一种煤矿用搜救机器人

本实用新型属于机器人技术领域，具体公开了一种煤矿用搜救机器人。

背景技术：

煤矿用搜救机器人的本质就是为了减少搜救人员受到危险的同时增加被困人员获救几率，这种机器人用途多是在于一些危险的场景以及排爆场景的情况下，多数场景会对救援人员的生命安全造成极大威胁，甚至引发二次事故。

煤矿用搜救机器人通常设置有高清摄像头，便于搜救人员进行远距离线控或者无线操控，并且按照不同的地形还设置有不同的探测仪器，用于搜救被困人员。

煤矿用搜救机器人多是使用相同的底盘结构，虽然综合越障能力较为优秀但是，遇到特殊的环境例如涉水、高台、深坑等一些列环境的越障能力是及其有限的，这就大大局限了搜救机器人的搜寻范围。并且由于被困人员大多数是丧失了行动力的，机器的便捷互动、便捷操作就显得很重要。

技术实现要素：

一种煤矿用搜救机器人是为了营救被困矿内人员研制的，目的是制造一款能够代替救援人员进行一期搜寻的先遣机器人，并且可以长时间的在危险区域进行搜救活动，拥有对于障碍物，沟壑，水面有着较强的通过能力。可以进行瓦斯浓度、氧气浓度检测、地形勘探、障碍清除、被困人员定位等前期工作，在搜索到被困人员后可以尽快的发送被困人员所在的地址、矿道情况、给予应急补给延续救援黄金时间。

为了完成上述目标，本实用新型的基础要素是：一种煤矿用搜救机器人，包括履带机构、机械臂机构、箱体机构、冷却机构、上盖机构、探测机构和外挂吊舱机构，所述履带机构安装与箱体机构下部，上盖机构安装在箱体机构上部，外挂吊舱机构、机械臂机构、探测机构均安装在上盖机构上，冷却机构安装在箱体机构内部；

所述履带机构包括与箱体连接的外挡板，所述外挡板与箱体通过螺栓连接，外挡板内部设有驱动轮机构、承重轮机构、张紧轮机构，承重轮机构上设有支撑履带的支撑机构，在轮系结构外侧设有履带结构；

所述驱动轮机构由驱动轮、驱动轮保持架、压紧轴承、驱动电机构成，驱动轮上设有轮齿与履带上的齿相互啮合，压紧轴承与驱动轮过盈安装，保持架通过螺柱锁紧，保持架与外侧挡板通过螺柱连接；

所述承重轮机构由承重轮、承重轮保持架、压紧轮、压杆、复位弹簧、承重轮主体、托轮保持架、托轮组成，承重轮安装在承重轮保持架上与承重轮主体铰接，压紧轮安装在压杆一端，复位弹簧安装在压杆另一端，压紧轮压紧承重轮保持架，压杆中心与承重轮主体铰接，承重轮主体与托轮保持架通过螺栓连接，托轮与托轮保持架铰接，承重轮主体和托轮保持架均与外侧挡板通过螺栓连接。

所述张紧轮机构由张紧轮、张紧轮保持架、张紧机构、张紧丝杠、张紧电机、压紧轴承组成，张紧轮通过双头螺柱连接在张紧轮保持架上、张紧轮保持架嵌与张紧机构的滑槽当中，张紧机构与箱体通过螺栓连接，张紧丝杠被固定在张紧机构当中，张紧轮保持架上的螺母嵌套在张紧丝杠上，通过张紧电机驱动；

所述履带内部依次绕过驱动轮、承重轮、张紧轮、托轮，依靠各轮张紧力固定在外侧挡板内侧；

所述机械臂机构包括，机械爪机构、机械大臂、y轴抬升步进电机、锁紧装置、底座、z轴扭转步进电机、辅助支撑组成，机械爪与机械大臂、机械大臂与机械大臂、机械大臂与底座均由锁紧机构连接，锁紧机构是由车有螺纹的y轴电机抬升轴、压紧盖板、锁紧螺母、止推垫片、推力轴承组成，机械爪的一端与机械大臂铰接，机械大臂上装有y轴抬升步进电机，y轴电机抬升轴穿过两臂之后，又穿过压紧盖板，压紧盖板上下分别设有推力轴承，推力轴承分别于机械爪和止推垫圈压紧，锁紧螺母与y轴电机抬升轴通过螺纹连接，依靠止推垫片锁紧防止松脱；

所述机械大臂与机械大臂、机械大臂与底座的连接方式同[0012]；

所述底座与x轴扭转步进电机通过z轴扭转步进电机轴连接，底座下部与x轴扭转步进电机外壳之间设有辅助支撑机构，是由销轴及减磨轴承组成，协助保持机械臂平衡；

所述机械爪机构是由机械指，回位弹簧，减磨轴承，楔形块，楔形块固定盖板，机械掌，夹紧丝杠，夹紧电机，夹紧螺母，x轴扭转步进电机，机械爪保持架组成，机械指的中部与机械掌铰接，机械指的一端装有减磨轴承，依靠回位弹簧压紧在楔形块上，楔形块通过滑槽固定在机械掌内部，楔形块后部通过螺栓安装有楔形块固定盖板，楔形块固定盖板与夹紧螺母通过螺栓和止推垫片连接，夹紧螺母与夹紧丝杠互相嵌套，夹紧丝杠与夹紧电机通过夹紧电机轴连接，夹紧丝杠，夹紧螺母，夹紧电机，x轴旋转步进电机均安装在机械爪保持架中，机械爪保持架与机械掌外部均由螺柱锁紧，并装有局部气体检测仪，夜视记录仪，红外测距仪以及运动检测雷达；

机械爪的工作原理是，当运动检测雷达以及夜视记录仪等发现障碍物时，通过内置程序判断障碍物的长宽高，以及所处的位置，进行逻辑分析，分析后进行决定是进行清障活动，还是进行翻越程序。当进行清障程序时，由主控cpu控制夹紧电机和y轴电机的输出功率，并利用x，y轴步进电机的辅助调整角度进行试夹取，并且适当放松张紧电机的履带张紧尺寸，使得整机可以充分使用复位弹簧的支撑力分散所承受的额外质量，当所加持的物体被整机其他雷达捕捉出明显的运动位移时，证明整机对于此障碍物具有清除能力，此时继续进行清障程序，利用整机四周及其上部的探测雷达和夜视记录仪生成所处地区的大致空间分布图，决定如何放置被移除的障碍物，将此障碍物搬运到整机不影响通过的地方后程序结束，进行下一步操作。如果当cpu调整y轴抬升步进电机功率达到可长时间维持功率的85～90％时，取消清障操作，利用整机四周的探测雷达和夜视记录仪创建模拟越障通道，闭合机械指，锁死夹紧电机，利用机械臂上的运动检测雷达辅助整机进行越障操作，并且通过cpu调整张紧电机，适当绷紧履带，使得各轮撑紧履带，当履带一侧离开地面时，防止履带脱落，当进行一次越障后，通过雷达测算整机与地面角度，满足整机静止的条件后，撤回机械臂进行下一次越障操作；

所述箱体机构包括，底盘、夹紧电机保持架、电池及其底座，底盘用于承载电池驱动电机，安装履带，安装夹紧机构夹紧电机，安装主动式无线电，用于联系被困人员，确定被困人员位置。在箱体前侧有60°倾角的25mm均质装甲板，可以抵挡矿内爆炸的冲击以及飞溅物的击打保护箱体内部组件完整；

所述冷却机构包括，冷却液贮存箱、冷却泵、导热板、液冷铜管组成，因为整机为了防爆防火以及防水的设计，箱体内部是密封的，当驱动电机、供电电池、探测雷达以及控制系统在扫描地形并且进行数据分析时，会产生大量的热，所以此机构原理是：将内置的高发热元件的热量，利用导热板传到到冷却液之中，通过冷却泵的压力推动，使得高温液体被压入箱体上部的液冷铜管和散热肋板，利用矿下几百米处的低温进行冷却降温，在箱体的侧面和底部均设有石墨散热膜以及散热硅脂，并且利用箱体当做均热板进行冷却降温。在越障作业中，冷却泵的流量为定值，降低流动液体对车体重心产生改变造成的影响；

所述上盖机构包括，机械臂连接法兰、防滚架、顶部挡板、散热格栅、外挂挂仓挂点，机械臂连接法兰使用螺栓与机械臂连接，为防止螺栓受力不均产生疲劳破坏，机械臂的静置水平角度应在-25°～+25°内随按时间顺次偏移。防滚架与上盖之间使用螺栓连接，顶部盖板采用磁铁吸附，用于将坍塌的落石的冲击力分散到防滚架上，防滚架前部设有30°5mm均值非金属装甲板，用于减轻矿内爆炸的冲击波和飞石对探测雷达的冲击。散热格栅与上盖采用磁铁吸附，用于减少爆炸塌陷造成的飞溅物对液冷铜管的损害；

所述探测机构包括运动检测雷达、主动探测雷达、夜视记录仪、气体成分监测器、主探测器，运动检测雷达均布与箱体四周和上部、机械爪，主要用于修正整机姿态，补全内置地图盲点，用于进行自主前进、自主避障。夜视记录仪设置在机械爪，箱体四周和上部，用于记录矿道内部环境，便于搜救人员规划前进路线。气体成分监测器设在机械爪和防滚架内部，主要用于探测局部地区瓦斯浓度含量，氧气含量和整个矿道内气体成分，便于救援人员进行防护或者通风处理。主探测器置于防滚架内部，主要用于探测前方地形和矿道顶部坍塌情况，对于矿道内的环境情况进行实时分析，将数据传递到cpu以判断前方矿道是否可以继续进行搜救操作，并自助规划路线；

所述外挂吊舱机构包括，探测雷达底座、夜视记录仪底座、内置天线、数据传输接口、替换吊舱，探测雷达和夜视记录仪可以依靠磁铁自动定位，并依靠卡扣及螺纹连接在外挂吊舱上。数据传输接口设置在主前置夜视记录仪底座内部，可通过无线或有线传输记录数据。内置天线可以使得整机在原本自主运行/遥控操控的基础上大大加强信号传输距离和遥控范围，并可以增加数据传输速度降低数据传输延迟。替换吊舱的作用是在保留外挂吊舱的基础功能的前提下，去除外挂装甲，更换为维生附加吊舱、货运附加吊舱、浮筒外加吊舱，维生附加吊舱内部含有，水、应急食物、绷带、应急光源、消毒用品，均可由机械臂进行抓取操作，避免被困人员无法移动。货运吊舱可以装载救援设备，担架、夹板、检测设备、维修设备等，伴随救援人员进行运载工作。浮筒吊舱可以大大加强整机的浮力，由于本机箱体为前密封设计，故可以涉水操作，对于渗水区域可采用划水通过。由于外挂吊舱内部有隔断，故而可根据使用需求选择所需功能模块；

附图说明

图1是本实用新型一种煤矿用搜救机器人实施例1的示意图；

图2是本实用新型一种煤矿用搜救机器人机械臂实施例1的示意图；

图3是本实用新型一种煤矿用搜救机器人机械爪实施例1的剖视图；

图4是本实用新型一种煤矿用搜救机器人机械臂锁紧结构实施例1剖视图；

图5是本实用新型一种煤矿用搜救机器人履带实施例1的结构示意图；

图6是本实用新型一种煤矿用搜救机器人履带支撑结构实施例1的结构剖视图

图7是本实用新型一种煤矿用搜救机器人履带张紧结构实施例1的结构示意图

图8是本实用新型一种煤矿用搜救机器人箱体实施例1的结构的剖视图；

图9是本实用新型一种煤矿用搜救机器人外挂吊舱实施例1的示意图图；

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：机械臂部件1、上盖部件2、履带部件3、底盘部件4、机械爪10、机械臂固定部件、y轴抬升电机12、机械大臂13、底座14、z轴旋转电机器15、机械指101、回位弹簧102、机械指心轴103、减磨轴承104、楔形块105、楔形块固定盖板106、夹紧螺母107、夹紧电机108、x轴旋转电机109、机械爪联轴器110、机械爪保持架111、夹紧丝杠112、楔形块限位挡板114、机械掌115、y轴电机抬升轴116、锁紧螺柱117、机械爪锁紧螺母118、压紧盖板119、压紧推力轴承120、止推垫片121、锁紧螺母122、驱动轮保持架31、驱动轮32、承重轮主体33、托轮保持架34、履带35、张紧轮机构36、张紧机构37、承重轮331、承重轮心轴332、压紧轮333、复位弹簧334、压杆335、压杆心轴336、承重主体保持架337、承重轮保持架心轴338、承重轮保持架339、托轮341、托轮保持架342、张紧主体371、张紧电机轴372、张紧丝杠373、张紧螺母374、张紧轮保持架375、张紧轮心轴361、张紧轮362、主探测雷达401、装甲板402、液冷铜管403、驱动电机404、导热板405、电池及其控制系统406、回流软管407、冷却泵408、冷却液贮存箱409、补给舱盖及主动式无线电410、张紧电机411、张紧电机保持架412、后置夜视仪413、前置运动检测雷达及其夜视记录仪415。前置主夜视记录仪51、夜视仪底座/数据接口52、顶部夜视记录仪53、侧边夜视记录仪54、侧边运动检测雷达55、外挂吊舱56、外挂吊舱挂点57、顶部探测雷达58。

实施例1

当机体正常前进时，当机体检测到遥控信号开始衰弱，延迟开始变高，立即切换为内置地图兼外部雷达搜索前进方式，自主调整履带部件3适应地面情况，通过主探测雷达401前置运动检测雷达及其夜视记录仪415，发现遇到障碍物较为低矮易于翻越的障碍，自主通过电池及其控制系统406，改变张紧电机411的输出功率，使得张紧丝杠373旋转，由于张紧主体371由螺栓固定在箱体414上，故可以推动张紧螺母374移动，又因为张紧螺母374与张紧轮保持架375使用螺栓连接，所以张紧轮保持架375可在张紧主体371的滑槽内滑移，带动张紧轮362放松履带35，使得整机重心下移，使得履带35被承重轮主体33所压紧增强整机抓地能力，同时保证驱动电机404的输出功率在60％-85％间内进行输出。当遇到小型障碍物时，通过通过主探测雷达401前置运动检测雷达及其夜视记录仪415，自主通过电池及其控制系统406，调整驱动电机输出功率从60％-85％提升至95％，带动驱动轮32和履带35进行低矮障碍物越障操作。当前置运动检测雷达及其夜视记录仪415检测到整机有明显位移变化，证明整机驱动电机功率足以翻越障碍，故维持功率输出。

实施例2

当整机跨越低矮障碍物时，由于履带35张紧力下降，承重轮主体33开始起到协助翻越的作用保证整机抓地力良好，当遇到障碍物推起承重轮331时，承重轮保持架339被迫围绕着承重轮保持架心轴338旋转，被障碍物顶起，此时压紧轮333被压杆335另一端的复位弹簧334围绕压杆心轴336压紧在承重轮保持架心轴338上，故使得复位弹簧334形变量增加，由于整机质量未变，所以复位弹簧334受到了本机自重以外的额外重量，使得其有恢复原状的趋势，从而使得承重轮331紧紧压紧障碍物，当障碍物消除依靠复位弹簧334的拉力使整机支撑主体33恢复原状；当遇到小型沟壑(保证四对承重轮331可接触地面)时，承重轮331和承重轮保持架339在重力作用下被迫围绕着承重轮保持架心轴338旋转，压紧轮333和压杆335受到复位弹簧334的压力，不会将重量施加给承重轮保持架339，由于承重轮保持架339设计有-8°的压紧俯角，用于实现局部低矮路面的履带贴合能力，当承重轮331悬空时其自重由承重主体保持架337承担不会增加履带35的负担。

实施例3

当遇到小型障碍物时，通过通过主探测雷达401前置运动检测雷达及其夜视记录仪415，自主通过电池及其控制系统406，调整驱动电机输出功率从60％-85％提升至95％，带动驱动轮32和履带35进行低矮障碍物越障操作。当前置运动检测雷达及其夜视记录仪415检测到整机无明显位移变化，证明整机驱动电机功率不足以翻越障碍，故而采取二号方案。利用侧边夜视记录仪54、侧边运动检测雷达55、顶部探测雷达58，探测整机周围环境，自主通过电池及其控制系统406寻找其他路线，若发现有大小足够通行的较平坦路面，则通过电池及其控制系统406带动驱动轮32和履带35进行转向、前进等操作。

实施例4

当整机高速移动和越障的情况下，电池及其控制系统406、驱动电机404会产生大量的热量，由于本机有防爆防水的设计，故具有良好的气密性与防护能力，故而热量会长时间囤积，会导致控制系统的处理性能下降，电池的能量损耗加快，以及驱动电机404过热的时间缩短。故而因此本机设计有冷却系统，根据内置和外置的温度传感器调整整机的冷却系统的效率。其冷却系统工作原理是利用导热板405及其内部含有的冷却液将驱动电机404和电池及其控制系统406散发的热量吸收，通过冷却泵408的压力，被挤入液冷铜管403，当温度低于机体内部温度时，冷却液通过回流软管407压入冷却液贮存箱409中，再由冷却泵408压入导热板405当中，由于地下温度变化的较大，故而冷却液贮存箱409内置有强制冷系统，当风冷液冷循环无法抵消产生的热量时(例如矿内发生火灾、爆炸导致外部温度上升或者要长时间执行地表作业时)，强制冷启动维持整机一定时间内全功率运行，保证环境剧烈变化时，整机运行的稳定性。当本机置于地表较浅处，而且整机内部热量高于设定冷却系统启动温度时，整机加速前进，冷却系统以慢速运转，让冷却系统中的液冷铜管403可以长时间裸露在较低温环境中，提高降温效率；当本机置于地下较深处，冷却系统以较快速运转，提高降温效率。

实施例5

当利用侧边夜视记录仪54、侧边运动检测雷达55、顶部探测雷达58、主探测雷达401、前置运动检测雷达及其夜视记录仪415均无法检测到有直接可以通行的道路后，自主通过电池及其控制系统406进行清障作业，将机械臂部件1从-25°～25°偏置存放角度中唤醒，归为0°后，进行越障参数分析。通过顶部探测雷达58、顶部夜视记录仪53探测洞顶高度以及是否有塌陷情况，通过电池及其控制系统406驱动y轴抬升电机12，将机械臂抬升至距离洞顶10cm以上的高处，通过机械爪10的机械爪保持架111上面自带的夜视记录仪，激光测距仪器，运动检测雷达和气体检测器，探测清障操作是否存在引燃瓦斯的风险，若有则取消操作，主动联系搜救人员等待指令；若没有爆炸可能性，则继续测量障碍物的大小尺寸，以及机械臂的可运动空间。当测量结束后，机械臂部件1回到起始位置，进行清障操作。通过电池及其控制系统406，操纵张紧机构37使得整机重心大幅度下移，锁定驱动电机404，利用侧边夜视记录仪54、侧边运动检测雷达55、顶部探测雷达58，探测整机周围环境，确定障碍物清除后摆放位置，通过电池及其控制系统406，驱动y轴抬升电机12，x轴旋转电机109，z轴旋转电机15、根据之前测量的障碍物位置参数进行移动，当到达预定位置后，控制系统驱动夹紧电机108，使得夹紧丝杠112旋转，带动机械爪锁紧螺母118，推动楔形块限位挡板114和楔形块105，迫使机械指绕着机械指心轴104通过减磨轴承104的作用力进行夹紧，当夹紧电机108输出阻力突然增大时电池及其控制系统406停止夹紧操作，并使得驱动y轴抬升电机12以85％功率限位启动，若前置运动检测雷达及其夜视记录仪415发现障碍物有明显位移出现，则证明其障碍物可以被移动，则继续进行清障作业。按照事先观测的放置地点电池及其控制系统406操纵机械臂将障碍物搬运到到指定地点，然后反向驱动夹紧电机108，消除机械指上的压力，依靠回位弹簧102将机械指推回初始位置，等待下次抓取作业指令。电池及其控制系统406反向驱动y轴抬升电机12，x轴旋转电机109，z轴旋转电机15使机械臂机构1回到水平偏置-25°～+25°后静止；当发现y轴抬升电机12以100％进行抬升作业后依旧无法移动障碍物，则终止操作。

实施例6

当无法清除障碍物时，若根据侧边夜视记录仪54、侧边运动检测雷达55、顶部探测雷达58、主探测雷达401、前置运动检测雷达及其夜视记录仪415和机械爪保持架111上面自带的夜视记录仪，激光测距仪器，运动检测雷达检测到有存在越过障碍继续前进的可能性，则开始越障作业。电池及其控制系统406控制冷却系统，开启强制冷却，降低冷却泵风冷操作，减少冷却液对车体重心影响，控制机械臂夹紧电机108闭合，并锁死夹紧电机108，控制张紧电机411实行张紧操作，绷紧履带使得驱动轮32，张紧轮362，承重轮331，托轮341完全撑紧履带35，使之不会脱落。利用机械爪10撑住地面后，启动驱动电机404，同时辅助驱动y轴抬升电机12，使之随驱动电机404同步前进，使得整机车头根据障碍物尺寸规划抬升角度(不得超过与水平夹角65°)，当整机履带35以最大接触面积接触障碍物后，机械臂机构1撤回，继续驱动驱动电机404，并以机械臂机构1辅助攀爬，通过障碍物后，机械臂机构1归位，张紧机构37恢复正常行驶状态，继续执行搜救任务。

实施例7

当整机需要进行搜救以外的作业时，需额外加装维生附加吊舱、货运附加吊舱、浮筒外加吊舱，因为外挂吊舱5为对称式结构，因此两侧可加装不同种类附加吊舱，当需要附加挂仓时只需要移除外挂吊舱挂点57上的锁紧螺母，通过螺纹连接就可以完成安装。维生吊舱可以放置应急食品、药品和水，并可通过机械臂机构1自主装卸搬运送到被困人员手上，避免被困人员难以行动的情况下无法获得救援。货运吊舱可根据不同用途替换不同种类的吊舱大小，需要搬运被困人员时可拆除上盖机构2，更换为运载平台，利用主探测雷达401、前置运动检测雷达及其夜视记录仪415跟搜救人员协助救援；当需要搬运担架，夹板和简易支撑结构时只需依靠吊舱挂点57安装即可。当整机前进道涉水区时，由于整机密封故可以进行涉水运动，但涉水深度如果超过500mm，则需要外加浮筒外加吊舱，以保证探测器工作状态稳定，以及机械臂的正常运转。

实施例8

整机下部设有25mm倾角60°的均质装甲，上部有5mm厚非金属30°倾斜挡板，以及防滚架，在液冷铜管403设有散热格栅，侧边设有15mm外侧挡板，箱体为15mm均值铸铁，可保证整机正面抵挡瓦斯爆炸的冲击波以及飞溅物，最大限度保证机体内部数据完整。在必要时刻可作为被困人员的掩体和支撑物，在机体下部设有主动无线电，可在人员无法移动时与救援人员联系。

实施例9

以上所述的仅是本实用新型的实施案例，方案中已知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。需要说明的是，对于技术人员来说，在不脱离本实用新型结构或者创新实用新型点的前提下，还可以作出许许多多变形和改进，这些也视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实行的效果和专利的实用性。