專利名稱：煤礦救援探測機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種機(jī)器人，特別涉及一種煤礦救援探測機(jī)器人。
背景技術(shù)：
目前全國煤礦各種礦難頻繁發(fā)生，導(dǎo)致了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。在煤礦丌采過程 中，出現(xiàn)"火點(diǎn)"的巷道會(huì)產(chǎn)生大量的一氧化碳等有毒有害氣體，必須將"火點(diǎn)"完全熄 滅、氣體完全排空、溫度降至常溫后方可打開封閉巷道繼續(xù)開采。然而，"火點(diǎn)"何時(shí)完 全熄滅、開采環(huán)境是否安全，很難準(zhǔn)確知道。若派人員進(jìn)入現(xiàn)場檢測封閉巷道情況則是非 常危險(xiǎn)的，在這類檢測作業(yè)中曾多次出現(xiàn)安檢人員死亡的重大事故。煤炭開采企業(yè)迫切需 要有一種替代人去現(xiàn)場檢測的采掘特種安全自動(dòng)化裝備。
另外，目前煤礦瓦斯爆炸、透水、冒頂?shù)仁鹿暑l頻發(fā)生，事故發(fā)生后，由于礦難原因 和礦難現(xiàn)場情況不明，救援人員在搶險(xiǎn)中遇難的情況時(shí)有發(fā)生，所以，預(yù)警煤礦事故發(fā)生 和深入礦井探測礦難位置和探知事故現(xiàn)場不明情況，實(shí)時(shí)給救援指揮中心傳送井下關(guān)鍵信 息，在最短時(shí)間內(nèi)、最大限度的減少人員和財(cái)產(chǎn)損失已成為當(dāng)務(wù)之急。
針對(duì)我國煤礦安全事故頻發(fā)的現(xiàn)狀和救援探測技術(shù)水平落后的突出矛盾，迫切需要煤 礦采掘安全配套救援探測機(jī)器人這類先進(jìn)采掘特種安全自動(dòng)化設(shè)備。從國內(nèi)外文獻(xiàn)、專利 等數(shù)據(jù)庫的檢索結(jié)果以及各種傳媒的報(bào)道中，還沒有發(fā)現(xiàn)真正能用于煤礦救援探測的機(jī)器 人產(chǎn)品。究其原因主要是國外煤礦企業(yè)的生產(chǎn)條件較好，與之相關(guān)的機(jī)器人研究主要集中 在煤礦作業(yè)機(jī)器人及輸送等方面。在我國，雖然在反恐防爆、消防救援等特種機(jī)器人研究 領(lǐng)域取得了巨大成績，但由于煤礦井下環(huán)境的特殊性，機(jī)器人的工作環(huán)境通常很惡劣，需 要同時(shí)考慮防塵、防水、防爆、放火、防壓等，另外井下路面崎嶇不平，障礙物較多，通 行空間非常有限且不規(guī)則，甚至呈現(xiàn)出非結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，這就對(duì)救援探測機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)、通行能力和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的要求。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種通行能力強(qiáng)、越障性能好的煤礦救 援探測機(jī)器人。
為了解決上述問題，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案
3一種煤礦救援探測機(jī)器人，包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和人機(jī)界面，其中移 動(dòng)機(jī)構(gòu)為履帶-擺腿復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括左驅(qū)動(dòng)履帶、右驅(qū)動(dòng)履帶和擺腿機(jī)構(gòu)，動(dòng)力系統(tǒng) 包括左驅(qū)動(dòng)電機(jī)、右驅(qū)動(dòng)電機(jī)和擺腿電機(jī)，左驅(qū)動(dòng)電機(jī)與左驅(qū)動(dòng)履帶相連接，右驅(qū)動(dòng)電機(jī) 與右驅(qū)動(dòng)履帶相連接，擺腿電機(jī)與擺腿機(jī)構(gòu)相連接，雙履帶提供運(yùn)動(dòng)動(dòng)力，差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果采用履帶驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)復(fù)雜地面的適應(yīng)能力 更強(qiáng)，越障性能也更好；所設(shè)擺腿機(jī)構(gòu)，完全展丌時(shí)，增加平臺(tái)長度，可以跨越更寬的坑 /溝；向上轉(zhuǎn)動(dòng)擺腿調(diào)整到適當(dāng)角度，可以翻越過高于平臺(tái)自身高度的石塊、臺(tái)階等障礙； 平臺(tái)前部陷入坑內(nèi)后，向下轉(zhuǎn)動(dòng)擺腿，支撐地面，可以將平臺(tái)前部抬起，從坑中爬出；平 臺(tái)下臺(tái)階時(shí)，向下轉(zhuǎn)動(dòng)擺腿，支撐地面，降低平臺(tái)對(duì)地面的沖擊。所以通行能力更強(qiáng)。


圖1為本實(shí)用新型煤礦救援探測機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參見圖1所示，本實(shí)用新型煤礦救援探測機(jī)器人，包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、通訊 系統(tǒng)和人機(jī)界面。
對(duì)于移動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于井下空間狹窄，機(jī)器人機(jī)動(dòng)范圍小，對(duì)于前方障礙，機(jī)器人只能 以越障為主，另外廢棄巷道及礦難后巷道復(fù)雜地面條件復(fù)雜，所以機(jī)器人采用履帶-擺腿 復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。雙履帶提供平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力，差速實(shí)現(xiàn)平臺(tái)轉(zhuǎn)彎。相對(duì)于輪式驅(qū)動(dòng)，履帶 驅(qū)動(dòng)方式對(duì)復(fù)雜地面的適應(yīng)能力更強(qiáng)，越障性能也更好；為提高平臺(tái)在巷道內(nèi)的越障及通 過能力，在履帶驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，在平臺(tái)前部安裝越障擺腿，其主要的作用
(1) 完全展開時(shí)，增加平臺(tái)長度，可以跨越更寬的坑/溝。
(2) 向上轉(zhuǎn)動(dòng)擺腿調(diào)整到適當(dāng)角度，可以翻越過高于平臺(tái)自身高度的石塊、臺(tái)階等障礙。
(3) 平臺(tái)前部陷入坑內(nèi)后，向下轉(zhuǎn)動(dòng)擺腿，支撐地面，可以將平臺(tái)前部抬起，從坑 中爬出。
(4) 平臺(tái)下臺(tái)階時(shí)，向下轉(zhuǎn)動(dòng)擺腿，支撐地面，降低平臺(tái)對(duì)地面的沖擊。 動(dòng)力系統(tǒng)包括主控計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、通訊設(shè)備、電源等。為達(dá)到境下應(yīng)用的要求，
機(jī)器人的控制動(dòng)力系統(tǒng)采用整體隔爆方式。機(jī)器人的控制及動(dòng)力系統(tǒng)艙內(nèi)部為鋁合金主框 架結(jié)構(gòu)，外層為3毫米鋼板外殼。
基于低成本，大負(fù)載的要求，機(jī)器人擬用兩臺(tái)200w直流力矩電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)兩側(cè)履
4帶， 一臺(tái)lOOw直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺腿。
機(jī)器人自帶鋰離子充電電池24v,40/Ah (960瓦小時(shí))，重量約10公斤，支持平臺(tái)連 續(xù)行走2小時(shí)。
對(duì)于通訊系統(tǒng)，由于煤礦巷道對(duì)無線電波的回波效應(yīng)，在井下實(shí)施長距離無線通訊目 前仍然是不可行的。機(jī)器人采用長距離光纖通訊為主，近距離無線通訊輔助的遙控通訊方 式，達(dá)到易于操作的目的。具體措施包括
(1) 使用微型光纜，減輕光纜重量光纜直徑3咖，重量為7Kg/KM.最大張力350N(長 期)；700N(短期);最小彎曲半徑40mm。
(2) 機(jī)器人自身攜帶光纜收放裝置，通過光纜張力控制實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)收放。在機(jī)器人 出發(fā)時(shí)，光纜完全繞在機(jī)器人收放器上，機(jī)器人前進(jìn)時(shí)釋放光纜，后退時(shí)回收光纜。機(jī)器 人運(yùn)動(dòng)過程中光纜相對(duì)地面無拖動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)光纜被卡住的情況，保證在復(fù)雜環(huán)境下的機(jī) 器人可靠運(yùn)動(dòng)。當(dāng)搜救隊(duì)員準(zhǔn)備跟隨機(jī)器人前進(jìn)時(shí)，需要使用攜帶的手動(dòng)收放裝置回收光 纜。機(jī)器人與搜救隊(duì)會(huì)員會(huì)合后，通過兩套裝置的配合，將光纜重新繞到機(jī)器人的光纜盤 上，為機(jī)器人的繼續(xù)深入作好準(zhǔn)備。
(3) 近距離無線遙控方式當(dāng)機(jī)器人與搜救隊(duì)員距離較近且在直視范圍內(nèi)時(shí)，例如
機(jī)器人與搜救隊(duì)員一起沿航道行進(jìn)過程中，可以使用無線遙控方式，可選的方式包括局
域網(wǎng)、藍(lán)牙等。
(4) 中繼通訊方案。機(jī)器人自帶光纜長度為2公里，如果需要更大的遙控距離，可
以考慮兩種方案
a) 光纜中繼方式多臺(tái)機(jī)器人以縱隊(duì)列依次用光纜連接編隊(duì)移動(dòng)，位于隊(duì)列末尾的
機(jī)器人停留在2000米處充當(dāng)中繼點(diǎn)，位于倒數(shù)第二位的機(jī)器人停留在4000m處并依此類 推
b) 無線中繼方式機(jī)器人自身攜帶無線通訊中繼節(jié)點(diǎn)，根據(jù)情況自主沿途布放的多 中繼點(diǎn)無線通訊實(shí)現(xiàn)方案。
人機(jī)界面包括顯示器、操作面板、手持式遙控盒、電池、通訊接口。顯示器為操作
者提供遙控信息，包括，搜救機(jī)器人返回的視頻圖像、傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)反饋及電池 剩余電量信息。利用機(jī)器人不斷回傳的圖像、溫度、瓦斯等有害氣體濃度、機(jī)器人位置和 姿態(tài)等信息，采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在終端界面上實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人所處環(huán)境的視頻圖像、瓦 斯等有害氣體濃度、溫度等信息。操作面板上，布置布置有微型遙桿、按鈕或開關(guān)。多自由度搖桿用于對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)及擺 腿轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行遙控。按鈕和開關(guān)完成系統(tǒng)的設(shè)置、指令下達(dá)。手持式遙控盒與控制臺(tái)通過電 纜連接，可以在不打開控制臺(tái)界面的情況，完成簡單的遙控操作。主要與于在近距離可視 范圍內(nèi)以及行走過程中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遙控。
攝像機(jī)是機(jī)器人基本傳感器，安裝在隔爆倉體內(nèi)。其拍攝的視頻圖像通過光纖實(shí)時(shí)傳 輸，并在操作臺(tái)顯示屏上播放。攝像機(jī)為白光型，采用高亮度LED冷光源型本質(zhì)安全礦燈 進(jìn)行照明。
可選擇的其他傳感器載荷包括瓦斯、煤塵、co、 co2、風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度、生命體 征等。這些傳感器均可以購買或改造為專用礦用型，安裝在隔爆倉外。經(jīng)改造，各傳感器 與計(jì)算機(jī)間采用標(biāo)準(zhǔn)串口通訊，釆用同一電源電壓標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)各種傳感器的可更換。
以慣性元件、數(shù)字羅盤和嵌入式系統(tǒng)為主體及車載分布式傳感器為輔助傳感器的定位 與導(dǎo)航硬件平臺(tái)。采用三維里程估計(jì)技術(shù)，以及基于多源信息融合和濾波處理方法的誤差 補(bǔ)償技術(shù)，推算機(jī)器人在井下的行進(jìn)位置，參照數(shù)字地圖和機(jī)器人傳回的現(xiàn)場圖像信息， 確定行進(jìn)中遇到的有限自然路標(biāo)與推算出的機(jī)器人位置之間的偏差，在人工干預(yù)的前提下 在數(shù)字地圖上修正機(jī)器人航跡，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人精確定位。
在巷道復(fù)雜的環(huán)境下運(yùn)動(dòng)，完全依賴直接遙控將導(dǎo)致機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率低下甚至是無 法實(shí)現(xiàn)；因此，自主環(huán)境適應(yīng)技術(shù)對(duì)于井下搜救機(jī)器人是至關(guān)重要的。
采用基于慣導(dǎo)傳感器的地形地勢參數(shù)預(yù)測估計(jì)技術(shù)，以此為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人面向復(fù) 雜地形的自主構(gòu)形調(diào)整以及自主越障，增強(qiáng)復(fù)雜地面的通過能力。
采用驅(qū)動(dòng)器效率參數(shù)實(shí)時(shí)估計(jì)技術(shù)，對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)健康狀態(tài)實(shí)施自主監(jiān)控，并根據(jù) 驅(qū)動(dòng)器效率參數(shù)實(shí)現(xiàn)針對(duì)驅(qū)動(dòng)器軟性故障(非100%故障)的自主容錯(cuò)控制，提高機(jī)器人的 可靠性。
當(dāng)光纜傳輸出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)器人依據(jù)其記憶的里程計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)合自主巷道跟蹤與避障能 力自主返回。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果采用履帶驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)復(fù)雜地面的適應(yīng)能力 更強(qiáng)，越障性能也更好；所設(shè)擺腿機(jī)構(gòu)，完全展開時(shí)，增加平臺(tái)長度，可以跨越更寬的坑 /溝；向上轉(zhuǎn)動(dòng)擺腿調(diào)整到適當(dāng)角度，可以翻越過高于平臺(tái)自身高度的石塊、臺(tái)階等障礙； 平臺(tái)前部陷入坑內(nèi)后，向下轉(zhuǎn)動(dòng)擺腿，支撐地面，可以將平臺(tái)前部抬起，從坑中爬出；平 臺(tái)下臺(tái)階時(shí)，向下轉(zhuǎn)動(dòng)擺腿，支撐地面，降低平臺(tái)對(duì)地面的沖擊。所以通行能力更強(qiáng)。
權(quán)利要求1、一種煤礦救援探測機(jī)器人，包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和人機(jī)界面，其特征在于其中移動(dòng)機(jī)構(gòu)為履帶-擺腿復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括左驅(qū)動(dòng)履帶、右驅(qū)動(dòng)履帶和擺腿機(jī)構(gòu)，動(dòng)力系統(tǒng)包括左驅(qū)動(dòng)電機(jī)、右驅(qū)動(dòng)電機(jī)和擺腿電機(jī)，左驅(qū)動(dòng)電機(jī)與左驅(qū)動(dòng)履帶相連接，右驅(qū)動(dòng)電機(jī)與右驅(qū)動(dòng)履帶相連接，擺腿電機(jī)與擺腿機(jī)構(gòu)相連接。
專利摘要一種煤礦救援探測機(jī)器人，包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和人機(jī)界面，其中移動(dòng)機(jī)構(gòu)為履帶-擺腿復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括左驅(qū)動(dòng)履帶、右驅(qū)動(dòng)履帶和擺腿機(jī)構(gòu)，動(dòng)力系統(tǒng)包括左驅(qū)動(dòng)電機(jī)、右驅(qū)動(dòng)電機(jī)和擺腿電機(jī)，左驅(qū)動(dòng)電機(jī)與左驅(qū)動(dòng)履帶相連接，右驅(qū)動(dòng)電機(jī)與右驅(qū)動(dòng)履帶相連接，擺腿電機(jī)與擺腿機(jī)構(gòu)相連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型通行能力更強(qiáng)。
文檔編號(hào)B62D57/00GK201264655SQ20082001548
公開日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2008年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月10日
發(fā)明者馮素萍, 韓建達(dá) 申請(qǐng)人:鞍山凱信工礦設(shè)備有限公司