一种皮带运输机智能巡检机器人的制作方法

本发明涉及井下带式输送机的巡检设备，具体涉及一种皮带运输机智能巡检机器人。

背景技术：

目前，我国为数较多的矿井在带式输送机的巡检方式上仍然沿用传统的人工手动，现场监控方式，在一定程度上耗费了人力和物力资源，极大地影响了煤炭开采效率，也给整个煤矿开采工作带来了巨大的安全隐患。人工巡检的方法即由巡检工人采用目测或细听运输机的工作声音以及采用红外热像仪等方法对皮带运输机进行巡检，这也是目前国内绝大部分皮带运输机巡视工作的主要方法。这种巡检作业方式，劳动强度大、巡检质量低、运行维护费用高且危险性较高，而且环境恶劣，难以保证巡检到位率、巡检周期长。

实际上，由于上述巡检作业方式存在的诸多不足，很早以前，国内外的专家学者就已经提出了采用机器人巡检的作业方式，用于替代或辅助人力进行皮带运输机的巡检与维护。日本、美国和加拿大等国家于20世纪80年代末，先后开展了巡检机器人的研究工作。日本东京电力公司sawada教授于1988年研制了一种巡检机器人，该巡检机器人由一对夹持轮和一对行走轮组成运动主体机构，根据仿人攀援动作的机理，它能够跨越由于输电线路上的螺旋减震器、防震锤等障碍物来完成越障动作。1989年，美国公司trc研发了一台自主巡检机器人设备，当巡检机器人探测到机器故障后，先自己进行预处理，再将数据传送给地面工作人员；当遇到障碍物时，巡检机器人同样采用仿人攀援动作从侧面跨越障碍。2008年，美国电力研究院(epri)开始设计了一种巡检机器人“ti”，epri从设计之初就是面向实际应用。ti采用了轮臂复合式机构，两臂前后对称布置，主要的创新点在轮爪机构设计，采用自适应机构，使机器人能够快速通过多种障碍物，机器人搭载了可见光摄像头和红外成像仪进行故障检测。

我国关于巡检机器人的研究始于20世纪90年代，中国科学院沈阳自动化研究所、武汉大学和中国科学院自动化研究所等单位率先开展了巡检机器人的研究工作，取得了一系列技术成果，突破了一些关键技术，证明了机器人巡检的可行性，为后续国内深入研究巡检机器人打下了良好的基础。例如，在2015年3月由中国矿业大学机电工程学院的张行、李伟等人研究的课题为新型带式输送机巡检机构系统设计中，运用了钢丝绳牵引单轨道的原理，整个系统由防爆三相异步电机驱动，以钢轨作为运行轨道，其中巡检设备与钢轨轨道采用轮轨接触方式，电机的运转通过plc控制技术，实现在钢丝绳摩擦力作用下拖动巡检设备运行。

在2015年9月由唐山开诚电控设备集团有限公司研究的科研项目为矿用带式输送机巡检机器人研究与设计中，矿用带式输送机巡检机器人系统的工作原理为：机器人装置通过固定抱索器与钢丝绳相连，在传动系统的作用下，机器人装置在钢丝绳的带动下沿带式输送机运行方向往返运动。巡检机器人上装有各种传感器用来检测带式输送机工作环境的各种数据，以此来了解其运行情况。防爆充电箱为机器人装置提供充电电源，控制系统的操控终端通过通讯系统传递命令来控制机器人装置。

除此之外，矿用带式输送机巡检机器人装置由机器人本体和安装在机器人本体上的传感器、摄像机、照明灯等设备组成，共同协调工作来完成运输机的检测与维护工作。从而可以极大的简化皮带运输机的巡检系统。

皮带运输机对矿场的安全生产至关重要，但是对皮带运输机的检测中往往采用的是人工巡检方式，在人工巡中，工人容易产生疲劳，致使工作质量下降，从而导致灾害事故时有发生。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种皮带运输机智能巡检机器人，可以实现定点定时的巡检皮带运输机的工作状态，保证工作人员的人身安全和皮带运输机的运行状况，具有结构紧凑、移动灵活、易于控制、耐锈、抗压、抗疲劳的特点。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种皮带运输机智能巡检机器人，该巡检机器人安装在皮带运输机皮带的内部，通过钢丝绳连接有驱动电机，通过驱动电机的驱动力牵引巡检机器人在巡检机器人轮轨上沿直线行走，从而实现在皮带圈内的左右循环移动，来检测皮带运输机各关键部件的温度及其它异常信息；所述巡检机器人轮轨包括钢丝绳驱动轮盘和两导轨，钢丝绳驱动轮盘安装在驱动电机的转轴端，两导轨之间从驱动电机近端到远端依次安装有钢丝绳驱动端压紧轮、钢丝绳驱动端过渡轮、自动充电及数据传输插座、钢丝绳尾端过渡轮、钢丝绳尾端压紧轮、钢丝绳尾端换向轮，钢丝绳为环形设置，一端依次通过钢丝绳驱动轮盘、钢丝绳驱动端压紧轮、钢丝绳驱动端过渡轮、自动充电及数据传输插座、钢丝绳尾端过渡轮、钢丝绳尾端压紧轮、钢丝绳尾端换向轮后与另一端相连，钢丝绳驱动端压紧轮通过钢丝绳驱动端压紧轮轴安装在两导轨之间，所述巡检机器人包括机器人箱体和自动充电及数据传输系统，所述机器人箱体前后两侧分别安装有一横向毛刷式清扫机构，用于有效的清扫导轨上的粉尘和碎屑以保证巡检机器人安全运行，两翼分别安装有一红外热像仪转向系统，用于驱动红外热像仪实现其360度范围内自由旋转，用于皮带及设备关键部件进行温度状态检测；两侧分别安装两个行走轮系统，每一个行走轮系统中的两个行走轮均可围绕其悬臂轴进行旋转，自动调整其旋转角度，以维持巡检机器人行走的平衡性；顶部安装有视频监控系统，用于完成对运行设备周围违规人员的检测；所述巡检机器人上还安装有一霍尔测速定位系统，用于通过霍尔传感器将变化的电势转化为矩形脉冲信号来监测转轴的转速，从而实现巡检机器人运行速度的检测并实现准确定位；巡检机器人通过自动充电及数据传输系统将检测到的数据信息传送给上位机，方便上位机对相关数据进行处理。

优选地，所述钢丝绳驱动端过渡轮通过钢丝绳驱动端过渡轮轴安装在两导轨之间，钢在钢丝绳尾端过渡轮轴通过丝绳尾端过渡轮安装在两导轨之间，钢丝绳尾端压紧轮通过钢丝绳尾端压紧轮轴安装在两导轨之间，钢丝绳尾端换向轮通过钢丝绳尾端换向轮轴两导轨之间。

优选地，所述横向毛刷式清扫机构包括清扫步进电机、锥齿轮、传动轴、同步带、带轮、左旋及右旋毛刷，清扫步进电机通过锥齿轮带动两个传动轴转动，两个传动轴两端分别安装两组左旋及右旋毛刷，两个传动轴上设有两个带轮，两个带轮之间通过同步带传递动力。

优选地，所述红外热像仪转向系统包括巡检机器人横梁、红外热像仪步进电机、联接件和红外热像仪；红外热像仪步进电机固定安装于巡检机器人横梁上，红外热像仪通过联接件与红外热像仪步进电机相连，红外热像仪可以完成俯仰角度及偏航角的调节，其中红外热像仪的俯仰角度通过手动调节，而红外热像仪的偏航角通过红外热像仪步进电机来调节。

优选地，所述视频监控系统包括摄像头和摄像头步进电机；摄像头通过摄像头步进电机安装在机器人顶板上，可在正负45度范围内转动，通过无线传输模块与上位机相连。

优选地，所述机器人箱体内部设有

振动信号提取模块，用于在皮带运输机运送物品时进行机器人振动强度的获取，当振动强度达到一定值后，给驱动电机信号，让巡检机器人返回起始点；

锂电池，用于负责给控制主机、红外热像仪步进电机、摄像头步进电机、清扫装置步进电机及各种电子传感器供电；

无线传输模块，用于将巡检机器人所采集到的视频数据传输到上位机；

机身尾端照明模块，用于给巡检机器人尾端供光源；

机身尾端超声模块，当机器人返回到导轨末端时，给机器人信号，让机器人执行充电、数据传输插座模块与数据传输插头模块的对接控制命令；

机器人正常工作绿色指示灯，当机器人开机正常运行时，绿色指示灯亮；

机器人停机或其它异常状态黄色指示灯，机器人在巡检中途中遇阻停机或其它异常状态工作时，黄色指示灯亮；

控制主机，用于进行红外及超声传感系统的数据采集，同时负责控制机器人清扫装置、红外热像装置及视频装置的驱动控制；

机身前端超声模块，用于检测巡检机器人前端障碍物，当机器人行驶到轨道端部或前方有较大障碍物，给驱动电机信号，让机器人执行反向行驶命令；

机身前端照明模块，用于给机器人前端提供光源。

优选地，所述在机器人箱体上设有一声光报警灯，用于根据控制主机发送的信号执行相应的报警工作。

优选地，所述自动充电及数据传输系统包括自动充电及数据传输插头、机身尾端超声模块、机身前端超声模块、自动充电及数据传输插座；自动充电及数据传输插头安装于巡检机器人的尾部，用于将采集到的所有相关数据传输给上位机，同时用于与自动充电及数据传输插座对接后给锂电池充电；自动充电及数据传输插座固定安装于机器人行驶导轨上；机身前端超声模块及机身尾端超声模块分别安装于巡检机器人顶部的前后两端。

优选地，选用上置式自动充电模式为巡检机器人充电，首先检测出机身与插座的距离接近对接初始值时，控制主机会控制自动充电及数据传输插头缓慢与自动充电及数据传输插座完成对接，对接完成后，巡检机器人会把检测到的相关数据按照一定的队列传送给上位机，之后巡检机器人对相关数据进行处理，对皮带运输机的运行状态做出评价，同时控制主机会自动检测锂电池的电量值，如果电池电量恰好处于预设的充电电量值范围，则给锂电池进行充电，反之则不用给锂电池充电；巡检机器人充电和数据传输完成后，控制主机控制驱动电机以一定速度逆向运转，以完成插头与插座的脱离，当超声波检测到插座与机器人机身的距离再次达到对接初始值时，巡检机器人立即加速到正常工作速度以投入巡检工作。

优选地，所述清扫装置步进电机安装在机器人机身内部，以节省空间。

本发明具有以下有益效果：

可以代替工人完成对皮带运输机的日常巡检工作；可以对关键零部件进行巡回监测，当机器人检测皮带运输机的温度、振动相应数据达到其极限设定值时，声光报警器会及时发送报警信号，从而保障了皮带运输机的正常运行；巡检机器人结构简单，可自主完成充放电工作，成本低，在使用时安装于皮带运输机内侧，不需要额外空间，安装方便；通过视频监控系统的设计实现了对皮带运输机的工作状态的实时监控以及红外热像仪、摄像头、清扫装置的远程控制；。巡检机器人两侧安装有毛刷，可以完成对轨道灰尘及其它小型了障碍物的清扫工作；可以把每次采集到的信息进行储存，并通过相应数据传输接口传送给上位机，以便分析。

附图说明

图1为本发明实施例巡检机器人的动力传动简图。

图2为本发明实施例巡检机器人轮轨的结构示意图。

图3为本发明实施例巡检机器人的结构示意图。

图4为图3的底视图。

图5为图3的侧视图。

图6为本发明实施例横向毛刷式清扫机构的原理图。

图7为本发明实施例自动充电及数据传输系统结构示意图。

图8为本发明实施例视频监控系统结构图。

图9为本发明实施例巡检机器人自动充电的流程图。

图10为本发明实施例中机器人箱体的结构图。

图11为本发明实施例巡检机器人整体结构示意图。

图中：1-驱动电机、2-钢丝绳驱动轮盘、3-钢丝绳驱动端压紧轮、4-钢丝绳驱动端过渡轮、5-导轨、6-钢丝绳尾端过渡轮、7-钢丝绳尾端压紧轮、8-钢丝绳尾端换向轮、9-钢丝绳尾端换向轮轴、10-钢丝绳尾端压紧轮轴、11-钢丝绳尾端过渡轮轴、12-自动充电及数据传输插座、13-钢丝绳驱动端过渡轮轴、14-钢丝绳驱动端压紧轮轴、15-联接件、16-毛刷、17-行走轮、18-红外热像仪、19-机器人箱体、20-摄像头、21-霍尔转速传感器、22-红外热像仪步进电机、23-巡检机器人横梁、24-声光报警灯、25-同步带、26-带轮、27-传动轴、28-锥齿轮、29-自动充电及数据传输插头、30-皮带、31-巡检机器人、32-钢丝绳、33-巡检机器人轮轨、34-清扫步进电机、35-机器人顶板、36-振动信号提取模块、37-锂电池、38-无线传输模块、39-机身尾端照明模块、40-机身尾端超声模块、41-机器人正常工作绿色指示灯、42-机器人停机或其它异常状态黄色指示灯43-控制主机、44-机身前端超声模块、45-机身前端照明模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-图11所示，本发明实施例提供了一种皮带运输机智能巡检机器人，该巡检机器人31安装在皮带运输机皮带30的内部，通过钢丝绳32连接有驱动电机1，通过驱动电机1的驱动力牵引巡检机器人31在巡检机器人轮轨上沿直线行走，从而实现在皮带圈内的左右循环移动，来检测皮带运输机各关键部件的温度及其它异常信息；所述巡检机器人轮轨包括钢丝绳驱动轮盘2和两导轨5，钢丝绳驱动轮盘2安装在驱动电机1的转轴端，两导轨5之间从驱动电机1近端到远端依次安装有钢丝绳驱动端压紧轮3、钢丝绳驱动端过渡轮4、自动充电及数据传输插座12、钢丝绳尾端过渡轮6、钢丝绳尾端压紧轮7、钢丝绳尾端换向轮8，钢丝绳32为环形设置，一端依次通过钢丝绳驱动轮盘2、钢丝绳驱动端压紧轮3、钢丝绳驱动端过渡轮4、自动充电及数据传输插座12、钢丝绳尾端过渡轮6、钢丝绳尾端压紧轮7、钢丝绳尾端换向轮8后与另一端相连，钢丝绳驱动端压紧轮3通过钢丝绳驱动端压紧轮轴14安装在两导轨5之间，所述巡检机器人31包括机器人箱体19和自动充电及数据传输系统，所述机器人箱体19前后两侧分别安装有一横向毛刷式清扫机构，用于有效的清扫导轨5上的粉尘和碎屑以保证巡检机器人31安全运行，两翼分别安装有一红外热像仪转向系统，用于驱动红外热像仪18实现其360度范围内自由旋转，用于皮带及设备关键部件进行温度状态检测；两侧分别安装两个行走轮系统，每一个行走轮系统中的两个行走轮17均可围绕其悬臂轴进行旋转，自动调整其旋转角度，以维持巡检机器人31行走的平衡性；顶部安装有视频监控系统，用于完成对运行设备周围违规人员的检测；所述巡检机器人31上还安装有一霍尔测速定位系统，用于通过霍尔传感器21将变化的电势转化为矩形脉冲信号来监测转轴的转速，从而实现巡检机器人31运行速度的检测并实现准确定位；巡检机器人31通过自动充电及数据传输系统将检测到的数据信息传送给上位机，方便上位机对相关数据进行处理。

所述钢丝绳驱动端过渡轮4通过钢丝绳驱动端过渡轮轴13安装在两导轨5之间，钢在钢丝绳尾端过渡轮轴11通过丝绳尾端过渡轮6安装在两导轨5之间，钢丝绳尾端压紧轮7通过钢丝绳尾端压紧轮轴10安装在两导轨5之间，钢丝绳尾端换向轮8通过钢丝绳尾端换向轮轴9两导轨5之间。

如图6所示，所述横向毛刷式清扫机构包括清扫步进电机34、锥齿轮28、传动轴27、同步带25、带轮26、左旋及右旋毛刷16，清扫步进电机34通过锥齿轮28带动两个传动轴27转动，两个传动轴27两端分别安装两组左旋及右旋毛刷16，两个传动轴27上设有两个带轮26，两个带轮26之间通过同步带25传递动力，所述左旋及右旋毛刷16采用螺旋滚辊式毛刷，它可以实现巡检机器人将灰尘向不同的方向进行扫除，不仅清扫效率大大提高，还减轻了巡检机器人的质量。

横向毛刷式清扫机构的工作方式：控制主机43通过发送脉冲信号控制清扫步进电机34以一定的速度进行运转，动力再通过锥齿轮28和同步带25传动传递到螺旋滚辊式毛刷16进行转动，使螺旋滚辊式毛刷以一定的转速清扫导轨5，同时左右两侧毛刷16旋向不同，可以保证清扫步进电机34通过锥齿轮28及两个带轮26驱动左旋及右旋毛刷16时，毛刷可以把导轨5上的灰尘清扫到机器人两侧，方便清洁人员对周围环境进行打扫。

如图3、图4和图5所示，所述红外热像仪转向系统包括巡检机器人横梁23、红外热像仪步进电机22、联接件15和红外热像仪18；红外热像仪步进电机22固定安装于巡检机器人横梁23上，红外热像仪18通过联接件15与红外热像仪步进电机22相连，红外热像仪18可以完成俯仰角度及偏航角的调节，其中红外热像仪18的俯仰角度通过手动调节，而红外热像仪18的偏航角通过红外热像仪步进电机22来调节。

红外热像仪转向系统的主要工作任务是检测传送带和托辊的工作温度，当皮带和托辊的工作温度超过一定值时，单片机会发出信号以控制皮带运输机的运行速度来控制温度的升高，从而避免皮带30由于温度过高而灼伤，在一定程度可以增加运输带的可靠性和延长其寿命。

工作原理：红外热像仪转向系统主要用于皮带及设备关键部件进行温度状态检测；红外热像仪18在巡检机器人两翼分别安装一个，并且由单片机控制一台红外热像仪步进电机22驱动其在空间实现360度范围内自由旋转，以达到全方位无死角的对皮带运输机进行温度检测。其俯仰角度是通过手动进行调节，调节角度为正负30度。当红外热像仪转向系统检测到皮带运输机温度达到其极限值时，控制主机43会给声光报警灯24发送相关命令，当温度在正常工作范围内时，机器人在返回到其起始位置时，会把红外热像仪转向系统检测到的视频及温度信息通过数据传送接口传送给上位机，方便上位机对相关数据进行处理。

随着巡检机器人在导轨5上运行，控制主机43会实时自动向红外热像仪步进电机22传送脉冲信号以控制电机轴按照一定的角度进行水平方向360度正转或反转，红外热像仪18和红外热像仪步进电机22之间通过联接件15与转向盘进行连接，当红外热像仪步进电机22转动一定的角度时，红外热像仪18也会随之转过相应的角度值。在正常工作中，红外热像仪18将采集到的图像通过横梁底部的线槽传送到巡检机器人的控制主机43，进行图像检测和分析。

如图8所示，所述视频监控系统包括摄像头20和摄像头步进电机33；摄像头20通过摄像头步进电机33安装在机器人顶板35上，可在正负45度范围内转动，通过无线传输模块46与上位机相连。

如图10所示，所述机器人箱体19内部设有

振动信号提取模块36，用于在皮带运输机运送物品时进行机器人振动强度的获取，当振动强度达到一定值后，给驱动电机1信号，让巡检机器人返回起始点；

锂电池37，用于负责给控制主机43、红外热像仪步进电机22、摄像头步进电机33、清扫装置步进电机34及各种电子传感器供电；

无线传输模块38，用于将巡检机器人所采集到的视频数据传输到上位机；

机身尾端照明模块39，用于给巡检机器人尾端供光源；

机身尾端超声模块40，当机器人返回到导轨末端时，给机器人信号，让机器人执行充电、数据传输插座模块38与数据传输插头模块的对接控制命令；

机器人正常工作绿色指示灯41，当机器人开机正常运行时，绿色指示灯亮；

机器人停机或其它异常状态黄色指示灯42，机器人在巡检中途中遇阻停机或其它异常状态工作时，黄色指示灯亮；

控制主机43，用于进行红外及超声传感系统的数据采集，同时负责控制机器人清扫装置、红外热像装置及视频装置的驱动控制；所述清扫装置步进电机34安装在机器人机身内部，以节省空间。

机身前端超声模块44，用于检测巡检机器人前端障碍物，当机器人行驶到轨道端部或前方有较大障碍物，给驱动电机1信号，让机器人执行反向行驶命令；

机身前端照明模块45，用于给机器人前端提供光源。

所述在机器人箱体19上设有一声光报警灯24，用于根据控制主机发送的信号执行相应的报警工作。

如图7所示，所述自动充电及数据传输系统包括自动充电及数据传输插头29、机身尾端超声模块40、机身前端超声模块44、自动充电及数据传输插座12；自动充电及数据传输插头29安装于巡检机器人31的尾部，用于将采集到的所有相关数据传输给上位机，同时用于与自动充电及数据传输插座12对接后给锂电池37充电；自动充电及数据传输插座12固定安装于机器人行驶导轨5上；机身前端超声模块44及机身尾端超声模块40分别安装于巡检机器人31顶部的前后两端。

如图9所示，本具体实施选用上置式自动充电模式为巡检机器人31充电，首先检测出机身与插座12的距离接近对接初始值时，控制主机43会控制自动充电及数据传输插头29缓慢与自动充电及数据传输插座12完成对接，对接完成后，巡检机器人会把检测到的相关数据按照一定的队列传送给上位机，之后巡检机器人对相关数据进行处理，对皮带运输机的运行状态做出评价，同时控制主机43会自动检测锂电池37的电量值，如果电池电量恰好处于预设的充电电量值范围，则给锂电池37进行充电，反之则不用给锂电池充电；巡检机器人充电和数据传输完成后，控制主机43控制驱动电机1以一定速度逆向运转，以完成插头29与插座12的脱离，当超声波检测到插座12与机器人机身的距离再次达到对接初始值时，巡检机器人立即加速到正常工作速度以投入巡检工作。

如图4所示，所述霍尔转速传感器21固定在机器人的底盘上，当机器人以一定的速度运行时，转轴上的齿轮也随之转动，由于齿轮齿顶与齿根交替经过霍尔传感器的前端时会引起磁场的相应变化，当齿轮穿过霍尔元件产生磁力线较为分散的区域时，磁场相对较弱，而穿过产生磁力线较为密集的区域时，磁场就相对较强。磁场的变化会引起霍尔电势的变化，霍尔转速传感器21通过将变化的电势转化为矩形脉冲信号来测出转轴的转速。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。