CN102030047B - 正压型煤矿井下救援探测机器人 - Google Patents

Abstract

一种正压型煤矿井下救援探测机器人，属于机器人技术领域。其结构包括防爆箱体、置于防爆箱体两侧对称的行走机构、置于防爆箱体内的各自独立的驱动机构和工控机、置有各种探测传感器的升降机构及光纤缠绕机构，构成模块化结构，所述的两驱动机构对称安装，均包括第一驱动电机、第二驱动电机、与电机连接的电池、第一、第二正齿轮、从动正齿轮、第一行星减速机和连接轴，第一、第二驱动电机的输出轴上分别套设有第一、第二正齿轮，第一行星减速机的输入轴上套设有同时与第一、第二正齿轮啮合传动的从动正齿轮，第一行星减速机的输出轴与伸出箱体的连接轴相连，在连接轴端连接有驱动轮。本发明采用双电机同时驱动一个输出轴，提高了机器人的功率。

Description

正压型煤矿井下救援探测机器人

技术领域

本发明属于先进制造与自动化技术领域，具体的说是一种适用于煤矿井下正压型救援探测的机器人。

技术背景

目前，我国已成为世界煤炭生产和消耗的第一大国。同时，我国也是发生煤矿安全事故最多的国家，煤矿安全事故造成了严重的财产损失和恶劣的社会影响。由于矿难原因和矿难现场情况不明，救援人员在抢险中遇难的情况时有发生。如果在救援前采用可替代人的自动化设备深入矿井探测矿难位置和矿难现场情况，就能在确保救援人员安全的前提下实施高效率救援，最大限度地减少人员和财产损失。因此研制煤矿救援探测机器人具有很大的必要性。

专利号为200820219992.7的实用新型专利，公开了一种用于矿井下的搜救机器人，其包括防爆外壳、两套对称的行走***、各自独立的摆臂***及控制***，控制***、行走***及摆臂***的传动机构置于防爆外壳内，控制***与驱动机构连接，在所述防爆外壳上方还设置有机械云台及光纤施放装置，光纤施放装置的光纤与控制***连接，机械云台内置传感器组，传感器组及云台驱动板均与控制***电连接。其采用四摆臂独立驱动机构，可精确控制机器人的姿态，提高机器人对复杂地形的适应能力与越障能力。但其结构相对复杂，活动部件较多。第一，活动部件较多对光纤的正常铺设不利；第二，活动部件较多不利于外壳的气密。此外，采用旋转格菜圈会消耗大量功率，影响整体的机械效率。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种正压型煤矿井下救援探测的机器人，它可以在***性气体环境的危险区工作，具有防爆、防尘、防水的性能以及避障、越障、跨越沟渠、爬坡等能力。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括防爆箱体、置于防爆箱体两侧对称的行走机构、置于防爆箱体内的各自独立的驱动机构和工控机、升降机构及光纤缠绕机构，构成模块化结构，所述的升降机构上设有各种探测传感器，工控机分别与驱动机构、各探测传感器相连，光纤一端连于操控端，所述的两驱动机构对称安装，均包括第一驱动电机、第二驱动电机、与电机连接的电池、第一正齿轮、第二正齿轮、从动正齿轮、第一行星减速机和连接轴，第一、第二驱动电机的输出轴上分别套设有第一、第二正齿轮，第一行星减速机的输入轴上套设有同时与第一、第二正齿轮啮合传动的从动正齿轮，第一行星减速机的输出轴与伸出箱体的连接轴相连，在连接轴端连接有驱动轮。

所述的升降机构包括置于防爆箱体内的升降驱动电机、第二行星减速机、伞齿轮系、升降输出轴及置于防爆箱体外的升降杆，第二行星减速机的输入轴与升降驱动电机相连，其输出轴通过伞齿轮传动系与升降输出轴相连，升降输出轴通过安装在箱体壁上的轴承与升降杆连接。其升降杆为倍升式升降杆。在升降机构上的各传感器为一氧化碳、甲烷及氧气传感器，安装于升降杆顶端，其上还设有摄像头。

所述的防爆箱体为正压补偿外壳型，其带有正压装置，所述正压装置包括置于箱体外的高压气瓶、其出口端的总阀和与总阀连接的节流阀，安装在箱体上的排气阀、压差传感器和两个进气阀，两个进气阀分别连接总阀和节流阀，压差传感器与工控机连接，气瓶内充有低温保护气体。其高压气瓶内的低温保护气体为氮气、二氧化碳或氖气。高压气瓶为铝合金内胆纤维全缠绕气瓶。在所述防爆箱体外喷涂有耐高温隔热保温涂料。在防爆箱体内还设有温度传感器，其内的电池外设有防爆壳。

所述的光纤缠绕机构为被动式光纤缠绕盘。

本发明具有如下优点：

1.重量轻。本发明采用正压补偿外壳型防爆形式，按照GB 3836.5-2004的要求进行防爆设计，通过正压装置的设置，对正压外壳内保护气体的泄漏进行补偿，使壳体内保持正压，当箱体内出现欠压时，本发明能够自动断电。本发明的正压外壳型设备较隔爆型设备相比，自身的结构简单，重量大为减轻；且具有防尘、涉水的性能。

2.功率大。由于煤矿井下只能选用镍氢电池，镍氢电池的最高电压为48V。受电压的限制，无法采用高电压大功率电机。本发明每个独立的驱动机构分别采用双电机同时驱动一个输出轴。独立的驱动机构分别驱动左右两个行走机构，提高了机器人的功率。两驱动机构同速时实现前进和后退，差速时实现转弯。

3.由于无线通讯在井下巷道中会受到严重的回波干扰，以及信号的急剧衰减，本发明采用光纤传输替代无线通讯。本发明自带光纤及光纤缠绕机构，在行进过程中被动铺设光缆。

4.箱体安全。在箱体内加装温度传感器，箱体内正压装置可兼做降温装置。当箱体内温度大于设定阈值后，通过释放低温氮气，排出高温氮气实现降温。内电池按照GB3836.2-2000的要求做隔爆设计，在电池外加以隔爆壳，以确保安全。在车箱体外表喷涂耐高温隔热保温涂料，抗外部高温。

5.及时采集和传递信息。将一氧化碳、甲烷、氧气等传感器安装在升降机构的升降杆上，可以采集不同高度的有害气体信息，传输至工控机，由工控机控制整个***的工作。

6.本发明采用模块化设计理念，可以现场组装，方便快捷。具有避障、越障、跨越沟渠、爬坡等能力，可以深入***性气体环境的危险区工作，具有防爆、防尘、防水的性能。

附图说明

图1为装配结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图2中I部放大示意图。

图4为图2中II部放大示意图。

图5为本发明的正压装置结构示意图控制***图。

图6为本发明工控机的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：如图1、图2所示，本发明包括正压外壳型的防爆箱体2、置于防爆箱体两侧对称的行走机构1、置于防爆箱体2内各自独立的驱动机构和工控机、升降机构5及光纤缠绕机构4，构成模块化结构，行走机构1与驱动机构连接，光纤缠绕机构4置于车箱体2上部，独立于车箱体2外；所述的升降机构5上设有各种探测传感器，工控机分别与驱动机构、各探测传感器相连，光纤一端连于操控端，所述的两驱动机构对称安装，分别驱动箱体2两侧的驱动轮10；每一个驱动机构均包括第一驱动电机12、第二驱动电机14、与电机连接的电池、第一正齿轮11、第二正齿轮13、从动正齿轮8、第一行星减速机6和连接轴9，第一驱动电机12的输出轴上套装有第一正齿轮11，第二驱动电机14的输出轴上套装有第二正齿轮13，均通过键连接；第一行星减速机输入轴7上套设有同时与第一正齿轮11和第二正齿轮13啮合传动的从动正齿轮8，通过花键连接，第一行星减速机6的输出轴直接与连接轴9键连，连接轴9由防爆箱体2穿出，通过安装在防爆箱体2侧面的轴承与驱动轮10相连。工控机的型号为研华20521。

行走机构1为左右两侧，均包括：一个驱动轮10，分别与安装在防爆箱体侧面的连接轴9相连；两个承重轮16，分别与安装在防爆箱体底面的轮轴对应相连；驱动轮10与承重轮16通过行走履带15连接安装。

本例的升降机构5包括升降驱动电机21、第二行星减速机20、伞齿轮系、升降输出轴17及升降杆18，升降驱动电机21、第二行星减速机20和伞齿轮系安装在防爆箱体2内部，第二行星减速机20的输入轴与升降驱动电机21相连，第二行星减速机21的输出轴上套设有第一伞齿轮19，通过键连接，升降输出轴17上套设有与第二行星减速机21上第一伞齿轮19啮合传动的第二伞齿轮19’，第二伞齿轮19’的输出轴与升降输出轴17键连，升降输出轴17由防爆箱体2穿出，通过安装在防爆箱体2后壁的轴承与升降杆18相连，升降杆18为沈阳成哲群英专用机械厂生产的TTG II型倍升式升降杆。。升降机构5上的各传感器为一氧化碳、甲烷及氧气传感器，安装于升降杆18顶端，其上还设有摄像头。

本例的防爆箱体2为正压补偿外壳型，其带有正压装置，如图5所示，所述正压装置包括置于防爆箱体2外的高压气瓶22、其出口端的总阀23和与总阀连接的节流阀24，安装在防爆箱体2上的排气阀28、压差传感器26和两个进气阀25、27，两个进气阀25、27分别连接总阀23和节流阀24，压差传感器26与工控机连接，高压气瓶22内充有低温保护气体，为氮气、二氧化碳或氖气。其中高压气瓶22为沈阳斯林达安科新技术有限公司生产的铝合金内胆纤维全缠绕气瓶。防爆箱体2外喷涂有耐高温隔热保温涂料。以保护箱体内部元器件不致因高温无法正常工作。

使用前，手动开启高压气瓶22出口的总阀23，关闭节流阀24，同时开启与总阀23相连的进气阀27，关闭与节流阀24相连的进气阀25，开启向防爆箱体2外部排气的排气阀28，将足量的保护气体通过正压防爆箱体2，使***性混合物浓度降低到下限以下。换气结束后，依次关闭排气阀28、开启节流阀24、关闭与总阀相连的进气阀27。

使用过程中通过压差传感器26，对正压防爆箱体2内外压差进行实时监控。通过控制与节流阀24相连的进气阀25的开闭，对使用过程中正压防爆箱体2内保护气体的泄漏进行补偿，使防爆箱体2内始终保持正压。

当防爆箱体2内温度大于设定阈值时，依次开启与总阀23相连的进气阀27、开启排气阀28，通过释放低温保护气体，实现排气降温。

本例光纤缠绕机构4为被动式光纤缠绕盘，只释放，不回收。电池29为镍氢电池，其外设有隔爆壳，一旦电池本身发生***，也不致带来二次***。

如图6所示，本发明的工作原理及工作过程为：

本发明的运动控制***由镍氢动力电池26和工控机控制部分(本发明的控制***为现有技术)组成，能够对煤矿井下救援探测机器人进行运动控制，以及通过缠绕在光纤缠绕轮盘4上的光纤与控制平台实现数据传输。如图6所示，煤矿井下救援探测机器人工作时，控制***启动，***自检，如果自检发现异常，则电机断电，停止工作；如果自检正常，机器人在原地静止，启动光纤的***，接收遥控指令，如果停止指令，则电机断电，工作结束；如果不停止指令，根据遥控指令使机器人做前进、后退、转弯等动作，并通过光纤传输视频、车体状态等信息。煤矿井下救援探测机器人具体工作过程为：第一驱动电机12、第二驱动电机14接收到工控机的遥控指令后工作，分别带动套设并键连在其输出轴上的第一正齿轮11、第二正齿轮13同速同向旋转，第一正齿轮11和第二正齿轮13同时分别与从动正齿轮8啮合传动，带动与从动正齿轮8键连的减速机输入轴7旋转，从而驱动减速机输入轴7旋转，既而通过行星减速机带动输出轴9旋转，驱动履带15运行。左右两侧履带运行速度相同时，煤矿井下救援探测机器人向前或向后移动，左右两侧履带运行速度不同时，煤矿井下救援探测机器人转弯。四个承重轮10的轮胎为市购产品，为购置于咸阳黄河轮胎橡胶有限公司生产的矿用轮胎，规格5.00-8；两条履带以及两个驱动轮，购置于杭州力维机械有限公司，均为抗静电阻燃材料制成。

升降驱动电机21接收到工控机的遥控指令后工作，通过第二行星减速器20带动套设并键连在行星减速机21的输出轴上的第一伞齿轮19同速旋转，第一伞齿轮19与第二伞齿轮19’啮合传动，带动与第二伞齿轮19’键连的升降输出轴17旋转，既而由升降输出轴17驱动升降杆18进行升降运动。

Claims (9)

1.一种正压型煤矿井下救援探测机器人，包括防爆箱体、置于防爆箱体两侧对称的行走机构、置于防爆箱体内的驱动机构和工控机、升降机构及光纤缠绕机构，构成模块化结构，所述的升降机构上设有探测传感器，工控机分别与驱动机构、各探测传感器相连，光纤一端连于操控端，其特征在于：所述驱动机构为两个、对称安装，分别驱动防爆箱体两侧的驱动轮；两个驱动机构各自独立，均包括第一驱动电机、第二驱动电机、与电机连接的电池、第一正齿轮、第二正齿轮、从动正齿轮、第一行星减速机和连接轴，第一、第二驱动电机的输出轴上分别套设有第一、第二正齿轮，第一行星减速机的输入轴上套设有同时与第一、第二正齿轮啮合传动的从动正齿轮，第一行星减速机的输出轴与伸出箱体的连接轴相连，在连接轴端连接有驱动轮；所述的防爆箱体为正压补偿外壳型，防爆箱体带有正压装置，所述正压装置包括置于箱体外的高压气瓶、高压气瓶出口端的总阀和与总阀连接的节流阀，安装在箱体上的排气阀、压差传感器和两个进气阀，两个进气阀分别连接总阀和节流阀，压差传感器与工控机连接，气瓶内充有低温保护气体。

2.如权利要求1所述的正压型煤矿井下救援探测机器人，其特征在于：所述的升降机构包括置于防爆箱体内的升降驱动电机、第二行星减速机、伞齿轮系、升降输出轴及置于防爆箱体外的升降杆，第二行星减速机的输入轴与升降驱动电机相连，第二行星减速机的输出轴通过伞齿轮系与升降输出轴相连，升降输出轴通过安装在箱体壁上的轴承与升降杆连接。

3.如权利要求2所述的正压型煤矿井下救援探测机器人，其特征在于：所述的升降杆为倍升式升降杆。

4.如权利要求1所述的正压型煤矿井下救援探测机器人，其特征在于：所述升降机构上的各传感器为一氧化碳、甲烷及氧气传感器，安装于升降杆顶端，升降机构上还设有摄像头。

5.如权利要求1所述的正压型煤矿井下救援探测机器人，其特征在于：所述高压气瓶内的低温保护气体为氮气、二氧化碳或氖气。

6.如权利要求1所述的正压型煤矿井下救援探测机器人，其特征在于：所述高压气瓶为铝合金内胆纤维全缠绕气瓶。

7.如权利要求1所述的正压型煤矿井下救援探测机器人，其特征在于：所述的防爆箱体外喷涂有耐高温隔热保温涂料。

8.如权利要求1所述的正压型煤矿井下救援探测机器人，其特征在于：所述的防爆箱体内还设有温度传感器，防爆箱体内的电池外设有隔爆壳。

9.如权利要求1所述的正压型煤矿井下救援探测机器人，其特征在于：所述的光纤缠绕机构为被动式光纤缠绕盘。

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