CN101244728A - 用于煤矿井下搜救作业的隔爆型机器人平台 - Google Patents
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Abstract
一种用于煤矿井下搜救作业的隔爆型机器人平台，由隔爆外壳(1)、驱动轮单元(3)、从动轮及摆臂单元(6)、行走驱动电机单元(14)和摆臂旋转驱动电机单元(15)构成，驱动轮单元(3)与从动轮及摆臂单元(6)对称地设在隔爆外壳(1)的两端，行走驱动电机单元(14)设在隔爆外壳(1)内，且连接驱动轮单元(3)，摆臂旋转驱动电机单元(15)设在隔爆外壳(1)内，且连接从动轮及摆臂单元(6)，驱动轮单元(3)中的驱动轮(26)与从动轮及摆臂单元(6)中的从动轮(39)之间设有主履带(4)，从动轮及摆臂单元(6)的摆臂上设有辅助履带(53)。与隔爆壳体的联接处均采用了隔爆结合面，适用于煤矿井下进行搜救作业。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种机器人平台，特别是一种用于煤矿井下搜救作业的隔爆型机器人平台。
背景技术
目前国内外研制救灾机器人大都集中在地面火灾和地震等自然灾害的救灾，而对于煤矿井下救灾机器人的研制还刚刚起步。煤矿井下环境尤其是瓦斯或煤尘***等灾难之后的环境具有两个显著的特点：(1)地形复杂，属于非结构地形环境；(2)空气充满***性气体，属于具有***性气体的空气环境。因此，必须要求机器人平台具有较好的越障、避障能力和严格的防爆性能。国外，美国智能***和机器人中心开发的RATLER矿井探索机器人，用于灾难后的现场侦查工作；美国南佛罗里达大学研制的Simbot矿井搜索机器人；由Remotec公司制造的V2煤矿救援机器人，大约50英寸高，1200英磅重，使用防爆电动机驱动橡皮履带。安装有导航和监控摄像机、灯、气体传感器和一个机器臂，具有夜视能力和两路语音通讯功能。上述矿井搜救机器人代表了当前国外在该领域的研究现状和发展水平，然而，它们离实际应用的要求还有很大距离。仅从机械结构上讲，RATLER矿井探索机器人的机械结构方面，没有按照适合于矿井环境设计运动***，底盘较低，越障性能一般，没有任何自主避障方面的设计。Simbot是一种体积非常小的机器人，这就决定了它不可能拥有较远的控制范围，只能在较近的范围内进行有线控制，携带的传感器数量也很有限，使用方式非常有限。土拨鼠机器人的自主性和移动性都非常强，但它是为了探测正常矿井地形而设计的试验平台，并不适合用作煤矿搜救。V2机器人进行了防爆设计，但体积略显巨大。而且，上述的机器人除V2机器人外，均没有进行防爆设计，是不允许在含有瓦斯、煤尘的具有***性气体环境的煤矿井下使用的。国内，中国矿业大学可靠性工程与救灾机器人研究所研制的CUMT-I型矿井搜救机器人，是我国第一台用于煤矿救援的机器人。该机器人行走部为双履带式，机动灵活性不够，越障能力不强。目前，国内公告的两项专利申请文献涉及了煤矿搜救机器人，其中申请号为200510027369.2的文献中提供了一种公知的、没有具体实施例的、笼统的机器人方案。申请号为200610150840.1的专利文献中提供了一种适用于煤矿矿井搜索探测的履带式多关节铰接机器人，将机器人根据功能分为若干个模块，各单元模块的外表面都设有履带，通过铰链将各单元连接成为蛇形，这种蛇形机器人具有较高的越障能力，但是没有涉及防爆技术，如果把防爆问题考虑进来，这种方案很难实现。
发明内容
本发明为了克服现有的机器人不适用于非结构地形环境和不具有防爆性能的不足，提供一种用于煤矿井下搜救作业的隔爆型机器人平台，适用于具有非结构地形环境和***性气体环境的煤矿井下。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：它由隔爆外壳，驱动轮单元，从动轮及摆臂单元，行走驱动电机单元和摆臂旋转驱动电机单元构成，驱动轮单元与从动轮及摆臂单元对称设在隔爆外壳的两端，行走驱动电机单元设在隔爆外壳内，且连接驱动轮单元，摆臂旋转驱动电机单元设在隔爆外壳内，且连接从动轮及摆臂单元，驱动轮单元中的驱动轮与从动轮及摆臂单元中的从动轮之间设有主履带，隔爆外壳的中部设有支撑主履带的支撑轮。
所述的隔爆外壳上口为隔爆接合面，隔爆接合面上开有与隔爆壳盖联接的多个螺纹盲孔，隔爆外壳的左右两侧壁上对称设有左右贯通的孔，每个孔的外端面上开有联接螺纹盲孔，隔爆外壳中部两侧设有固定支撑轮的凸台。
所述的驱动轮单元由轴筒、驱动轴、轴套、驱动齿轮、驱动轮，轴承构成，驱动轴设在轴筒的中心孔中，轴套设在驱动轴中部，驱动轮固定在驱动轴的一端，驱动齿轮固定在驱动轴的另一端，轴套与驱动轴之间为一间隙配合的隔爆结合面S1，轴筒与隔爆外壳上的孔之间为一隔爆接合面S2。
所述的轴筒内两端设有支撑驱动轴的轴承，两轴承之间镶嵌与轴筒过盈配合的轴套，且在轴筒与驱动轴之间设有密封圈，与隔爆外壳之间设有密封圈；轴筒上设有将其连接在隔爆外壳上的法兰。
所述的从动轮及摆臂单元由固定有齿轮，摆臂旋转轴、从动轮支座，从动轮，摆臂后带轮，前摆臂侧板，支撑轮和摆臂前带轮构成，固定有齿轮设在摆臂旋转轴的内端，摆臂旋转轴设在从动轮支座内，从动轮设在从动轮支座上，摆臂后带轮位于从动轮的外侧，安装在从动轮支座上，从动轮与摆臂后带轮同轴并连为一体，前摆臂侧板设在摆臂旋转轴的外端部，摆臂前带轮设在前摆臂侧板的前端部，摆臂后带轮与摆臂前带轮上设有辅助履带，支撑轮设在前摆臂侧板中部。
所述从动轮支座的内端镶嵌有与支座过盈配合，并与旋转轴间为一隔爆接合面S3的轴套；所述从动轮支座与隔爆外壳侧板上的安装孔之间设有密封圈，其配合面为一隔爆接合面S4。
所述的行走驱动电机单元与摆臂旋转驱动电机单元均由安装支座、减速电机、传动齿轮组成，减速电机与安装支座联接，减速电机转轴与传动齿轮同轴固联，安装支座上设有用于固定联接孔，安装支座上设有定位通孔。
本发明采用了隔爆外壳，驱动电机单元、蓄电池单元、智能控制单元、将数据采集单元以及通讯单元具放置于隔爆腔内。驱动轮和从动轮处与隔爆壳壁联接的位置均采用了隔爆结构，隔爆外壳与隔爆外壳盖联接处也采用了隔爆结构，解决了机器人的隔爆问题，能使用在煤矿井下环境。本装置在隔爆腔与外界相通的零部件间安装的密封圈可以有效地放置隔爆壳外部的水、气的进入，从而保证了隔爆壳内的电气设备的正常工作，更适应煤矿井下可能出现的泥水路况。通过行走***，能对左右两履带的转向和速度进行独立控制，从而实现了机器人的正向、反向运动和以及灵活的转向运动。两摆臂可以绕轴进行360°的独立旋转，越障能力较强。
附图说明
图1为本发明的立体结构图；
图2为本发明中的隔爆外壳立体结构图；
图3为本发明的平面结构主视图；
图4为本发明的平面结构俯视局图；
图5为图4中I处的局部放大图；
图6为图4中II处的局部放大图；
图7为本发明中的驱动电机单元立体结构图。
图中：1-隔爆外壳，2.隔爆外壳盖，3-驱动轮单元，4-主履带，5-支撑轮，6-从动轮及摆臂单元，7-孔，8-联接螺纹盲孔，9-外端面，10-隔爆接合面，11-螺纹盲孔，12-凸台，13-凸缘，14-行走驱动电机单元，15-摆臂旋转驱动电机单元，16-轴承，17-齿轮，18-轴筒，19-驱动轴，20-轴套，21-轴承，22-密封圈，23-法兰，24-螺钉，25-法兰，26-驱动轮，27-螺钉，28-密封圈，29-轴承，30-齿轮，31-旋转轴，32-轴套，33-密封圈，34-轴承，35-螺钉，36-支座，37-密封圈，38-轴承，39-从动轮，40-螺钉，41-摆臂后带轮，42-密封圈，43-密封垫，44-摆臂侧板，45-支撑轮，46-摆臂前带轮，47-螺钉，48-凸台，49-法兰，50-前带轮轴，51-螺钉，52-长孔，53-辅助履带，54-齿轮，55-安装支座，56-电机减速器单元，57-定位通孔，58-联接孔。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明进一步说明：
图1所示，隔爆外壳1呈左右对称，上方联接了隔爆壳盖2，在隔爆外壳的两侧分别安装了驱动轮单元3和从动轮及摆臂单元6，其中驱动轮和从动轮上安装了主履带4，联接在隔爆外壳1中部的支撑轮5支撑主履带4。
图2为隔爆外壳1的立体结构图，隔爆外壳1采用含镁量不大于6％(重量比)的轻合金整体浇铸、压铸或采用焊接方式加工后，进行精加工而成，在隔爆外壳1上口处加工成隔爆接合面10，其上开有与隔爆壳盖2联接的螺纹盲孔11。在隔爆外壳1的左右两侧壁上设有一对左右贯通的孔7，每个孔的周圈都设有联接螺孔组8，在隔爆外壳1左右两侧的开孔处，安装驱动轮单元3和从动轮与摆臂单元6。为了增加隔爆壳的有效容量，在两侧加工出凸台12。在隔爆外壳上加工螺纹孔处厚度增大，形成凸缘13，螺纹孔没有穿透隔爆外壳壁。隔爆腔内安装了机器人驱动电机单元，并安装了蓄电池单元、智能控制单元、数据采集单元、通讯单元等。
图3、4、5中，驱动轮单元包括轴筒18、驱动轴19、轴套20、驱动齿轮17、驱动带轮26、轴承16、21及联接件，轴筒18中部有凸缘开有通孔，做成法兰23，驱动轴19安装于轴筒18的中心孔之中，轴筒两端安装了轴承21支撑驱动轴19，两轴承之间镶嵌了轴套20，轴套20与轴筒18过盈配合，轴套20与驱动轴19间为间隙配合，轴套20与驱动轴19之间为一隔爆结合面S1。且在轴筒上设有密封圈槽，在轴筒20与驱动轴19间安装了密封圈22。驱动轴的一端设有联接法兰盘25，法兰上设有螺孔与驱动轮26间利用螺钉24联接，驱动轴的另一端与驱动齿轮17固联，齿轮的外侧，在轴端安装了轴承16。驱动轮单元装配好之后，轴筒18安装在隔爆外壳侧壁的孔7中，且在轴筒18与孔7之间安装有密封圈28，孔与轴筒外圆为一隔爆接合面S2，轴筒的法兰23与孔的外端面9，利用螺钉27联接。驱动轮单元安装在隔爆外壳上之后，其驱动齿轮17伸入隔爆壳内部，与安装在隔爆腔内的驱动电机单元14上的齿轮啮合。
图6为从动轮及摆臂单元的结构图，从动轮及摆臂单元6的摆臂旋转轴31安装在从动轮支座36内，并受安装在从动轮支座36里的轴承34支撑，在支座的一端内镶嵌有轴套32，该轴套32与支座36过盈配合，与旋转轴31间隙配合，轴套32与旋转轴31间为一组隔爆接合面S 3。旋转轴31的上固定有齿轮30，其端部安装有轴承29。支座36安装在隔爆外壳1侧板上的孔7内，支座36与孔7之间安装有密封圈33，孔7与支座36外圆之间为一组隔爆接合面S4，支座36上的法兰与孔7外端面9用螺钉35联接。支座37安装在隔爆壳侧板上后，旋转轴31一端的齿轮30伸入隔爆腔内，与固定在隔爆腔内的驱动电机单元15上的齿轮啮合。连接后，从动轮39安装在从动轮支座36上，两者间采用轴承38支撑，且在从动轮轮孔和支座之间安装了密封圈37。从动轮的外侧安装摆臂，摆臂的后带轮41套在支座36上，使用螺钉组40与从动轮39同轴联接，可与从动轮39一起同轴旋转，且在两者之间增加了密封垫43。摆臂旋转轴31的一端穿过后带轮41中间孔伸出后带轮，且轴与后带轮孔之间安装了密封圈42。前摆臂侧板44处于后带轮41外侧，其后端与伸出后带轮的摆臂旋转轴31联接，侧板前端安装有摆臂前带轮47，在后带轮41与前带轮46上安装了辅助履带53，前摆臂侧板44中部对称安装了两支撑轮45，支撑于辅助履带53的中部内侧。前带轮的轴50的一端为一联接法兰49，法兰上由四个长孔，前臂侧板的前端有一长孔52，长孔52的周围形成法兰面，开有螺纹孔，且在该长孔的后侧设有开有螺孔的凸台48，前带轮轴50穿入该长孔52，利用螺钉51将前带轮轴49与侧板44联接。并利用螺钉47拧入凸台48的螺孔，将前带轮轴49顶紧。通过调节螺钉47的旋入量可以对辅助履带53实现张紧。
机器人平台行走部驱动电机单元14和摆臂驱动电机单元15组成相同，其安装方式也相同，摆臂驱动电机单元减速器减速比比行走部驱动电机单元的大。由安装支座55、电机减速器单元56、传动齿轮54组成，电机减速器单元通过联接法兰与安装支座55联接，减速器轴伸出安装支座与传动齿轮54固联。安装支座55上设有联接孔58，安装支座联接法兰面一侧设有定位通孔57，如图7所示。驱动电机单元在安装时，将支座上的定位通孔57套在驱动轴轴端的轴承16或29上，且使得传动齿轮54与驱动轴驱动齿轮16或摆臂旋转轴上的齿轮30啮合，通过底板上的联接孔58与隔爆壳底部的螺孔用螺钉联接。
机器人平台的左右两套的行走***的传动路线为：行走驱动电机单元14→驱动齿轮16→驱动轴19→驱动轮26→主履带4→从动轮39(摆臂后带轮41)→辅助履带53→摆臂前带轮46。机器人前摆臂的转动***的传动路线为：摆臂驱动电机单元15→驱动齿轮30→旋转轴31→摆臂侧板44。
隔爆外壳1，驱动电机单元14、15、蓄电池单元、智能控制单元、数据采集单元以及通讯单元具放置于隔爆腔内。驱动轮单元3和从动轮及摆臂单元6与隔爆壳壁联接的位置均采用了隔爆结构，隔爆外壳与隔爆外壳盖联接处也采用了隔爆结构。主履带4采用同步带的齿形，在同步带的外圈增加了凸台12，以增加主履带4与地面的摩擦系数，同步带采用阻燃橡胶制作，解决了机器人的隔爆问题，可以使用在煤矿井下环境。
Claims (7)
1、一种用于煤矿井下搜救作业的隔爆型机器人平台，其特征在于：它由隔爆外壳(1)，驱动轮单元(3)，从动轮及摆臂单元(6)，行走驱动电机单元(14)和摆臂旋转驱动电机单元(15)构成，驱动轮单元(3)与从动轮及摆臂单元(6)对称设在隔爆外壳(1)的两端，行走驱动电机单元(14)设在隔爆外壳(1)内，且连接驱动轮单元(3)，摆臂旋转驱动电机单元(15)设在隔爆外壳(1)内，且连接从动轮及摆臂单元(6)，驱动轮单元(3)中的驱动轮(26)与从动轮及摆臂单元(6)中的从动轮(39)之间设有主履带(4)，隔爆外壳(1)的中部设有支撑主履带(4)的支撑轮(5)。
2、根据权利要求1所述的用于煤矿井下搜救作业的隔爆型机器人平台，其特征在于：所述的隔爆外壳(1)上口为隔爆接合面(10)，隔爆接合面(10)上开有与隔爆壳盖(2)联接的多个螺纹盲孔(11)，隔爆外壳(1)的左右两侧壁上对称设有左右贯通的孔(7)，每个孔的外端面(9)上开有联接螺纹盲孔(8)，隔爆外壳(1)中部两侧设有固定支撑轮(5)的凸台(12)。
3、根据权利要求1所述的用于煤矿井下搜救作业的隔爆型机器人平台，其特征在于：所述的驱动轮单元(3)由轴筒(18)、驱动轴(19)、轴套(20)、驱动齿轮(17)、驱动轮(26)，轴承(21)构成，驱动轴(19)设在轴筒(18)的中心孔中，轴套(20)设在驱动轴(19)中部，驱动轮(26)固定在驱动轴(19)的一端，驱动齿轮(17)固定在驱动轴(19)的另一端，轴套(20)与驱动轴(19)之间为一间隙配合的隔爆结合面S1，轴筒(18)与隔爆外壳(1)上的孔(7)之间为一隔爆接合面S2。
4、根据权利要求3所述的用于煤矿井下搜救作业的隔爆型机器人平台，其特征在于：所述的轴筒(18)内两端设有支撑驱动轴(19)的轴承(21)，两轴承(21)之间镶嵌与轴筒(18)过盈配合的轴套(20)，且在轴筒(18)与驱动轴(19)之间设有密封圈(22)，与隔爆外壳(1)之间设有密封圈(28)；轴筒(18)上设有将其连接在隔爆外壳(1)上的法兰(23)。
5、根据权利要求1所述的用于煤矿井下搜救作业的隔爆型机器人平台，其特征在于：所述的从动轮及摆臂单元(6)由固定有齿轮(30)，摆臂旋转轴(31)、从动轮支座(36)，从动轮(39)，摆臂后带轮(41)，前摆臂侧板(44)，支撑轮(45)和摆臂前带轮(46)构成，固定有齿轮(30)设在摆臂旋转轴(31)的内端，摆臂旋转轴(31)设在从动轮支座(36)内，从动轮(39)设在从动轮支座(36)上，摆臂后带轮(41)位于从动轮(39)的外侧，安装在从动轮支座(36)上，从动轮(39)与摆臂后带轮(41)同轴并连为一体，前摆臂侧板(44)设在摆臂旋转轴(31)的外端部，摆臂前带轮(46)设在前摆臂侧板(44)的前端部，摆臂后带轮(41)与摆臂前带轮(46)上设有辅助履带(53)，支撑轮(45)设在前摆臂侧板(44)中部。
6、根据权利要求5所述的用于煤矿井下搜救作业的隔爆型机器人平台，其特征在于：所述从动轮支座(36)的内端镶嵌有与支座(36)过盈配合，并与旋转轴(31)间为一隔爆接合面S 3的轴套(32)；所述从动轮支座(36)与隔爆外壳(1)侧板上的安装孔(7)之间设有密封圈(33)，其配合面为一隔爆接合面S4。
7、根据权利要求1所述的用于煤矿井下搜救作业的隔爆型机器人平台，其特征在于：所述的行走驱动电机单元(14)与摆臂旋转驱动电机单元(15)均由安装支座(55)、减速电机(56)、传动齿轮(54)组成，减速电机(56)与安装支座(55)联接，减速电机转轴与传动齿轮(54)同轴固联，安装支座(55)上设有用于固定联接孔(58)，安装支座(55)上设有定位通孔(57)。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080820 |