CN115434747A - 一种煤矿井下多功能重载搬运机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下多功能重载搬运机器人及其控制方法，包括机械臂搬运装置、铲斗搬运装置、装载平台、电控箱和轮式底盘；轮式底盘前端装有深度相机和激光雷达，实时感知机器人周围环境信息，实现机器人的定位与建图；采用机械爪与铲斗协同运输，实现机器人多功能抓取、释放设备过程中的自动化，完成无人化装卸载设备；采用电动缸控制铲斗运动，由控制器自主控制不同电动缸通入电流大小实现电动缸的升降运动；电控箱结构上更加紧凑，实现自主无人驾驶，提高整车承载能力，为井下无人化、连续化辅助运输提供基础。

Description

一种煤矿井下多功能重载搬运机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种搬运机器人，具体涉及一种煤矿井下多功能重载搬运机器人及其控制方法。

背景技术

当前，我国正在大力推进煤矿智能化建设，矿山运输***正逐步由“有人化运输”向“机械化换人”直至“无人化运输”发展。

在煤炭开采运输过程中，主运输设备承载着运输煤炭资源的重要作用，辅助运输设备负责物料、矸石、人员、设备等煤炭以外的所有运输任务，探索发展高效连续化辅助运输设备的技术需求紧迫。重载搬运机器人作为一种井下辅助运输的重要设备，其在巷道内行驶运输，不受轨道的制约，具有很高的灵活性；能够实现自主运输，自动装卸，能够有效减轻井下转运及最后1km运输负担，达到了减人增效的目的，进一步实现了辅助运输连续化；同时重载搬运机器人具有很强的承载能力，能够搬运井下的重型设备，大大减轻了井下工作人员劳动强度。目前，防爆蓄电池重载搬运机器人具有安全性能佳，节能环保无污染，工作噪声小，利于实现完全电控等优点，应用前景十分广阔。传统井下搬运车需要驾驶员在座舱内进行跟车操作，由于管理不规范或驾驶员操作不当等因素，易发生安全事故；同时由于巷道通风条件差，柴油机尾气污染对驾驶人员也会造成健康问题。因此，防爆蓄电池重载搬运机器人驾驶技术已成为研究的热点。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种煤矿井下多功能重载搬运机器人及其控制方法， 以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种煤矿井下多功能重载搬运机器人，包括轮式底盘、机械臂搬运装置、铲斗搬运装置、电控箱和装载平台；装载平台设置在轮式底盘中部上方，机械臂搬运装置设置在轮式底盘后部上方，铲斗搬运装置设置在轮式底盘前端，电控箱设置在轮式底盘侧面；

轮式底盘包括底盘、驱动轮、驱动电机、转向电机、转向拉杆和制动装置，驱动轮设置在底盘下方，驱动电机、转向电机和制动装置安装在底盘内，两个后驱动轮上设有制动装置，转向拉杆安装在底盘前端两驱动轮中间，转向拉杆一端与两转向轮连接，另一端与转向电机连接，底盘的前端左右两侧分别设置第一深度相机、第二激光雷达和第二深度相机、第一激光雷达、红外线传感器、井下瓦斯传感器，底盘的中部左右两侧面分别设有第一毫米波雷达、第三深度相机和第二毫米波雷达、第四深度相机；

机械臂搬运装置包括机械臂大臂、机械臂小臂、机械臂底座、末端保持器、大臂连杆、机械爪、第一防爆电机和第二防爆电机；机械臂大臂底端与机械臂底座连接，机械臂大臂顶端与机械臂小臂前部铰接，第一防爆电机和第二防爆电机设置在机械臂底座上且分别位于机械臂大臂左右两侧；第二防爆电机上装有机械大臂曲柄，第一平行四边形连杆的顶端与三角架的一个角铰接，第二平行四边形连杆连接的前端与三角架的一个角铰接，三角架的另一个角与机械臂大臂铰接，第一平行四边形连杆的底端与机械臂底座铰接，第二平行四边形连杆连接后端与机械小臂铰接；

大臂连杆顶端与机械臂小臂的前端铰接，大臂连杆底端与第二防爆电机连接；机械臂小臂后端下方设有末端保持器，末端保持器下方设有第五深度相机和机械爪电动机，机械爪与机械爪电动机连接；

铲斗搬运装置包括铲斗大臂、铲斗、第一电动缸、翻转机构中心轴、倾翻机构连杆、倾翻机构杠杆、第二电动缸和第三电动缸；第一电动缸设置在轮式底盘上，翻转机构中心轴设置在轮式底盘前部，铲斗大臂有两个且位于铲斗的左右两端，两个铲斗大臂的前端分别与铲斗后端面铰接，两个铲斗大臂的后端分别与第二电动缸、第三电动缸铰接，倾翻机构杠杆中部与翻转机构中心轴铰接，倾翻机构杠杆的后端、前端分别与第一电动缸、倾翻机构连杆铰接，倾翻机构连杆的另一端与铲斗后端面铰接；

驱动电机、转向电机、制动装置、第一电动缸、第二电动缸、第三电动缸、第一深度相机、第二深度相机、井下气体浓度检测传感器、第一毫米波雷达、第二毫米波雷达、第三深度相机、第四深度相机、第五深度相机、红外检测传感器、第一激光雷达、第二激光雷达与电控箱连接。

进一步的，所述电控箱的箱体侧面设置无线信号收发单元，箱体内部设有主控制器、驱动控制器、制动控制器、电动缸控制器、机械臂控制器、整车监测装置、防爆蓄电池、转向控制器、检测预警控制器、惯导、感知信息处理单元和启停控制器；无线信号收发单元、启停控制器、驱动控制器、制动控制器、电动缸控制器、机械臂控制器、感知信息处理单元、转向控制器、检测预警控制器、惯导均与主控制器电连接；

第一激光雷达、第二激光雷达、无线信号收发单元、井下气体浓度检测传感器、第一毫米波雷达、第二毫米波雷达、第二深度相机、第三深度相机、第一深度相机、第四深度相机、红外检测传感器、第五深度相机和数据存储单元均与感知信息处理单元连接；驱动电机与驱动控制器连接；转向电机与转向控制器连接；制动装置与制动控制器连接；第一电动缸、第二电动缸和第三电动缸均与电动缸控制器连接；第一防爆电机、第二防爆电机、机械爪电机均与机械臂控制器连接；整车监测装置与检测预警控制器连接。

进一步的，所述驱动电机、转向电机、第一深度相机、第二深度相机、井下气体浓度检测传感器、第一毫米波雷达、第二毫米波雷达、第三深度相机、第四深度相机、第五深度相机、红外检测传感器、第一激光雷达、第二激光雷达、数据存储单元、无线信号收发单元、主控制器、驱动控制器、制动控制器、电动缸控制器、转向控制器、机械臂控制器、整车监测装置、检测预警控制器、惯导、感知信息处理单元均与防爆蓄电池电连接。

进一步的，所述底盘的前端左右两侧分别设有车灯和扬声器，车灯和扬声器均与检测预警控制器连接。

一种煤矿井下多功能重载搬运机器人控制方法，

环境感知：第一激光雷达、第二激光雷达、第一毫米波雷达和第二毫米波雷达感知多功能重载搬运机器人周围的环境信息，将获取周围环境的障碍物信息、道路信息传送给感知信息处理单元；

定位及路径规划：感知信息处理单元将收到的周围环境的障碍物信息、道路信息进行信息融合处理，并将处理后的环境信息与井下高精度slam栅格地图进行匹配，利用slam定位算法确定多功能重载搬运机器人的当前位置，感知信息处理单元再把当前位置发送给主控制器；

主控制器将接收到的当前位置信息结合井下高精度slam栅格地图，通过全局路径规划算法，在井下高精度slam栅格地图上规划一条从当前位置到井下货物搬运位置的路径；

行驶控制：主控制器规划好路径后再通过其设置好的轨迹跟踪算法，对路径上的行驶速度、行驶方向和行驶时间信息进行规划，主控制器并把路径上规划好的行驶速度信息和行驶时间信息发送给驱动控制器，把行驶方向信息发送给转向控制器；

驱动控制器控制驱动电机达到主控制器要求的速度，转向控制器控制转向电机达到主控制器要求的转向角度，多功能重载搬运机器人沿着规划轨迹行驶，一直行驶到此次规划路径的终点；

货物装运：多功能重载搬运机器人到达货物搬运位置后，第一深度相机和第二深度相机对货物信息进行采集，并将采集到的货物信息传送给感知信息处理单元，感知信息处理单元对货物信息中的大于1吨的大体重货物信息和小于1吨的小体重货物信息进行识别，并把处理好的货物信息发送给主控制器，主控制器依据“大体重货物优先原则”对货物进行搬运，主控制器控制铲斗装置对大体重货物进行搬运，主控制器控制机械臂搬运装置对小体重货物搬运，当第一深度相机、第二深度相机和第五深度相机检测到装载货物重量达到多功能重载搬运机器人的装载极限，主控制器控制机械臂搬运装置或铲斗装置停止装载；然后主控制器再规划一条从当前位置到井下货物卸载位置的路径，多功能重载搬运机器人按照路径将货物运输到货物卸载位置；

主控制器控制电动缸控制器工作，电动缸控制器根据主控制器指令转换为所需电流大小和电机正反转信息分别输出给第一电动缸、第二电动缸和第三电动缸，第一电动缸、第二电动缸和第三电动缸依据电流大小决定电动缸升降程度，依据电机正反转信息完成电动缸的上升或下降；

主控制器控制机械臂控制器工作，机械臂控制器接收到主控制器目标抓取指令，转换为所需电流大小和电机正反转信息分别输出给第一防爆电机、第二防爆电机和机械爪电机，机械爪电机依据电流大小决定机械爪开闭程度，第一防爆电机、第二防爆电机依据电机正反转信息完成机械臂小臂和机械臂大臂的上升或下降；

货物卸载：多功能重载搬运机器人到达货物卸载位置后，第一深度相机和第二深度相机对井下货物卸载点的货物放置位置信息进行采集，并把采集到的信息发送给感知信息处理单元，感知信息处理单元将货物放置位置信息处理为大体重货物放置位置信息和小体重货物放置位置信息，并把处理好的信息发送给主控制器，主控制器依据“大体重货物优先原则”对货物进行卸载，针对大体重货物放置位置信息，主控制器控制铲斗装置实现对大体重货物进行卸载，将大体重卸载到指定大体重放置位置，针对小体重货物放置位置信息，主控制器控制机械臂搬运装置实现对小体重货物卸载，将小体重卸载到指定小体重放置位置，当第一深度相机、第二深度相机和第五深度相机检测到装载货物被多功能重载搬运机器人卸载完毕，主控制器控制机械臂搬运装置或铲斗装置停止卸载。

进一步的，所述的多功能重载搬运机器人沿着轨迹行驶过程中，主控制器实时接收各传感器传输的信息并进行实时处理，若在多功能重载搬运机器人的行驶轨迹上检测到障碍物，主控制器将发送指令给驱动控制器和制动控制器，驱动控制器解析指令控制驱动电机转速为零，制动控制器解析指令控制制动装置制动驱动轮，多功能重载搬运机器人停止行驶；主控制器针对障碍物在井下高精度slam栅格地图上进行局部路径规划，规划的局部路径起点是多功能重载搬运机器人的当前位置，终点是全局路径与障碍物的交点，绕过障碍物完成局部轨迹行驶后将继续沿着全局轨迹继续前行。

进一步的，所述的井下气体浓度检测传感器将检测瓦斯浓度经感知信息处理单元处理后传输至主控制器，在主控制器内将检测数值与瓦斯安全阈值进行对比，若大于或等于安全阈值，则主控制器控制多功能重载搬运机器人停止启动或者停止行驶、进行制动，并向地面反馈；

红外检测传感器将检测巷道温度经感知信息处理单元处理后传输至主控制器，在主控制器内将检测数值与巷道温度安全阈值进行对比，若大于或等于安全阈值，则主控制器控制多功能重载搬运机器人停止启动或者停止行驶、进行制动，并向地面反馈；

整车监测装置将监测数值传输至检测预警控制器，通过对比安全阈值，若大于或等于安全阈值，则反馈给主控制器，主控制器控制多功能重载搬运机器人停止启动或者停止行驶、进行制动，并向地面反馈。

与现有技术相比，本发明在结构上采用无座舱式，取消了原有座舱，减轻了设备质量，提高了多功能重载搬运机器人载重能力；将原有手动操作杆和手动操作按钮全部取消，采用集成化的电控装置自主智能操作和地面人员操作结合，实现真正意义上的无人驾驶多功能重载搬运机器人；采用机械臂与铲斗相结合实现多功能搬运功能；采用多种传感器元件实现多功能重载搬运机器人的周围环境感知；使得了多功能重载搬运机器人结构紧凑、搬运功能更好。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明机械臂搬运装置结构示意图；

图3为本发明结构及传感器安装侧视示意图；

图4为本发明驱动轮内部连接示意图；

图5为本发明转向轮内部连接示意图；

图6为本发明电动缸安装示意图；

图7为本发明电控箱内部结构示意图；

图8为本发明控制原理框图；

图中：1、轮式底盘，101、底盘，102、驱动轮，103、驱动电机，104、转向电机，105、制动装置，106、第一深度相机，107、第二深度相机，108、第一激光雷达，109、第二激光雷达，110、井下瓦斯传感器，111、第一毫米波雷达，112、第二毫米波雷达，113、第三深度相机，114、第四深度相机，115、红外线传感器，116、转向拉杆，117、第二扬声器，118、第一扬声器，119、车灯，2、机械臂搬运装置，201、机械大臂，202、机械小臂，203、机械臂底座，204、末端保持器，205、机械爪，206、第一防爆电机，207、第二防爆电机，208、机械大臂曲柄，209、大臂连杆，210、第一平行四边形连杆，211、三角架，212、第二平行四边形连杆，213、机械爪电动机，214、第五深度相机，3、铲斗搬运装置，301、铲斗大臂，302、铲斗，303、第一电动缸，304、翻转机构中心轴，305、倾翻机构连杆，306、倾翻机构杠杆，307、第二电动缸，308、第三电动缸，4、电控箱，401、无线信号收发单元，402、主控制器，403、驱动控制器，404、制动控制器，405、电动缸控制器，406、机械臂控制器，407、整车监测控制器，408、防爆蓄电池，409、转向控制器，410、检测预警控制器，411、惯导，412、感知信息处理单元，413、启停控制器，414、数据存储单元，5、装载平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图6所示，本发明提供一种技术方案：包括轮式底盘1、机械臂搬运装置2、铲斗搬运装置3、电控箱4和装载平台5；装载平台5设置在轮式底盘1中部上方，机械臂搬运装置2设置在轮式底盘1后部上方，铲斗搬运装置3设置在轮式底盘1前端，电控箱4设置在轮式底盘1侧面。

轮式底盘1包括底盘101、驱动轮102、驱动电机103、转向电机104、转向拉杆116和制动装置105，驱动轮102设置在底盘101下方，驱动电机103、转向电机104和制动装置105安装在底盘101内，两个后驱动轮102上设有制动装置105，转向拉杆116安装在底盘前端两驱动轮102中间，转向拉杆116一端与两转向轮连接，另一端与转向电机104连接，底盘101的前端左右两侧分别设置第一深度相机106、第二激光雷达109和第二深度相机107、第一激光雷达108、红外线传感器115、井下瓦斯传感器110，底盘101的中部左右两侧面分别设有第一毫米波雷达111、第三深度相机113和第二毫米波雷达112、第四深度相机114。

如图2所示，机械臂搬运装置2包括机械臂大臂201、机械臂小臂202、机械臂底座203、末端保持器204、大臂连杆209、机械爪205、第一防爆电机206和第二防爆电机207；机械臂大臂201底端与机械臂底座203连接，机械臂大臂201顶端与机械臂小臂202前部铰接，第一防爆电机206和第二防爆电机207设置在机械臂底座203上且分别位于机械臂大臂201左右两侧；第二防爆电机207上装有机械大臂曲柄208，第一平行四边形连杆210的顶端与三角架211的一个角铰接，第二平行四边形连杆连接212的前端与三角架211的一个角铰接，三角架211的另一个角与机械臂大臂201铰接，第一平行四边形连杆210的底端与机械臂底座203铰接，第二平行四边形连杆连接212后端与机械小臂202铰接；大臂连杆209顶端与机械臂小臂202的前端铰接，大臂连杆209底端与第二防爆电机207连接；机械臂小臂202后端下方设有末端保持器204，末端保持器204下方设有第五深度相机214和机械爪电动机213，机械爪205与机械爪电动机213连接。

机械臂搬运装置2抓取运动：第五深度相机214将检测到的小体重物体信息发送给感知信息处理单元412，感知信息处理单元412接收并处理检测信息，再将处理后的信息发送给主控制器402，主控制器402接收到处理后的检测信息，通过相关的机械臂运动规划算法规划机械臂抓取物体的运动空间轨迹，并将相关的运动控制指令发送给机械臂控制器406，机械臂控制器406接收且解析主控制器402发来的运动控制指令，控制第一防爆电机206带动机械大臂201升降运动，第二防爆电机207通过带动大臂连杆209带动机械小臂202升降运动，机械爪电动机213带动机械爪205开闭运动抓取物体，实现机械臂到达指定空间位置并成功抓取小体重物体；

机械臂搬运装置2放物运动：第五深度相机214将抓取小体重物体的信息发送给感知信息处理单元412，感知信息处理单元412接收并处理检测信息，再将处理后的信息发送给主控制器402，主控制器402接收到处理后的检测信息，通过相关的机械臂运动规划算法规划机械臂抓取物体的运动空间轨迹，并将相关的运动控制指令发送给机械臂控制器406，机械臂控制器406接收且解析主控制器402发来的运动控制指令，控制第一防爆电机206带动机械大臂201升降运动，第二防爆电机207通过带动大臂连杆209带动机械小臂202升降运动，机械爪电动机213带动机械爪205开闭运动抓取物体，实现机械臂到达指定空间位置并成功将抓取的小体重物体放置到装载平台5。

铲斗搬运装置3包括铲斗大臂301、铲斗302、第一电动缸303、翻转机构中心轴304、倾翻机构连杆305、倾翻机构杠杆306、第二电动缸307和第三电动缸308；第一电动缸303设置在轮式底盘1上，翻转机构中心轴304设置在轮式底盘1前部，铲斗大臂301有两个且位于铲斗302的左右两端，两个铲斗大臂301的前端分别与铲斗302后端面铰接，两个铲斗大臂301的后端分别与第二电动缸307、第三电动缸308铰接，倾翻机构杠杆306中部与翻转机构中心轴304铰接，倾翻机构杠杆306的后端、前端分别与第一电动缸303、倾翻机构连杆305铰接，倾翻机构连杆305的另一端与铲斗302后端面铰接；

铲斗搬运装置3装载运动：第一深度相机106和第二深度相机107将检测到的大体重物体信息发送给感知信息处理单元412，感知信息处理单元412接收并处理检测信息，再将处理后的信息发送给主控制器402，主控制器402接收到处理后的检测信息，并生成相关的控制指令发送给电动缸控制器405，电动缸控制器405接收且解析指令，控制第一电动缸303通过倾翻机构杠杆306和倾翻机构连杆305带动铲斗302翻转运动，控制第二电动缸307和第三电动缸308通过铲斗大臂301带动铲斗302升降运动，实现铲斗302装载大体重物体；

铲斗搬运装置3卸载运动：第一深度相机106和第二深度相机107将检测到的大体重物体卸载位置信息发送给感知信息处理单元412，感知信息处理单元412接收并处理检测信息，再将处理后的信息发送给主控制器402，主控制器402接收到处理后的检测信息，并生成相关的控制指令发送给电动缸控制器405，电动缸控制器405接收且解析指令，控制第一电动缸303通过倾翻机构杠杆306和倾翻机构连杆305带动铲斗302翻转运动，控制第二电动307缸和第三电动缸308通过铲斗大臂301带动铲斗302升降运动，实现铲斗302卸载大体重物体到指定位置。

如图7所示，电控箱4的箱体侧面设置无线信号收发单元401，箱体内部设有主控制器402、驱动控制器403、制动控制器404、电动缸控制器405、机械臂控制器406、整车监测装置407、防爆蓄电池408、转向控制器409、检测预警控制器410、惯导411、感知信息处理单元412和启停控制器413；无线信号收发单元401、启停控制器413、驱动控制器403、制动控制器404、电动缸控制器405、机械臂控制器406、感知信息处理单元412、转向控制器409、检测预警控制器410、惯导411均与主控制器402电连接；主控制器402通过无线信号收发单元401将当前多功能重载搬运机器人行驶状态反馈至地面；多功能搬运重载机器人行驶过程运行状态信息、巷道内温度信息、巷道内瓦斯浓度信息、各传感器检测数据、行车记录数据等所有数据均记录在数据存储单元414内。

第一激光雷达108、第二激光雷达109、无线信号收发单元401、井下气体浓度检测传感器110、第一毫米波雷达111、第二毫米波雷达112、第二深度相机107、第三深度相机113、第一深度相机106、第四深度相机114、红外检测传感器115、第五深度相机214和数据存储单元414均与感知信息处理单元412连接；驱动电机103与驱动控制器403连接；转向电机104与转向控制器409连接；制动装置105与制动控制器404连接；第一电动缸303、第二电动缸307和第三电动缸308均与电动缸控制器405连接；第一防爆电机206、第二防爆电机207、机械爪电机213均与机械臂控制器406连接；整车监测装置407与检测预警控制器410连接。

驱动电机103、转向电机104、制动装置105、第一电动缸303、第二电动缸307、第三电动缸308、第一深度相机106、第二深度相机107、井下气体浓度检测传感器110、第一毫米波雷达111、第二毫米波雷达112、第三深度相机113、第四深度相机114、第五深度相机214、红外检测传感器115、第一激光雷达108、第二激光雷达109与电控箱4连接。驱动电机103、转向电机104、第一深度相机106、第二深度相机107、井下气体浓度检测传感器110、第一毫米波雷达111、第二毫米波雷达112、第三深度相机113、第四深度相机114、第五深度相机214、红外检测传感器115、第一激光雷达108、第二激光雷达109、数据存储单元414、无线信号收发单元401、主控制器402、驱动控制器403、制动控制器404、电动缸控制器405、转向控制器409、机械臂控制器406、整车监测装置407、检测预警控制器410、惯导411、感知信息处理单元412均与防爆蓄电池408电连接。

如图8所示，启动控制：按下启动控制器413，防爆蓄电池408开始供电给多功能重载搬运机器人，多功能重载搬运机器人处于启动状态。

环境感知：第一激光雷达108、第二激光雷达109、第一毫米波雷达111和第二毫米波雷达112感知多功能重载搬运机器人周围的环境信息，第一激光雷达108和第二激光雷达109感知多功能重载搬运机器人前方环境信息，第一毫米波雷达111和第二毫米波雷达112感知多功能重载搬运机器人左右两侧环境信息，将获取周围环境的障碍物信息、道路信息传送给感知信息处理单元412，惯导411用于调整机器人位姿；第三深度相机113和第四深度相机114实时检测行驶方向左右两侧障碍物距离。

定位及路径规划：感知信息处理单元412将收到的周围环境的障碍物信息、道路信息进行信息融合处理，并将处理后的环境信息与井下高精度slam栅格地图进行匹配，利用slam定位算法确定多功能重载搬运机器人的当前位置，感知信息处理单元412再把当前位置发送给主控制器402；主控制器402将接收到来自感知信息处理单元412的当前位置信息结合井下高精度slam栅格地图，通过全局路径规划算法，在井下高精度slam栅格地图上规划一条从当前位置到井下货物搬运位置的路径。

行驶控制：主控制器402规划好路径后再通过其设置好的轨迹跟踪算法，对路径上的行驶速度、行驶方向和行驶时间信息进行规划，主控制器402并把路径上规划好的行驶速度信息和行驶时间信息发送给驱动控制器403，把行驶方向信息发送给转向控制器409；驱动控制器403控制驱动电机103达到主控制器402要求的速度，转向控制器403控制转向电机104达到主控制器402要求的转向角度，多功能重载搬运机器人沿着规划轨迹行驶，一直行驶到此次规划路径的终点，也就是井下货物搬运点。

货物装运：多功能重载搬运机器人到达货物搬运位置后，第一深度相机106和第二深度相机107对货物信息进行采集，并将采集到的货物信息传送给感知信息处理单元412，感知信息处理单元412对货物信息中的大于1吨的大体重货物信息和小于1吨的小体重货物信息进行识别，并把处理好的货物信息发送给主控制器402，主控制器402依据“大体重货物优先原则”对货物进行搬运，

针对大体重货物，主控制器402控制铲斗装置3实现对大体重货物进行搬运，主控制器402向电动缸控制器405下达控制指令控制电动缸控制器405工作，电动缸控制器405根据主控制器402指令转换为所需电流大小和电机正反转信息分别输出给第一电动缸303、第二电动缸307和第三电动缸308，第一电动缸303、第二电动缸307和第三电动缸308依据电流大小决定电动缸升降程度，依据电机正反转信息完成电动缸的上升或下降；针对小体重货物，主控制器402控制机械臂搬运装置2实现对小体重货物搬运，主控制器402向机械臂控制器406下达控制指令控制机械臂控制器406工作，机械臂控制器406接收到主控制器402目标抓取指令，转换为所需电流大小和电机正反转信息分别输出给第一防爆电机206、第二防爆电机207和机械爪电机213，机械爪电机213依据电流大小决定机械爪205开闭程度，第一防爆电机206、第二防爆电机207依据电机正反转信息完成机械臂小臂202和机械臂大臂201的上升或下降；当第一深度相机106、第二深度相机107和第五深度相机214检测到装载货物重量达到多功能重载搬运机器人的装载极限，主控制器402控制机械臂搬运装置2或铲斗装置3停止装载；然后主控制器402再规划一条从当前位置到井下货物卸载位置的路径，多功能重载搬运机器人按照路径将货物运输到货物卸载位置。

如图8所示，货物卸载：多功能重载搬运机器人到达货物卸载位置后，第一深度相机106和第二深度相机107对井下货物卸载点的货物放置位置信息进行采集，并把采集到的货物放置位置信息发送给感知信息处理单元412，感知信息处理单元412将货物放置位置信息处理为大体重货物放置位置信息和小体重货物放置位置信息，并把处理好的信息发送给主控制器402，主控制器402依据“大体重货物优先原则”对货物进行卸载，针对大体重货物放置位置信息，主控制器402控制铲斗装置3实现对大体重货物进行卸载，将大体重卸载到指定大体重放置位置，针对小体重货物放置位置信息，主控制器402控制机械臂搬运装置2实现对小体重货物卸载，将小体重卸载到指定小体重放置位置，当第一深度相机106、第二深度相机107和第五深度相机214检测到装载货物被多功能重载搬运机器人卸载完毕，主控制器402控制机械臂搬运装置2或铲斗装置3停止卸载。

多功能重载搬运机器人沿着轨迹行驶过程中，主控制器402实时接收各传感器传输的信息并进行实时处理，若在多功能重载搬运机器人的行驶轨迹上检测到障碍物，主控制器402将发送指令给驱动控制器403和制动控制器404，驱动控制器403解析指令控制驱动电机103转速为零，制动控制器404解析指令控制制动装置105制动驱动轮102，多功能重载搬运机器人停止行驶；主控制器402针对障碍物在井下高精度slam栅格地图上进行局部路径规划，规划的局部路径起点是多功能重载搬运机器人的当前位置，终点是距多功能重载搬运机器人最远的全局路径与障碍物的交点，规划好的局部路径能有效绕过障碍物，主控制器402再通过其设置好的轨迹跟踪算法，对局部路径上的行驶速度、行驶方向和行驶时间信息进行规划，主控制器402并把局部路径上规划好的行驶速度信息和行驶时间信息发送给驱动控制器403，把行驶方向信息发送给转向控制器403，驱动控制器403控制驱动电机103转速，转向控制器403控制转向电机104转向角度，多功能重载搬运机器人沿着局部轨迹行驶，绕过障碍物完成局部轨迹行驶后将继续沿着全局轨迹继续前行。

在主控制器402中设置多功能重载搬运机器人沿着规划轨迹行驶时其几何中心与轨迹线的最短距离为D1，第一激光雷达108和第二激光雷达109实时检测多功能重载搬运机器人的几何中心位置并传输至感知信息处理单元412，感知信息处理单元412处理后得到多功能重载搬运机器人的几何中心位置与轨迹线的的最短距离d1并发送给主控制器402，与设定的值D1进行比较；

当d1<D1，多功能重载搬运机器人正常行驶，主控制器402把路径上规划好的行驶速度信息和行驶时间信息发送给驱动控制器403，把行驶方向信息发送给转向控制器403，驱动控制器403接收到来自主控制器402的行驶度速和行驶时间信息，转向控制器403接收到来自主控制器402的行驶方向信息，驱动控制器403通电给驱动电机103达到主控制器要求的速度，转向控制器403通电给转向电机104达到主控制器402要求的转向角度；当d1>D1，多功能重载搬运机器人的行驶偏离轨迹，主控制器402向驱动控制器403、转向控制器403发送指令，驱动控制器403解析指令控制驱动电机103减小转速，转向控制器403解析指令控制转向电机104转向正确角度，纠正多功能重载搬运机器人行驶偏离轨迹的行为，多功能重载搬运机器人将沿规划轨迹正确行驶。

井下气体浓度检测传感器110将检测瓦斯浓度经感知信息处理单元412处理后传输至主控制器402，在主控制器402内将检测数值与瓦斯安全阈值进行对比，若大于或等于安全阈值，则主控制器402控制多功能重载搬运机器人停止启动或者停止行驶、进行制动，并向地面反馈；红外检测传感器115将检测巷道温度经感知信息处理单元412处理后传输至主控制器402，在主控制器402内将检测数值与巷道温度安全阈值进行对比，若大于或等于安全阈值，则主控制器402控制多功能重载搬运机器人停止启动或者停止行驶、进行制动，并向地面反馈；整车监测装置407将监测数值传输至检测预警控制器410，通过对比安全阈值，若大于或等于安全阈值，则反馈给主控制器402，主控制器402向检测预警控制器410下达报警指令，检测预警控制器410控制车灯119闪烁、扬声器声音报警，扬声器包括第二扬声器117和第一扬声器118；主控制器402控制多功能重载搬运机器人停止启动或者停止行驶、进行制动，并向地面反馈。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种煤矿井下多功能重载搬运机器人，包括轮式底盘（1）、机械臂搬运装置（2）、铲斗搬运装置（3）、电控箱（4）和装载平台（5）；装载平台（5）设置在轮式底盘（1）中部上方，机械臂搬运装置（2）设置在轮式底盘（1）后部上方，铲斗搬运装置（3）设置在轮式底盘（1）前端，电控箱（4）设置在轮式底盘（1）侧面；其特征在于，

轮式底盘（1）包括底盘（101）、驱动轮（102）、驱动电机（103）、转向电机（104）、转向拉杆（116）和制动装置（105），驱动轮（102）设置在底盘（101）下方，驱动电机（103）、转向电机（104）和制动装置（105）安装在底盘（101）内，两个后驱动轮（102）上设有制动装置（105），转向拉杆（116）安装在底盘前端两驱动轮（102）中间，转向拉杆（116）一端与两转向轮连接，另一端与转向电机（104）连接，底盘（101）的前端左右两侧分别设置第一深度相机（106）、第二激光雷达（109）和第二深度相机（107）、第一激光雷达（108）、红外线传感器（115）、井下瓦斯传感器（110），底盘（101）的中部左右两侧面分别设有第一毫米波雷达（111）、第三深度相机（113）和第二毫米波雷达（112）、第四深度相机（114）；

机械臂搬运装置（2）包括机械臂大臂（201）、机械臂小臂（202）、机械臂底座（203）、末端保持器（204）、大臂连杆（209）、机械爪（205）、第一防爆电机（206）和第二防爆电机（207）；机械臂大臂（201）底端与机械臂底座（203）连接，机械臂大臂（201）顶端与机械臂小臂（202）前部铰接，第一防爆电机（206）和第二防爆电机（207）设置在机械臂底座（203）上且分别位于机械臂大臂（201）左右两侧；第二防爆电机（207）上装有机械大臂曲柄（208），第一平行四边形连杆（210）的顶端与三角架（211）的一个角铰接，第二平行四边形连杆连接（212）的前端与三角架（211）的一个角铰接，三角架（211）的另一个角与机械臂大臂（201）铰接，第一平行四边形连杆（210）的底端与机械臂底座（203）铰接，第二平行四边形连杆连接（212）后端与机械小臂（202）铰接；

大臂连杆（209）顶端与机械臂小臂（202）的前端铰接，大臂连杆（209）底端与第二防爆电机（207）连接；机械臂小臂（202）后端下方设有末端保持器（204），末端保持器（204）下方设有第五深度相机（214）和机械爪电动机（213），机械爪（205）与机械爪电动机（213）连接；

铲斗搬运装置（3）包括铲斗大臂（301）、铲斗（302）、第一电动缸（303）、翻转机构中心轴（304）、倾翻机构连杆（305）、倾翻机构杠杆（306）、第二电动缸（307）和第三电动缸（308）；第一电动缸（303）设置在轮式底盘（1）上，翻转机构中心轴（304）设置在轮式底盘（1）前部，铲斗大臂（301）有两个且位于铲斗（302）的左右两端，两个铲斗大臂（301）的前端分别与铲斗（302）后端面铰接，两个铲斗大臂（301）的后端分别与第二电动缸（307）、第三电动缸（308）铰接，倾翻机构杠杆（306）中部与翻转机构中心轴（304）铰接，倾翻机构杠杆（306）的后端、前端分别与第一电动缸（303）、倾翻机构连杆（305）铰接，倾翻机构连杆（305）的另一端与铲斗（302）后端面铰接；

驱动电机（103）、转向电机（104）、制动装置（105）、第一电动缸（303）、第二电动缸（307）、第三电动缸（308）、第一深度相机（106）、第二深度相机（107）、井下气体浓度检测传感器（110）、第一毫米波雷达（111）、第二毫米波雷达（112）、第三深度相机（113）、第四深度相机（114）、第五深度相机（214）、红外检测传感器（115）、第一激光雷达（108）、第二激光雷达（109）与电控箱（4）连接。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下多功能重载搬运机器人，其特征在于，所述电控箱（4）的箱体侧面设置无线信号收发单元（401），箱体内部设有主控制器（402）、驱动控制器（403）、制动控制器（404）、电动缸控制器（405）、机械臂控制器（406）、整车监测装置（407）、防爆蓄电池（408）、转向控制器（409）、检测预警控制器（410）、惯导（411）、感知信息处理单元（412）和启停控制器（413）；无线信号收发单元（401）、启停控制器（413）、驱动控制器（403）、制动控制器（404）、电动缸控制器（405）、机械臂控制器（406）、感知信息处理单元（412）、转向控制器（409）、检测预警控制器（410）、惯导（411）均与主控制器（402）电连接；

第一激光雷达（108）、第二激光雷达（109）、无线信号收发单元（401）、井下气体浓度检测传感器（110）、第一毫米波雷达（111）、第二毫米波雷达（112）、第二深度相机（107）、第三深度相机（113）、第一深度相机（106）、第四深度相机（114）、红外检测传感器（115）、第五深度相机（214）和数据存储单元（414）均与感知信息处理单元（412）连接；驱动电机（103）与驱动控制器（403）连接；转向电机（104）与转向控制器（409）连接；制动装置（105）与制动控制器（404）连接；第一电动缸（303）、第二电动缸（307）和第三电动缸（308）均与电动缸控制器（405）连接；第一防爆电机（206）、第二防爆电机（207）、机械爪电机（213）均与机械臂控制器（406）连接；整车监测装置（407）与检测预警控制器（410）连接。

3.根据权利要求2所述的一种煤矿井下多功能重载搬运机器人，其特征在于，所述驱动电机（103）、转向电机（104）、第一深度相机（106）、第二深度相机（107）、井下气体浓度检测传感器（110）、第一毫米波雷达（111）、第二毫米波雷达（112）、第三深度相机（113）、第四深度相机（114）、第五深度相机（214）、红外检测传感器（115）、第一激光雷达（108）、第二激光雷达（109）、数据存储单元（414）、无线信号收发单元（401）、主控制器（402）、驱动控制器（403）、制动控制器（404）、电动缸控制器（405）、转向控制器（409）、机械臂控制器（406）、整车监测装置（407）、检测预警控制器（410）、惯导（411）、感知信息处理单元（412）均与防爆蓄电池（408）电连接。

4.根据权利要求2所述的一种煤矿井下多功能重载搬运机器人，其特征在于，所述轮式底盘（101）的前端左右两侧分别设有车灯（119）和扬声器，车灯和扬声器均与检测预警控制器（410）连接。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种煤矿井下多功能搬重载运机器人控制方法，其特征在于：

环境感知：第一激光雷达（108）、第二激光雷达（109）、第一毫米波雷达（111）和第二毫米波雷达（112）感知多功能重载搬运机器人周围的环境信息，将获取周围环境的障碍物信息、道路信息传送给感知信息处理单元（412）；

定位及路径规划：感知信息处理单元（412）将收到的周围环境的障碍物信息、道路信息进行信息融合处理，并将处理后的环境信息与井下高精度slam栅格地图进行匹配，利用slam定位算法确定多功能重载搬运机器人的当前位置，感知信息处理单元（412）再把当前位置发送给主控制器（402）；

主控制器（402）将接收到的当前位置信息结合井下高精度slam栅格地图，通过全局路径规划算法，在井下高精度slam栅格地图上规划一条从当前位置到井下货物搬运位置的路径；

行驶控制：主控制器（402）规划好路径后再通过其设置好的轨迹跟踪算法，对路径上的行驶速度、行驶方向和行驶时间信息进行规划，主控制器（402）并把路径上规划好的行驶速度信息和行驶时间信息发送给驱动控制器（403），把行驶方向信息发送给转向控制器（409）；

驱动控制器（403）控制驱动电机（103）达到主控制器（402）要求的速度，转向控制器（403）控制转向电机（104）达到主控制器（402）要求的转向角度，多功能重载搬运机器人沿着规划轨迹行驶，一直行驶到此次规划路径的终点；

货物装运：多功能重载搬运机器人到达货物搬运位置后，第一深度相机（106）和第二深度相机（107）对货物信息进行采集，并将采集到的货物信息传送给感知信息处理单元（412），感知信息处理单元（412）对货物信息中的大于1吨的大体重货物信息和小于1吨的小体重货物信息进行识别，并把处理好的货物信息发送给主控制器（402），主控制器（402）依据“大体重货物优先原则”对货物进行搬运，主控制器（402）控制铲斗装置（3）对大体重货物进行搬运，主控制器（402）控制机械臂搬运装置（2）对小体重货物搬运，当第一深度相机（106）、第二深度相机（107）和第五深度相机（214）检测到装载货物重量达到多功能重载搬运机器人的装载极限，主控制器（402）控制机械臂搬运装置（2）或铲斗装置（3）停止装载；然后主控制器（402）再规划一条从当前位置到井下货物卸载位置的路径，多功能重载搬运机器人按照路径将货物运输到货物卸载位置；

主控制器（402）控制电动缸控制器（405）工作，电动缸控制器（405）根据主控制器（402）指令转换为所需电流大小和电机正反转信息分别输出给第一电动缸（303）、第二电动缸（307）和第三电动缸（308），第一电动缸（303）、第二电动缸（307）和第三电动缸（308）依据电流大小决定电动缸升降程度，依据电机正反转信息完成电动缸的上升或下降；

主控制器（402）控制机械臂控制器（406）工作，机械臂控制器（406）接收到主控制器（402）目标抓取指令，转换为所需电流大小和电机正反转信息分别输出给第一防爆电机（206）、第二防爆电机（207）和机械爪电机（213），机械爪电机（213）依据电流大小决定机械爪（205）开闭程度，第一防爆电机（206）、第二防爆电机（207）依据电机正反转信息完成机械臂小臂（202）和机械臂大臂（201）的上升或下降；

货物卸载：多功能重载搬运机器人到达货物卸载位置后，第一深度相机（106）和第二深度相机（107）对井下货物卸载点的货物放置位置信息进行采集，并把采集到的信息发送给感知信息处理单元（412），感知信息处理单元（412）将货物放置位置信息处理为大体重货物放置位置信息和小体重货物放置位置信息，并把处理好的信息发送给主控制器（402），主控制器（402）依据“大体重货物优先原则”对货物进行卸载，针对大体重货物放置位置信息，主控制器（402）控制铲斗装置（3）实现对大体重货物进行卸载，将大体重卸载到指定大体重放置位置，针对小体重货物放置位置信息，主控制器（402）控制机械臂搬运装置（2）实现对小体重货物卸载，将小体重卸载到指定小体重放置位置，当第一深度相机（106）、第二深度相机（107）和第五深度相机（214）检测到装载货物被多功能重载搬运机器人卸载完毕，主控制器（402）控制机械臂搬运装置（2）或铲斗装置（3）停止卸载。

6.根据权利要求5所述的一种煤矿井下多功能重载搬运机器人控制方法，其特征在于：

所述的多功能重载搬运机器人沿着轨迹行驶过程中，主控制器（402）实时接收各传感器传输的信息并进行实时处理，若在多功能重载搬运机器人的行驶轨迹上检测到障碍物，主控制器（402）将发送指令给驱动控制器（403）和制动控制器（404），驱动控制器（403）解析指令控制驱动电机（103）转速为零，制动控制器（404）解析指令控制制动装置（105）制动驱动轮（102），多功能重载搬运机器人停止行驶；主控制器（402）针对障碍物在井下高精度slam栅格地图上进行局部路径规划，规划的局部路径起点是多功能重载搬运机器人的当前位置，终点是全局路径与障碍物的交点，绕过障碍物完成局部轨迹行驶后将继续沿着全局轨迹继续前行。

7.根据权利要求5所述的一种煤矿井下多功能重载搬运机器人控制方法，其特征在于：

所述的井下气体浓度检测传感器（110）将检测瓦斯浓度经感知信息处理单元（412）处理后传输至主控制器（402），在主控制器（402）内将检测数值与瓦斯安全阈值进行对比，若大于或等于安全阈值，则主控制器（402）控制多功能重载搬运机器人停止启动或者停止行驶、进行制动，并向地面反馈；

红外检测传感器（115）将检测巷道温度经感知信息处理单元（412）处理后传输至主控制器（402），在主控制器（402）内将检测数值与巷道温度安全阈值进行对比，若大于或等于安全阈值，则主控制器（402）控制多功能重载搬运机器人停止启动或者停止行驶、进行制动，并向地面反馈；

整车监测装置（407）将监测数值传输至检测预警控制器（410），通过对比安全阈值，若大于或等于安全阈值，则反馈给主控制器（402），主控制器（402）控制多功能重载搬运机器人停止启动或者停止行驶、进行制动，并向地面反馈。

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