感器、所述无线充电发射模块和所述满充储备电源，所述第二进气阀和所述第二出气阀用于对所述第二正压腔内的气体进行置换，所述无线充电发射模块用于对所述电源模块进行无线充电；

所述控制模块分别与所述第一正压腔门、所述第二正压腔门、所述第一进气阀、所述第一出气阀、所述第二进气阀、所述第二出气阀、所述第一甲烷浓度传感器、所述第一压力传感器、所述第二甲烷浓度传感器、所述第二压力传感器、所述无线充电发射模块和所述吹扫模块连接。

在本申请的一些实施例中，基于前述方案，所述换电装置还包括：灭火模块，设置于所述第二正压腔内，所述灭火模块与所述控制模块连接。

在本申请的一些实施例中，基于前述方案，所述第一正压腔上设置有第一进气口和第一出气口，所述第一进气阀设置于所述第一进气口处，所述第一进气口通过煤矿井下通风管道接入保护气体，所述第一出气阀设置于所述第一出气口处，所述第一出气口通过出气管与回风巷相连。

在本申请的一些实施例中，基于前述方案，所述第二正压腔上设置有第二进气口和第二出气口，所述第二进气阀设置于所述第二进气口处，所述第二进气口通过煤矿井下通风管道接入保护气体，所述第二出气阀设置于所述第二出气口处，所述第二出气口通过出气管与回风巷相连。

在本申请的一些实施例中，基于前述方案，所述第一甲烷浓度传感器、所述第一压力传感器、所述第二甲烷浓度传感器和所述第二压力传感器的数量为多个。

在本申请的一些实施例中，基于前述方案，所述换电模块为机械臂或码垛机器人。

在本申请的一些实施例中，基于前述方案，所述机械臂上设置有视觉相机，所述无线充电发射模块上设置有用于所述视觉相机进行视觉识别的标识点。

根据本申请实施例的第二方面，提供了一种煤矿井下巡检机器人的换电系统，所述换电系统包括：

巡检机器人，内置有电源模块；以及

上述的煤矿井下巡检机器人的换电装置。

在本申请的一些实施例中，基于前述方案，所述电源模块上设置有锁紧结构和快换结构。

在本申请的一些实施例中，基于前述方案，所述巡检机器人内设置有距离测量传感器，所述距离测量传感器与所述控制模块通信。

在本申请中，通过在换电装置中设置吹扫模块和两个正压腔，可以在对巡检机器人进行吹扫后，将巡检机器人的电源模块从第一正压腔卸取，并在第二正压腔充电和换电，保障了巡检机器人的电源模块所在的充电和换电环境的洁净度，避免了无线充电发射模块失效，实现了巡检机器人在煤矿井下的换电和自动充电。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。在附图中：

图1为一个实施例中煤矿井下巡检机器人的换电装置的结构示意图；

图2为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第一状态示意图；

图3为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第二状态示意图；

图4为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第三状态示意图；

图5为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第四状态示意图；

图6为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第五状态示意图；

图7为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第六状态示意图；

图8为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第七状态示意图；

图9为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第八状态示意图；

图10为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第九状态示意图；

图11为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第十状态示意图；

图12为一个实施例中煤矿井下巡检机器人的换电系统的结构示意图。

附图标号说明：

具体实施方式

本申请的实施例提供了一种电缆连接点的检测电路及装置，能够有效检测出电缆连接点的导通状态，以确定是否出现焊接故障。

本申请的其它特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本申请的实践而习得。

图1为一个实施例中煤矿井下巡检机器人的换电装置的结构示意图，如图1所示，换电装置包括：壳体10、第一正压腔11、第一正压腔门12、第二正压腔13、第二正压腔门14、第一进气阀15、第一出气阀16、第一甲烷浓度传感器17、第一压力传感器18、换电模块19、无线充电发射模块20、满充储备电源21、第二进气阀24、第二出气阀25、第二甲烷浓度传感器26、第二压力传感器27、吹扫模块22和和控制模块23；其中，吹扫模块22，在壳体10外且靠近第一正压腔门12的一侧设置；第一正压腔门12设置于壳体10上，第一正压腔11和第二正压腔13通过第二正压腔门14隔开，第一正压腔11内设置有第一进气阀15、第一出气阀16、第一甲烷浓度传感器17、第一压力传感器18和换电模块19，第一进气阀15和第一出气阀16用于对第一正压腔11内的气体进行置换，换电模块19用于对巡检机器人的电源模块进行卸取和安装；第二正压腔13内设置有第二进气阀24、第二出气阀25、第二甲烷浓度传感器26、第二压力传感器27、无线充电发射模块20和满充储备电源21，第二进气阀24和第二出气阀25用于对第二正压腔13内的气体进行置换，无线充电发射模块20用于对电源模块进行无线充电；控制模块23分别与第一正压腔门12、第二正压腔门14、第一进气阀15、第一出气阀16、第二进气阀24、第二出气阀25、第一甲烷浓度传感器17、第一压力传感器18、第二甲烷浓度传感器26、第二压力传感器27、无线充电发射模块20和吹扫模块22连接。

可以理解的是，目前将无线充电装备置于隔爆腔内，机器人进入隔爆腔内进行无线充电的充电方案在实际应用中，充电腔内容易进入煤粉等异物，造成无线充电装备失效，并且隔爆门高频率启闭，隔爆间隙无法及时测量，无法保证隔爆面的有效性，导致隔爆型充电腔存在失爆风险。也就是说，目前相关研究人员提出的井下巡检机器人的充换电方案，都有一定的安全隐患，目前尚未有取得安标证的相关产品。

爆炸三要素包括一定浓度的可燃性气体、一定量的氧气以及足够热量点燃气体的火源，本实施例在煤矿井下基于正压原理将煤矿井下的甲烷气体隔绝在正压腔外，破坏了爆炸条件之一，进而为巡检机器人的换电和电源模块的充电提供一个安全可靠的环境，实现了巡检机器人的快速动力源供应，有效解决巡检机器人安全续航方面的问题，显著提升了井下巡检机器人智能化装备的有效工作时间和使用效能，为井下巡检机器人充电提供可靠的技术方案，同时为其他智能化机器人井下安全充电提供借鉴。

具体地，第一正压腔11上设置有第一进气口(未标示)和第一出气口(未标示)，第一进气阀15设置于第一进气口处，第一进气口通过煤矿井下通风管道接入保护气体，第一出气阀16设置于第一出气口处，第一出气口可以通过出气管与回风巷(图未示)相连，如此可以将第一正压腔11内的原有气体置换为保护气体。

第二正压腔13上设置有第二进气口和第二出气口，第二进气阀24设置于第二进气口处，第二进气口通过煤矿井下通风管道接入保护气体，第二出气阀25设置于第二出气口处，第二出气口可以通过出气管与回风巷相连，如此可以将第二正压腔13内的原有气体置换为保护气体。

其中，第一进气口和第二进气口可以通过煤矿井下通风管道与煤矿通风系统相连，由煤矿通风系统提供保护气体，当然，第一进气口和第二进气口也可以通过煤矿井下通风管道与其它设备相连，由其它设备提供保护气体，本实施例对此不加以限制。

在具体实现中，第一甲烷浓度传感器17、第一压力传感器18、第二甲烷浓度传感器26和第二压力传感器27的数量可以为多个，以实现正压腔内压力和甲烷浓度的精确检测。

换电模块19为机械臂或码垛机器人，在换电模块19为机械臂时，机械臂上设置有视觉相机，无线充电发射模块20和电源模块上均设置有用于视觉相机进行视觉识别的标识点，以实现电源模块与无线充电发射模块20的精准对位。

无线充电发射模块20的数量可以为2个或2个以上，其中一个无线充电发射模块20用于放置满充储备电源21，其他无线充电发射模块20用于对电源模块进行无线充电。

在一个实施例中，煤矿井下巡检机器人的换电装置还可以包括灭火模块28，设置于第二正压腔13内，灭火模块28与控制模块23连接，用于在电源模块发生热失控时进行灭火。

以下结合图1至图11详述本实施例的煤矿井下巡检机器人的换电装置的工作原理：

一并参见图1和图2，图2为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第一状态示意图，巡检机器人进行电源模块的状态检测，当电源模块的电量低于设定值时，巡检机器人到达充电位置。

一并参见图1和图3，图3为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第二状态示意图，巡检机器人内可以设置距离测量传感器，距离测量传感器与控制模块23通信，距离测量传感器用于检测巡检机器人到换电装置的距离，并将距离信息反馈至控制模块23，控制模块23在根据距离信息判定巡检机器人驶入清扫位的情况下，控制吹扫模块22开启，由吹扫模块22对巡检机器人进行除尘工作，尽可能的保证巡检机器人的洁净性，减少巡检机器人将煤尘等污渍带入正压腔内。

一并参见图1和图4，图4为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第三状态示意图，当吹扫模块22对巡检机器人吹扫完成后，会向控制模块23反馈吹扫完成的信息，控制模块23响应于吹扫模块22返回的吹扫完成的信息，控制第一正压腔门12打开，等待巡检机器人驶入第一正压腔11内。

一并参见图1和图5，图5为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第四状态示意图，在巡检机器人驶入第一正压腔11的情况下，关闭第一正压腔门12，同时打开第一进气阀15、第一出气阀16、第二进气阀24和第二出气阀25，在第一甲烷浓度传感器17的测量结果为高于外界大气压50Pa至100Pa和第一压力传感器18的测量结果为小于0.1％时，关闭第一进气阀15和第一出气阀16，在第二甲烷浓度传感器26的测量结果为高于外界大气压50Pa至100Pa和第二压力传感器27的测量结果为小于0.1％时，关闭第二进气阀24和第二出气阀25。

在巡检机器人驶入第一正压腔11的情况下，同时打开第一进气阀15和第一出气阀16，可以将第一正压腔11和第二正压腔13内的原有气体置换为保护气体，该保护气体可以是纯净空气、惰性气体等气体。

通过控制模块23对第一进气阀15和第一出气阀16进行伺服控制，可以保障第一正压腔11内的压力始终高于外界大气压50Pa至100Pa，第一正压腔11内的甲烷浓度始终低于0.1％，通过控制模块23对第二进气阀24和第二出气阀25进行伺服控制，可以保障第二正压腔13内的压力始终高于外界大气压50Pa至100Pa，第二正压腔13内的甲烷浓度始终低于0.1％。

为了保障安全，在正压腔内的甲烷浓度大于0.1％或压力高于外界大气压100Pa的情况下，控制煤矿井下巡检机器人的换电装置停机。

需要说明的是，第二正压腔13中的气体置换仅在巡检机器人第一次驶入第一正压腔11的情况下进行，因为气体置换需要经历较长的时间，并且在之后使用过程中，第二正压腔13不与外界危险气体直接接触，故一般不再需要经历完整的气体置换过程。气体置换完成后，第一正压腔11和第二正压腔13都需根据各自压力传感器和甲烷浓度传感器的检测结果，对进气电磁阀进行伺服控制，解决了换电装置密封不严造成的漏气问题，使第一正压腔11内和第二正压腔13内的压力始终高于外界大气压50Pa～100Pa，甲烷浓度始终低于0.1％。

通过第一正压腔11在巡检机器人每次驶入都进行气体置换，第二正压腔13仅在巡检机器人第一次驶入时进行气体置换，减少了洗气容积，从而减少了气体置换时间，在保障换电安全的情况下有效减少换电时间。

一并参见图1和图6，图6为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第五状态示意图，在气体置换完成后，打开第二正压腔门14，换电模块19开始工作，对巡检机器人的电源模块进行卸取。

在具体实现中，巡检机器人的电源模块除其必备的动力供应，还应具备无线充电功能、可靠机械或电气锁紧结构以及应具有快换结构设计，以实现换电模块19对电源模块的快速安装与卸取。

一并参见图1和图7，图7为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第六状态示意图，第二正压腔13内设置有两个无线充电发射模块20，其中一个无线充电发射模块20上放置有满充储备电源21，另一个无线充电发射模块20用于放置从巡检机器人上取下的电源模块。换电模块19将巡检机器人上的电源模块取下并转移至无线充电发射模块20，无线充电发射模块20接收电源模块发送的信息，并在该信息满足条件后开始充电过程，在充电过程中实现对位保护、过热保护、异物保护等。

一并参见图1、图8和图9，图8和图9分别为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第七状态和第八状态示意图，在充电完成后，换电模块19抓取满充储备电源21并安装在巡检机器人上，此时关闭第二正压腔门14，打开第一正压腔门12，等待巡检机器人驶出第一正压腔11。

一并参见图1、图10和图11，图10和图11分别为图1中煤矿井下巡检机器人的换电装置的第九状态和第十状态示意图，第一正压腔门12打开后，巡检机器人驶出第一正压腔11，关闭第一正压腔门12，巡检机器人完成换电过程，通过上述方案整个换电流程(包含气体置换时间)不超过10分钟。

在一个实施例中，灭火模块28中有灭火材料，灭火材料可以是全弗己酮等材料。

可以理解的是，如果充电过程中，在无线充电发射模块20的充电线圈和受电线圈中间存在煤尘，则可能引发电源模块的电池管理系统报热失控信息，从而导致系统关机断电，甚至引发危险，当电源模块反馈电源有热失控风险时，充电停止，并开启灭火模块28，可以有效降低在充电过程中由于电源模块热失控带来的安全风险。

本实施例通过在换电装置中设置吹扫模块和两个正压腔，可以在对巡检机器人进行吹扫后，将巡检机器人的电源模块从第一正压腔卸取，并在第二正压腔充电和换电，保障了巡检机器人的电源模块所在的充电和换电环境的洁净度，避免了无线充电发射模块失效，实现了巡检机器人在煤矿井下的换电和自动充电。

基于同一构思，本申请实施例还提供了一种煤矿井下巡检机器人的换电系统，如图12所示，换电系统包括：巡检机器人30，内置有电源模块29；以及上述的煤矿井下巡检机器人的换电装置。

应当理解的是，为了方便电源模块29的快速卸取和安装，电源模块29上可以设置锁紧结构和快换结构。

在一个实施例中，巡检机器人30中还可以设置距离测量传感器31，距离测量传感器31与控制模块26通信，如此控制模块26可以根据距离测量传感器31返回的信息确定巡检机器人30与换电装置的距离。

本实施例通过巡检机器人和煤矿井下巡检机器人的换电装置的设计，提高了巡检机器人在煤矿井下换电和充电的安全性。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种煤矿井下巡检机器人的换电装置，其特征在于，所述换电装置包括：壳体、第一正压腔、第一正压腔门、第二正压腔、第二正压腔门、第一进气阀、第一出气阀、第一甲烷浓度传感器、第一压力传感器、换电模块、无线充电发射模块、满充储备电源、第二进气阀、第二出气阀、第二甲烷浓度传感器、第二压力传感器、吹扫模块和和控制模块；其中，

所述吹扫模块，在所述壳体外且靠近所述第一正压腔门的一侧设置；

所述第一正压腔门设置于所述壳体上，所述第一正压腔和所述第二正压腔通过所述第二正压腔门隔开，所述第一正压腔内设置有所述第一进气阀、所述第一出气阀、所述第一甲烷浓度传感器、所述第一压力传感器和所述换电模块，所述第一进气阀和所述第一出气阀用于对所述第一正压腔内的气体进行置换，所述换电模块用于对所述巡检机器人的电源模块进行卸取和安装；

所述第二正压腔内设置有所述第二进气阀、所述第二出气阀、所述第二甲烷浓度传感器、所述第二压力传感器、所述无线充电发射模块和所述满充储备电源，所述第二进气阀和所述第二出气阀用于对所述第二正压腔内的气体进行置换，所述无线充电发射模块用于对所述电源模块进行无线充电；

所述控制模块分别与所述第一正压腔门、所述第二正压腔门、所述第一进气阀、所述第一出气阀、所述第二进气阀、所述第二出气阀、所述第一甲烷浓度传感器、所述第一压力传感器、所述第二甲烷浓度传感器、所述第二压力传感器、所述无线充电发射模块和所述吹扫模块连接。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下巡检机器人的换电装置，其特征在于，所述换电装置还包括：灭火模块，设置于所述第二正压腔内，所述灭火模块与所述控制模块连接。

3.根据权利要求1所述的煤矿井下巡检机器人的换电装置，其特征在于，所述第一正压腔上设置有第一进气口和第一出气口，所述第一进气阀设置于所述第一进气口处，所述第一进气口通过煤矿井下通风管道接入保护气体，所述第一出气阀设置于所述第一出气口处，所述第一出气口通过出气管与回风巷相连。

4.根据权利要求1所述的煤矿井下巡检机器人的换电装置，其特征在于，所述第二正压腔上设置有第二进气口和第二出气口，所述第二进气阀设置于所述第二进气口处，所述第二进气口通过煤矿井下通风管道接入保护气体，所述第二出气阀设置于所述第二出气口处，所述第二出气口通过出气管与回风巷相连。

5.根据权利要求1所述的煤矿井下巡检机器人的换电装置，其特征在于，所述第一甲烷浓度传感器、所述第一压力传感器、所述第二甲烷浓度传感器和所述第二压力传感器的数量为多个。

6.根据权利要求1所述的煤矿井下巡检机器人的换电装置，其特征在于，所述换电模块为机械臂或码垛机器人。

7.根据权利要求6所述的煤矿井下巡检机器人的换电装置，其特征在于，所述机械臂上设置有视觉相机，所述无线充电发射模块上设置有用于所述视觉相机进行视觉识别的标识点。

8.一种煤矿井下巡检机器人的换电系统，其特征在于，所述换电系统包括：

巡检机器人，内置有电源模块；以及

根据权利要求1至7中任意一项所述的煤矿井下巡检机器人的换电装置。

9.根据权利要求8所述的煤矿井下巡检机器人的换电系统，其特征在于，所述电源模块上设置有锁紧结构和快换结构。

10.根据权利要求8所述的煤矿井下巡检机器人的换电系统，其特征在于，所述巡检机器人内设置有距离测量传感器，所述距离测量传感器与所述控制模块通信。