CN101780817B - 煤矿井下危险区域探测机器人平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿井下危险区域探测机器人平台，其包括正压壳体、设置于正压壳体外部的行走单元和辅助臂单元、以及设置于正压壳体内部的行走驱动电机单元、辅助臂电机单元和正压保护系统，行走单元与行走驱动电机单元连接，辅助臂单元与辅助臂电机单元连接；所述正压保护系统包括控制装置、安全阀和若干排气口，控制装置分别与电源、流量传感器、压力传感器和电磁阀连接，流量传感器与截止阀Ⅱ连接，电磁阀的一个接口依次与调速阀和其中一个排气口连接，电磁阀的另一个接口连接于高压气瓶与截止阀Ⅲ相连的管道上；若干排气口中的其余排气口均与截止阀Ⅰ连接；所述安全阀、截止阀Ⅰ、截止阀Ⅱ和截止阀Ⅲ均密封设置于正压壳体后端面上。

Description

煤矿井下危险区域探测机器人平台

技术领域

本发明涉及一种移动机器人平台，特别是一种适用于煤矿井下危险区域进行环境信息探测的履带式移动机器人平台。

背景技术

目前世界上55%的用电来自火力发电，另外金属冶炼、工业锅炉等每年也要消耗大量的煤炭，煤炭是目前人类社会生活中最主要的能源。我国是煤炭大国，已探明的煤炭储量仅次于美国。同时，我国煤炭开采机械化程度很低，很多矿井（尤其是私营矿井）管理不完善，每年都有瓦斯爆炸、火灾、透水、塌方等矿难发生，其中瓦斯爆炸发生最为频繁，造成很大的人员伤亡和财产损失。矿难发生后，煤矿井下地形环境复杂、充满各种爆炸性气体，对各种爆炸性气体的探测以及对井下被困人员的搜索是矿难发生后抢险救灾的关键，但该阶段对救护队员有极大的危险性。

为减少矿难发生后，在抢险救灾过程中的人员伤亡，国外已研制出RATLER矿井探索机器人、Simbot矿井搜索机器人、V2煤矿救援机器人等。国内，中国矿业大学研制了一种煤矿井下搜救机器人（申请号：200810019993.1），该机器人采用带辅助臂的双履带行走机构，对井下的复杂地形环境具有较强的适应能力，并且将行走驱动单元、电源模块、控制单元等电气部分封闭在一个隔爆外壳内，达到了煤矿井下作业的安全要求。但由于采用隔爆方式，使机器人整体质量大大增加，不便于救护队员携带和运输，同时减小了机器人的负载能力并增加了功率消耗。中国科学院沈阳自动化研究所设计了一种四轮式煤矿井下救援探测机器人（申请号：2008100127289.5），并进行了隔爆设计，但四轮式移动机构越障能力差，无法适应煤矿井下阶梯上（下）山、铁轨、枕木以及壕沟等复杂地形环境。国内另有多篇专利文献涉及煤矿井下移动机器人（申请号：200810079879.8，申请号：200510027369.2，申请号：200610150840.1），但这些文献中均没有提及防爆技术，达不到在煤矿井下进行作业的安全要求。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种质量轻、易于携带和运输、负载能力强、能耗低、适应能力强的煤矿井下危险区域探测机器人平台。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种煤矿井下危险区域探测机器人平台，其包括正压壳体、设置于正压壳体外部的行走单元和辅助臂单元、以及设置于正压壳体内部的行走驱动电机单元、辅助臂驱动电机单元和正压保护系统，行走单元与行走驱动电机单元连接，辅助臂单元与辅助臂驱动电机单元连接；所述正压保护系统包括控制装置、安全阀和若干排气口，控制装置分别与电源、流量传感器、压力传感器和电磁阀连接，流量传感器与截止阀Ⅱ连接，电磁阀的一个接口依次与调速阀和其中一个排气口连接，电磁阀的另一个接口连接于高压气瓶与截止阀Ⅲ相连的管道上；若干排气口中的其余排气口均与截止阀Ⅰ连接；所述安全阀、截止阀Ⅰ、截止阀Ⅱ和截止阀Ⅲ均密封设置于正压壳体后端面上。

所述正压壳体由铜铝合金铸造加工而成，正压壳体前后两端面上开有透孔，透孔内部分别安装有热像仪、摄像头和照明灯；安装热像仪的透孔处用锗玻璃和密封圈进行静密封，安装摄像头和照明灯的透孔处用石英玻璃和密封圈进行静密封；所述锗玻璃和石英玻璃由压盖固定在玻璃固定座内，在压盖与锗玻璃或石英玻璃之间均安装有密封垫；正压壳体左右两侧有两个侧盖，分别用密封圈进行静密封；正压壳体上部的上盖上安装有天线和控制外部设备的信号线接口，所述上盖与正压壳体的侧面立板之间采用密封圈进行静密封；正压壳体前端两侧有用于固定驱动轴的侧向圆孔，驱动轴与正压壳体间采用密封圈进行旋转动密封。

所述行走单元包括左右两个前轮空心轴，两个前轮空心轴分别设置于正压壳体前端两侧的侧向圆孔内，前轮空心轴上安装有前驱动轮，前驱动轮外部设有与后轮连接的主履带，后轮为光轮，后轮通过安装轴安装于正压壳体侧面后端两侧，且安装轴与正压壳体之间设有调整螺钉；所述前驱动轮与后轮之间正压壳体上安装有履带支撑轮。

所述行走驱动电机单元包括与电源连接的两个驱动电机，两驱动电机的输出轴上分别设有同步带轮，同步带轮上设有与位于正压壳体内的前轮空心轴上的同步带轮连接的同步带。

所述辅助臂单元包括蜗轮轴，蜗轮轴穿过前轮空心轴，蜗轮轴外端上安装有辅助臂，辅助臂的前端设有滚轮，滚轮外部设有与前驱动轮连接的辅助臂履带。

所述辅助臂驱动电机单元包括驱动电机，驱动电机与蜗轮蜗杆减速箱连接，蜗轮蜗杆减速箱与蜗轮轴的设于正压壳体内的一端连接。

本发明的正压壳体由铜铝合金铸造加工而成，具有一定的强度和刚度。正压壳体将控制系统、电源、行走驱动单元等封闭并保护在具有一定正压的环境中，使煤矿井下危险区域的爆炸性气体不能进入到正压壳体内，从而达到防爆的目的。正压壳体前后两端开有透孔，透孔内部分别安装有热像仪、摄像头和照明灯。安装热像仪的透孔处用锗玻璃和密封圈进行静密封、安装摄像头和照明灯的透孔处用石英玻璃和密封圈进行静密封。正压壳体左右两则有两个侧盖，分别用密封圈进行静密封。上盖安装有天线和控制外部设备的信号线接口，上盖与正压壳体之间采用密封圈进行静密封。正压壳体前端两侧有侧向圆孔，用于固定驱动轴，驱动轴与正压壳体间采用密封圈进行旋转动密封。

行走驱动单元由行走驱动电机、同步带轮、同步带、前轮空心轴、前驱动轮、主履带等组成。电机轴上安装有同步带轮，通过同步带驱动一端安装有同步带轮的前轮空心轴，从而驱动与前轮空心轴固定在一起的前驱动轮。驱动电机、同步带轮、同步带安装在正压壳体内部，前轮空心轴连接正压壳体内部的同步带轮和外部的前驱动轮。前轮空心轴与正压壳体之间用密封圈进行旋转动密封。

辅助臂单元由辅助臂、辅助臂履带、蜗轮轴、蜗轮蜗杆减速箱及驱动电机等组成。辅助臂由蜗轮蜗杆减速箱通过蜗轮轴驱动，可做整周转动或摆动，用来增强机器人平台的越障能力。蜗轮蜗杆减速箱的蜗杆与驱动电机输出轴连接，安装在正压壳体内部。蜗轮轴穿过前轮空心轴与辅助臂连接，且二者之间用密封圈进行旋转动密封。辅助臂履带和主履带均由前驱动轮驱动，具有相同的运动速度。

正压保护系统安全装置由压力传感器、高压气瓶、电磁阀、安全阀、调速阀、排气口、截止阀、流量传感器及计算机组成。压力传感器实时检测正压壳体内的压力，当检测到的压力低于200pa时，计算机向电磁阀发出指令，由高压气瓶向正压壳体内充保护气体，充气速度由调速阀控制，当正压壳体内压力达到1000pa时，停止充气。当检测压力低于100pa时，表明高压气瓶中已没有高压气体或机器人平台出现故障，计算机立即切断机器人平台总电源，停止工作。机器人平台每次进入危险区域工作前必须对正压壳体进行换气，换气量由流量传感器检测，根据GB3836.5-2004的规定，换气量至少5倍于正压壳体容积。

采用如上技术方案的煤矿井下危险区域探测机器人平台具有如下优点：(1)采用正压防爆，达到煤矿井下作业的安全要求；(2)采用履带移动方式，可适应煤矿井下的复杂地形环境；(3)安装有辅助臂，机器人的越障能力强；(4)质量轻，便于携带。

附图说明

图1是本发明煤矿井下危险区域探测机器人平台的立体示意图；

图2是本发明的正压壳体；

图3是本发明的驱动系统原理图；

图4是本发明的正压壳体密封示意图；

图5是本发明的透明件密封示意图；

图6是本发明的旋转动密封示意图；

图7是本发明的正压保护系统安全装置示意图；

图8是本发明的正压保护系统工作流程图；

图中：1.上盖，2.天线，3.信号线接口，4.截止阀Ⅰ，5.安全阀，6.截止阀Ⅱ，7. 截止阀Ⅲ，8. 正压壳体，9.主履带，10.支撑轮，11.侧盖，12. 辅助臂，13.辅助臂履带，14.螺钉，15.后轮，16.电源，17.蜗轮轴，18.前驱动轮，19.前轮空心轴，20.前轮轴承盒，21.同步带Ⅰ，22.驱动电机Ⅰ，23.蜗杆蜗轮减速箱，24.驱动电机Ⅱ，25.驱动电机Ⅲ，26.同步带Ⅱ，27.高压气瓶，28.后照明灯，29.后摄像头，30.密封圈Ⅰ，31.密封圈Ⅱ，32.前摄像头，33.热像仪，34.前照明灯，35.密封圈Ⅲ，36.密封垫，37.锗玻璃（或石英玻璃），38.玻璃固定座，39.压盖，40.轴套，41.密封圈Ⅳ，42.空心轴端盖，43.密封圈Ⅴ，44.密封圈Ⅵ，45.密封圈Ⅶ，46.轴承座端盖，47.密封圈Ⅷ，48.密封圈Ⅸ，49.流量传感器，50.电磁阀，51.调速阀，52.排气口，53.计算机，54.压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种煤矿井下危险区域探测机器人平台，其包括正压壳体8、设置于正压壳体8外部的行走单元和辅助臂单元、以及设置于正压壳体8内部的行走驱动电机单元、辅助臂驱动电机单元和正压保护系统，行走单元与行走驱动电机单元连接，辅助臂单元与辅助臂驱动电机单元连接。

如图7所示，正压保护系统包括控制装置（计算机53）、安全阀5和四个排气口52，控制装置（计算机53）分别与电源16、流量传感器49、压力传感器54和电磁阀50连接，流量传感器49与截止阀Ⅱ6连接，电磁阀50的一个接口依次与调速阀51和其中一个排气口52连接，电磁阀50的另一个接口连接于高压气瓶27与截止阀Ⅲ7相连的管道上，另外三个排气口52均与截止阀Ⅰ4连接；所述安全阀5设定压力1100pa，用来防止换气时因进气流量太大造成正压壳体8内压力过高，致使正压壳体8变形而使正压保护失效。截止阀Ⅰ4、截止阀Ⅱ6和截止阀Ⅲ7均密封设置于正压壳体8后端面上。

机器人平台在工作时，实现正压保护的工作流程如图8所示。压力传感器54实时检测正压壳体8内的压力，当检测到的压力低于200pa时，计算机53向电磁阀50发出指令，由高压气瓶27向正压壳体8内充保护气体，充气速度由调速阀51控制，当正压壳体8内气体压力达到1000pa时，停止充气。当检测压力低于100pa时，表明高压气瓶27中已没有高压保护气体或机器人平台出现故障，计算机53立即切断机器人平台总电源，停止工作。机器人平台每次进入煤矿井下危险区域工作前必须对正压壳体8进行换气，换气量由流量传感器49检测，根据GB3836.5-2004的规定，换气量至少5倍于正压壳体8的容积。换气时，由截止阀Ⅰ4进气，三个排气口52向正压壳体8内排气，原有气体经流量传感器49和截止阀Ⅱ6排出。当高压气瓶27内没有高压保护气体时，由截止阀Ⅲ7向高压气瓶27充气。

正压保护系统将控制单元、行走驱动单元等封闭并保护在内部高于大气压力一定值的正压壳体8中，使煤矿井下危险区域的爆炸性气体不能进入到正压壳体8的内部，从而达到防爆的目的

如图2、4所示，正压壳体8由铜铝合金铸造加工而成，具有足够的强度和刚度，所用材料符合GB3836.1-2000中对Ⅰ类电气设备外壳所用轻金属材料的性能要求。正压壳体8前后两端上开有透孔，透孔内部分别安装有透孔内部分别安装有热像仪33、前摄像头32、前照明灯34、后摄像头29和后照明灯28。如图5所示，安装热像仪33的透孔处用锗玻璃37和密封圈Ⅲ35进行静密封，安装前、后摄像头32、29和前、后照明灯34、28的透孔处用石英玻璃37和密封圈Ⅲ35进行静密封，锗玻璃（或石英玻璃）37由压盖39固定在玻璃固定座38内。为防止压碎玻璃37，在压盖39与锗玻璃或石英玻璃37之间安装有密封垫36。

正压壳体8左右两侧有两个侧盖11，与正压壳体8之间用密封圈Ⅰ30进行静密封。上盖1与正压壳体8之间用密封圈Ⅱ31进行静密封，上盖1上安装有天线2和控制外部设备的信号线接口3。正压壳体8的后端安装有具有标准接口的截止阀Ⅰ4、截止阀Ⅱ6和截止阀Ⅲ7及安全阀5，分别用标准密封圈进行静密封。正压壳体8前端两侧有用于固定驱动轴的侧向圆孔，驱动轴与正压壳体间采用密封圈进行旋转动密封。

机器人平台驱动轴处的密封如图6所示，前轮轴承盒20与正压壳体8之间用密封圈Ⅸ48进行静密封，前轮空心轴19与前轮轴承盒20之间用轴承进行支承和定位，前轮轴承座端盖46与前轮轴承盒20之间用密封Ⅷ47进行静密封，前轮空心轴19与前轮轴承座端盖46之间用两个密封圈Ⅶ45进行旋转动密封。蜗轮轴17与前轮空心轴19之间用轴承进行支承和定位，空心轴端盖42与前轮空心轴19之间用密封圈Ⅴ43进行静密封，蜗轮轴17与轴套40之间用密封圈Ⅳ41进行静密封，轴套40与空心轴端盖42之间用两个密封圈Ⅵ44进行旋转动密封。动密封处在安装时涂润滑脂，减小摩擦和密封圈的摩损，使用两个密封的目的是防止润滑脂的流失，使润滑保持长期有效。

如图1、3所示，行走单元包括左右两个前轮空心轴19，两个前轮空心轴19分别设置于正压壳体8前端两侧的侧向圆孔内，前轮空心轴19上安装有前驱动轮18，前驱动轮18外部设有与后轮15连接的主履带9，后轮15为光轮，后轮15通过安装轴安装于正压壳体8侧面后端两侧，且安装轴与正压壳体之间设有调整螺钉14；所述前驱动轮18与后轮15之间正压壳体8上安装有履带支撑轮10。

行走驱动电机单元包括与电源连接的驱动电机Ⅰ22和驱动电机Ⅲ25，两驱动电机的输出轴上分别设有同步带轮，同步带轮上设有与位于正压壳体8内的前轮空心轴19上的同步带轮连接的同步带Ⅰ21和同步带Ⅱ26。通过同步带Ⅰ21和同步带Ⅱ26驱动安装在前轮空心轴19上的前驱动轮18，进而驱动主履带9运动。当驱动电机Ⅰ22和驱动电机Ⅲ25的转速不同时，可实现机器人平台的差速转向。驱动电机Ⅰ22、驱动电机Ⅲ25、同步带Ⅰ21安装在正压壳体8内部，前驱动轮18安装在正压壳体8外部，通过前轮空心轴19连接。后轮15为光轮，相对正压壳体8可由螺钉14调整前后距离，即调整主履带9的张紧程度。前后轮之间安装有履带支撑轮10，增加机器人平台的有效支撑面积。主履带9和辅助臂履带13由耐高温橡胶颗粒、阻燃抗静电添加剂和抗拉纤维经压铸硫化而成。

辅助臂单元如图1、3所示，辅助臂单元包括蜗轮轴17，蜗轮轴17穿过前轮空心轴19，蜗轮轴17外端上安装有辅助臂12，辅助臂12的前端设有滚轮，滚轮外部设有与前驱动轮18连接的辅助臂履带13。

辅助臂驱动电机单元包括驱动电机Ⅱ24，驱动电机Ⅱ24与蜗轮蜗杆减速箱23连接，蜗轮蜗杆减速箱23与蜗轮轴17的设于正压壳体8内的一端连接。

辅助臂12由蜗轮蜗杆减速箱23通过蜗轮轴17驱动可做整周转动或摆动，用来增强机器人平台的越障能力。蜗轮蜗杆减速箱23的蜗杆由驱动电机Ⅱ24驱动。蜗轮蜗杆减速箱23和驱动电机Ⅱ24安装在正压壳体8的内部，辅助臂12安装在正压壳体8的外部，辅助臂12和蜗轮蜗杆减速箱23通过蜗轮轴17连接。辅助臂履带13和主履带9均由前驱动轮18驱动，具有相同的运动速度。

Claims (5)

1.一种煤矿井下危险区域探测机器人平台，其特征在于：其包括正压壳体、设置于正压壳体外部的行走单元和辅助臂单元、以及设置于正压壳体内部的行走驱动电机单元、辅助臂驱动电机单元和正压保护系统，行走单元与行走驱动电机单元连接，辅助臂单元与辅助臂驱动电机单元连接；所述正压保护系统包括控制装置、安全阀和若干排气口，控制装置分别与电源、流量传感器、压力传感器和电磁阀连接，流量传感器与截止阀Ⅱ连接，电磁阀的一个接口依次与调速阀和其中一个排气口连接，电磁阀的另一个接口连接于高压气瓶与截止阀Ⅲ相连的管道上；若干排气口中的其余排气口均与截止阀Ⅰ连接；所述安全阀、截止阀Ⅰ、截止阀Ⅱ和截止阀Ⅲ均密封设置于正压壳体后端面上；

所述正压壳体由铜铝合金铸造加工而成，正压壳体前后两端面上开有透孔，透孔内部分别安装有热像仪、摄像头和照明灯；安装热像仪的透孔处用锗玻璃和密封圈进行静密封，安装摄像头和照明灯的透孔处用石英玻璃和密封圈进行静密封；所述锗玻璃和石英玻璃由压盖固定在玻璃固定座内，在压盖与锗玻璃或石英玻璃之间均安装有密封垫；正压壳体左右两侧有两个侧盖，分别用密封圈进行静密封；正压壳体上部的上盖上安装有天线和控制外部设备的信号线接口，所述上盖与正压壳体的侧面立板之间采用密封圈进行静密封；正压壳体前端两侧有用于固定驱动轴的侧向圆孔，驱动轴与正压壳体间采用密封圈进行旋转动密封。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下危险区域探测机器人平台，其特征在于：所述行走单元包括左右两个前轮空心轴，两个前轮空心轴分别设置于正压壳体前端两侧的侧向圆孔内，前轮空心轴上安装有前驱动轮，前驱动轮外部设有与后轮连接的主履带，后轮为光轮，后轮通过安装轴安装于正压壳体侧面后端两侧，且安装轴与正压壳体之间设有调整螺钉；所述前驱动轮与后轮之间正压壳体上安装有履带支撑轮。

3.根据权利要求1所述的煤矿井下危险区域探测机器人平台，其特征在于：所述行走驱动电机单元包括与电源连接的两个驱动电机，两驱动电机的输出轴上分别设有同步带轮，同步带轮上设有与位于正压壳体内的前轮空心轴上的同步带轮连接的同步带。

4.根据权利要求1所述的煤矿井下危险区域探测机器人平台，其特征在于：所述辅助臂单元包括蜗轮轴，蜗轮轴穿过前轮空心轴，蜗轮轴外端上安装有辅助臂，辅助臂的前端设有滚轮，滚轮外部设有与前驱动轮连接的辅助臂履带。

5.根据权利要求1所述的煤矿井下危险区域探测机器人平台，其特征在于：所述辅助臂驱动电机单元包括驱动电机，驱动电机与蜗轮蜗杆减速箱连接，蜗轮蜗杆减速箱与蜗轮轴的设于正压壳体内的一端连接。

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