一种具有掘进功能的矿难环境探测救援机器人及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种具有掘进功能的矿难环境探测救援机器人及其控制方法，与现有技术相比解决了矿难救援机器人行进不便、无法进行环境检测和无线传输的缺陷。本发明专利技术的并联三自由度传感头部机构水平固定安装在腰部外力探测一段上，腰部外力探测一段与腰部环境探测二段通过十字万向节A水平安装，腰部环境探测二段与腰部无线网络节点释放三段通过十字万向节B水平安装；所述腰部外力探测一段的一段外壳内部两侧分别安装有电机A和电机F，一段外壳外部两侧分别设有安装在电机A输出轴上的三爪轮腿A和安装在电机F输出轴上的三爪轮腿F。本发明专利技术行进过程更自由，具备掘进、环境探测、数据发送等多重功能于一身。

【技术实现步骤摘要】
一种具有掘进功能的矿难环境探测救援机器人及其控制方法
本专利技术涉及矿难救援设备
，具体来说是一种具有掘进功能的矿难环境探测救援机器人及其控制方法。
技术介绍
煤炭在我国能源工业中占有重要的位置，但是频繁发生的矿难事故一直是我国煤炭行业面临的重要安全问题，如何降低煤炭事故的发生率以及及时有效的进行矿难救援是亟需解决的问题，因此煤矿事故发生后，进行有效的救援以最大限度地挽回人民生命财产损失具有重要的工作意义。与其它类型事故相比，矿难救援工作环境复杂，有矿难发生以后的井下环境空间狭小、巷道结构不稳定、易坍塌、曲折多变、可燃性气体较多、易爆炸、信号传输困难等一些矿难事故独有的特点，这些特点使得矿难救援难度大，如果救援指挥不当、救护装备技术落后，则会给救援工作带来巨大的影响，甚至会给救援队人员本身带来伤亡。综合上述原因，研制一款可移动式机器人代替人类作矿难环境前期探测和救援工作非常必要，该款机器人不仅具有在矿难环境中良好的行走功能，还要具有检测矿难现场高浓度瓦斯及预警的能力和具有在前往矿难现场整个运输工程良好的无线网络通讯功能以便将矿难现场的情况及时有效的传输出去的能力。不仅如此，还要求机器人具有在坍塌的巷道中自由的转变方向，灵活的寻找下一个可开采的方向与路径的能力，这样不仅可以使得机器人走进坍塌巷道寻找救援的有利资源，还可以顺利的走出坍塌的巷道，重复高效的利用救援机器人，而不能使机器人只在一条巷道中工作，有去无回，因此要求机器人不仅只能朝一个方向掘进，而是可以朝多个方向掘进穿越障碍物，获取有利信息，达到救援与保障自身安全。ZL201110370250.0公布了一种具有掘进功能的矿难救援机器人，采用机器人采用四杆机构的腿部拨土机构，每条腿上具有两个控制电机，可以实现腿部的长短调整，但是这种使得腿部机构较为繁杂，不利于机器人在狭小的空间中行进，不仅如此，机器人不具备无线节点释放能力和环境检测能力，不能及时有效的将矿难现场的环境情况及时有效的传输出去。如何开发出一种用于矿难环境探测的机器人已经成为急需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中矿难救援机器人行进不便、无法进行环境检测和无线传输的缺陷，提供一种具有掘进功能的矿难环境探测救援机器人及其控制方法来解决上述问题。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种具有掘进功能的矿难环境探测救援机器人，包括并联三自由度传感头部机构、腰部外力探测一段、腰部环境探测二段和腰部无线网络节点释放三段，所述的并联三自由度传感头部机构水平固定安装在腰部外力探测一段上，腰部外力探测一段与腰部环境探测二段通过十字万向节A水平安装，腰部环境探测二段与腰部无线网络节点释放三段通过十字万向节B水平安装；所述腰部外力探测一段的一段外壳内部两侧分别安装有电机A和电机F，一段外壳外部两侧分别设有安装在电机A输出轴上的三爪轮腿A和安装在电机F输出轴上的三爪轮腿F；所述腰部环境探测二段的二段外壳内部两侧分别安装有电机B和电机E，二段外壳外部两侧分别设有安装在电机B输出轴上的三爪轮腿B和安装在电机E输出轴上的三爪轮腿E。所述的并联三自由度传感头部机构包括固定安装在腰部外力探测一段上的底座，底座上安装有三维力传感器，一维轴向传感器A、一维轴向传感器B和一维轴向传感器C三者等分安装有三维力传感器上，一维轴向传感器A上安装有电动推杆A，一维轴向传感器B上安装有电动推杆B，一维轴向传感器C上安装有电动推杆C，电动推杆A、电动推杆B和电动推杆C的另一端汇集聚合后共同安装有锥形钻头，钻头电机的输出轴安装在锥形钻头上。所述的一段外壳内的底部上安装有感应力探测器，感应力探测器上方纵向安装有贯穿一段外壳顶部的立杆，立杆上方安装有盖板且盖板与一段外壳之间留有间隙。所述的二段外壳内的底部上安装有环境探测传感模块，二段外壳的纵向内壁上固定安装有电机固定架和导向固定架，导向固定架位于电机固定架正上方，电机固定架上安装有导杆电机，导杆电机的输出轴上安装有偏心轮；支撑杆上部安装有探测盖板，支撑杆贯穿二段外壳顶部和导向固定架，支撑杆下部安装有导向板，导向板搭在偏心轮上且当导向板与偏心轮的轴心垂直距离最短时，探测盖板盖在二段外壳上。所述腰部无线网络节点释放三段的三段外壳纵向内壁上安装有固定架，固定架上安装有三段电机，三段电机的输出轴上安装有偏心凸轮；T型推杆上套有弹簧，T型推杆贯穿导向固定架，节点导向槽安装在三段外壳上，节点放置盒放置在节点导向槽的上方，导向固定架安装在节点导向槽上且与节点放置盒相平行，三段外壳的内壁上位于节点放置盒的对应处设有与节点放置盒大小相同的窗口，T型推杆的另一端抵在偏心凸轮上且当T型推杆与偏心凸轮的轴心水平距离最短时，节点放置盒位于三段外壳内。一种具有掘进功能的矿难环境探测救援机器人的控制方法，包括以下步骤：掘进作业，并联三自由度传感头部机构工作，并适时调整钻头的冲钻方向；环境采集作业，通过腰部外力探测一段确定外部环境允许进行采集，由腰部环境探测二段进行环境参数的采集；无线网络节点释放作业，通过腰部无线网络节点释放三段将无线网络节点释放出机器人体外，进行无线通讯。所述的掘进作业包括以下步骤：通过钻头电机工作带动钻头运动，进行钻孔作业；一维轴向传感器A、一维轴向传感器B和一维轴向传感器C实时采集电动推杆A、电动推杆B和电动推杆C的探测力；三维力传感器综合采集钻头的探测力，根据三维力传感器调节钻头作业方向与空间位置。所述的环境采集作业包括以下步骤：感应力探测器采集盖板的承受力，判断上部空间是否充裕；三维力传感器判断探测力是否为零或小于阈值，若是标为空旷局域；导杆电机带动偏心轮运动，偏心轮转动，带动导向板上升，导向板带动探测盖板上升；导杆电机停止工作，环境探测传感模块采集进入到二段外壳的环境信息。所述的无线网络节点释放作业包括以下步骤：三段电机工作带动偏心凸轮运动；偏心凸轮带动T型推杆水平运动，T型推杆将节点放置盒顶出三段外壳。有益效果本专利技术的一种具有掘进功能的矿难环境探测救援机器人及其控制方法，与现有技术相比行进过程更自由，具备掘进、环境探测、数据发送等多重功能于一身，能够有效地应用于矿难现场的环境探测与救援。通过并联三自由度传感头部机构的设计，使得机器人在行进的过程中亦可实现拨土穿越功能，提高了机器人的工作效率；并且可根据力的探测大小反馈调节头部的扭转运动方向，由于腰部采用自适应万向节机构，从而可实现机器人的整体的转向运动。通过腰部外力探测一段的设计，可以监测到当前的高度空间情况。通过腰部环境探测二段的设计，可以实时地采集现场环境数据。通过腰部无线网络节点释放三段的设计，实现了机器人在密闭空间中行进时获取充分周围环境信息的可能性。本专利技术的结构紧凑、体积小、控制简单、功能多样化，机器人在行进过程中做到了拨土与行进真正的一体化设计，有利于机器人适应复杂的地面环境。机器人行进的整个过程中能够将矿难现场实际环境情况及时有效的传播出去，以便采取更好的救援方案，使机器人在矿难发生前期辅助救援工作中起到真正的作用。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术中并联三自由度传感头部机构的结构示意图；图3为本专利技术的剖面线位置示意图；图4为图3的A-A等轴测剖面剖视图；图5为图3的B-B剖面剖本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有掘进功能的矿难环境探测救援机器人，其特征在于：包括并联三自由度传感头部机构（100）、腰部外力探测一段（200）、腰部环境探测二段（300）和腰部无线网络节点释放三段（400），所述的并联三自由度传感头部机构（100）水平固定安装在腰部外力探测一段（200）上，腰部外力探测一段（200）与腰部环境探测二段（300）通过十字万向节A（600A）水平安装，腰部环境探测二段（300）与腰部无线网络节点释放三段（400）通过十字万向节B（600B）水平安装；所述腰部外力探测一段（200）的一段外壳（203）内部两侧分别安装有电机A（800A）和电机F（800F），一段外壳（203）外部两侧分别设有安装在电机A（800A）输出轴上的三爪轮腿A（500A）和安装在电机F（800F）输出轴上的三爪轮腿F（500F）；所述腰部环境探测二段（300）的二段外壳（302）内部两侧分别安装有电机B（800B）和电机E（800E），二段外壳（302）外部两侧分别设有安装在电机B（800B）输出轴上的三爪轮腿B（500B）和安装在电机E（800E）输出轴上的三爪轮腿E（500E）。

【技术特征摘要】
1.一种具有掘进功能的矿难环境探测救援机器人，其特征在于：包括并联三自由度传感头部机构（100）、腰部外力探测一段（200）、腰部环境探测二段（300）和腰部无线网络节点释放三段（400），所述的并联三自由度传感头部机构（100）水平固定安装在腰部外力探测一段（200）上，腰部外力探测一段（200）与腰部环境探测二段（300）通过十字万向节A（600A）水平安装，腰部环境探测二段（300）与腰部无线网络节点释放三段（400）通过十字万向节B（600B）水平安装；所述腰部外力探测一段（200）的一段外壳（203）内部一侧安装有电机A（800A），腰部外力探测一段（200）的一段外壳（203）内部另一侧安装有电机F（800F），一段外壳（203）外部两侧分别设有安装在电机A（800A）输出轴上的三爪轮腿A（500A）和安装在电机F（800F）输出轴上的三爪轮腿F（500F）；所述腰部环境探测二段（300）的二段外壳（302）内部一侧安装有电机B（800B），腰部环境探测二段（300）的二段外壳（302）内部另一侧安装有电机E（800E），二段外壳（302）外部两侧分别设有安装在电机B（800B）输出轴上的三爪轮腿B（500B）和安装在电机E（800E）输出轴上的三爪轮腿E（500E）；所述的并联三自由度传感头部机构（100）包括固定安装在腰部外力探测一段（200）上的底座（106），底座（106）上安装有三维力传感器（107），一维轴向传感器A（103B）、一维轴向传感器B（104B）和一维轴向传感器C（105B）三者等分安装在三维力传感器（107）上，一维轴向传感器A（103B）上安装有电动推杆A（103A），一维轴向传感器B（104B）上安装有电动推杆B（104A），一维轴向传感器C（105B）上安装有电动推杆C（105A），电动推杆A（103A）、电动推杆B（104A）和电动推杆C（105A）的另一端汇集聚合后共同安装有锥形钻头（101），钻头电机（102）的输出轴安装在锥形钻头（101）上。2.根据权利要求1所述的一种具有掘进功能的矿难环境探测救援机器人，其特征在于：所述的一段外壳（203）内的底部上安装有感应力探测器（201），感应力探测器（201）上方纵向安装有贯穿一段外壳（203）顶部的立杆，立杆上方安装有盖板（202）且盖板（202）与一段外壳（203）之间留有间隙。3.根据权利要求1所述的一种具有掘进功能的矿难环境探测救援机器人，其特征在于：所述的二段外壳（302）内的底部上安装有环境探测传感模块（309），二段外壳（302）的纵向内壁上固定安装有电机固定架（308）和导向固定架（303），导向固定架（303）位于电机固定架（308）正上方，电机固定架（308）上安装有导杆电机（307），导杆电机（307）的输出轴上安装有偏心轮（306）；支撑杆（304）上部安装有探测盖板（301），支撑杆（304）贯穿二段外壳（302）顶部和导向固定架（303），支撑杆（304）下部安装有导向板（305），导向板（305）搭在偏心轮...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉香，曹会彬，孙建，张强，马婷婷，曹平国，高理富，双丰，宋全军，葛运建，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34