专利名称：伴随灾情机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人，尤其是用于地质条件复杂条件下的瓦斯爆炸、突水、顶板 垮塌等事故将要发生时，进行灾害各项指标预报的机器人。
背景技术：
在国外，救灾机器人发展迅速，技术日益成熟，并进入实用化阶段，日本、美国、英 国等已在灾难现场中使用，救灾机器人能迅速找到幸存者的位置。日本大阪大学研制出蛇 形机器人，能在高低不平的模拟废墟上前进，其顶端带有一部小型监视器，身体部位安装传 感器，可以在地震后的废墟里寻找幸存者。美国iRobot公司研制PackBot系列机器人，能 适应崎岖不平的地形环境和爬楼梯，主要执行探测任务、寻找幸存者、勘探化学品泄漏等任 务，InuKtun公司研制了机器人MicroVGTV，机身可变位，采用电缆控制，含有直视的彩色摄 像头，并带有微型话筒和扬声器，可用于与灾难现场的幸存者通话，适用于在小的孔洞和空 间中执行任务。除了中小型救灾机器人，微型救灾机器人也正在研究中，美国加州大学伯克 利分校研制出世界第一个苍蝇机器人，通过装在它脑袋上的微型传感器与微型摄像机，可 以到倒塌的建筑物废墟底下或其他灾难场所寻找幸存者；在国内，探测救灾机器人的研究 刚刚起步，现在已经有中国矿业大学和唐山开诚电控设备集团等多家科研机构和企业，已 经开展了矿山救灾机器人的研制工作。目前全国共有高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井约9000多处，占矿井总数的30%左 右，每年因突出事故死亡人数近千人。突出矿井产量约占世界突出矿井总产量的24%，累计 突出次数约占世界总突出次数的40%以上。由于煤层地质条件差，各种类型构造、陷落住发育，在原有地应力、采动应力的影 响下，在开采过程中，巷道和采面发生瓦斯爆炸、涌水、顶板跨落等事故，由此造成重1大的 人员伤亡事故。之所以发生这些灾难，是因为在含煤层的沉积岩中，一般岩体都经历过自中 国大陆板块形成以来的几次大的构造运动，构造复杂、不均勻，围岩很破碎强度低，松动图 扩散速度大，顶板发生跨落的情况时有发生。根据勘察手段无法每个巷道完全清楚的查明， 没有两条巷道的地质与生产条件完全相同，同一条巷道不同地段的地质条件也不相同，生 产条件随时面临的危险，特别是在新构造影响强烈的地区，地应力很大，煤与瓦斯突出比较 严重；在构造发育矿区，奥灰水对煤矿的生产造成了很大隐患。因此，要实时对巷道和采面进行检测，随时向地面报告地下不同部位瓦斯的浓度、 通风情况，顶板支护变形情况，断层、小构造扩展情况，是相当重要的，如果在灾难发生之 前，及时发出警报，停止生产，人员撤出，采取相应的措施，避免灾难的发生。所以在灾难发 生之前进行预报尤为重要，做到防患于未然。
发明内容
本发明的目的在于提供一种伴随灾情机器人，包括总控平台和设置在其上的升降 机械臂、及输送驱动电力的电力线，总控平台上设置有车载综合控制计算机和定位导航设备，机械臂上设置有环境气体参数检测传感器、风速风向参数检测传感器、语音通讯设备、 温度传感器、导航和监控摄像机，电力线在输送驱动电力的同时进行遥控信号和检测数据 的传输，遥控端通过电力线向车载综合控制计算机控制传输遥控信号，以控制机器人上设 置的各设备完成指令工作。进一步，所述机器人上还设置有照明设备和电子调速器。进一步，所述导航和监控摄像机包括若干方向上的监控摄像头和多路视频切换 器，该多路视频切换器随时控制所述导航和监控摄像机选择前左视、前右视及后视图像。进一步，所述总控平台上设置有电力线缆收放装置，其上设置有自载电缆和拉力 传感器，该拉力传感器用于测量所述电力线拉力，以防止电力线被拉断的。进一步，所述电力线缆收放装置上设置有电力线波动机构，以防止缆线被卡。进一步，所述电力线上设置有标尺标识，为所述总控平台运行距离综合计算提供 辅助信息。进一步，所述车载综合控制计算机采用一片基于ARM9架构的AT91RM9200微处理 器及外围元器件实现。进一步，所述总控平台为遥控履带式平台。进一步，所述机器人上设置的各种设备均采用密封防水设计和模块化设计，所述 机器人采用整体防爆设计。本发明伴随灾情机器人可由人工远距离遥控行驶，将传统需要由人员冒较大危险 完成的任务交由机器人来完成。在矿难发生后，作为抢险人员的开路先锋，机器人首先进入 矿井，通过其载有多种传感器，到井下收集瓦斯、氧气、温度、风速、煤尘、水位、塌方等信息， 传到地面，为抢险方案决策提供重要依据。
图1为本发明结构示意图；图2为总控平台克服垂直障碍情况示意图；图3为机器人便携式控制台结构图；图4为机器人车载部分电子设备连接结构图；图5为双功率流转向机构原理简图示意图。
具体实施例方式如图1至图4所示，本发明伴随灾情机器人，包括总控平台1和设置在其上的升降 机械臂2、及输送驱动电力的电力线3、照明设备，总控平台1上设置有车载综合控制计算机 7和定位导航设备，机械臂1上设置有环境气体参数检测传感器4、风速风向参数检测传感 器5、语音通讯设备、温度传感器、导航和监控摄像机6、视音频服务器8和扩频数传电台16。总控平台1为遥控履带式平台，其具有成本低、机动性能好、通过性好、越障性好 的优点，最高可翻越20cm的连续台阶。由于采用先进的结构材料使履带式平台的结构重量 大大减轻，空载27kg的自重可方便运输与携带，这在同类小型机器人平台中具有很大的先 进性。本实施例中，总控平台1尺寸为长930*宽470*高254 (mm)，无负载时设计重量27公 斤。驱动系统采用两台额定功率为250瓦，额定转速3000rpm的直流电机，瞬间最大速度为9km/h，巡航速度7km/s。在无负载情况下，可爬45度坡。升降机械臂2在车载综合控制计算机的指令控制下，按照采样的要求，升降机械 臂2抬升到指定的高度，使相应传感器获取探测参数。车载综合控制计算机7采用嵌入式结构，其嵌入安装在总控平台1上，其由一片 基于ARM9架构的AT91RM9200微处理器及外围元器件实现。车载综合控制计算机7是整 个控制系统车载部分的核心，除接收数传数据链路从遥控端传输过来的遥控信息并提取正 确的控制信号外，还完成对传感器及导航设备采集的平台行驶过程中的位置信息、速度、航 向、载荷设备状态等数据的接收，根据路线规划任务进行处理，并向执行模块发送指令执行 相应任务。另外，车载综合控制计算机7还控制多路图像的切换，使摄像头能随时选择前左 视、前右视及后视图像。导航和监控摄像机6包括前左视摄像头11、前右视摄像头12、后视摄像头13和多 路视频切换器10，多路视频切换器10随时控制各摄像头选择前左视、前右视及后视图像。语音通讯设备包括高灵敏话筒14和大功率喇叭15，高灵敏话筒14可扑捉到矿井、 巷道中的微弱声音，以及时发现灾难时被埋人员，大功率喇叭15可向矿井、巷道中传入井 外的指挥信息等，利于矿难时对被困人员的救助，减小损失。视音频服务器8接收导航和监控摄像机6的视频信息和语音通讯设备的语音信 息，并将其转化压缩后输送到地面。电力线3在输送驱动电力的同时进行遥控信号和检测数据的传输，遥控端17通过 电力线3向车载综合控制计算机控制传输遥控信号，以控制机器人上设置的各设备完成指 令工作。采用电力线3进行数据传输，使机器人平台在输送电力的同时进行数据传输，一举 两得，将车载电池替换下来的重量用于线缆，搭载，解决了通信距离的问题。通过电力线3 进行图像语音传输通信，在为平台提供电力的同时，承担通信任务，满足高带宽的要求。本发明伴随灾情机器人在地面上还配备有小型移动计算机18，其可监控总控平台 1的位置、行驶方向、行驶轨迹及现场图像，便于超视距控制总控平台1。机器人上电子调速 器9可有效的调配总控平台1的运行状态，使其准确地到达目标区域。总控平台1上设置有电力线缆收放装置，其上设置有自载电缆和拉力传感器，该 拉力传感器用于测量电力线3拉力，以防止电力线3被拉断的。自载电缆使得总控平台1 能够运行到更深处的区域，提高其机动性。电力线缆收放装置上设置有电力线波动机构，在 施放的过程中，电力线波动机构能波动电力线，防止缆线被卡。同时，电力线1上设置有标 尺标识，为总控平台1运行距离综合计算提供辅助信息。本发明伴随灾情机器人设置的各种设备均采用密封防水设计和模块化设计，模块 化的结构可方便地将机器人平台拆卸装箱，因而使矿用救灾探测机器人平台的生产、装配、 调试、运输十分方便，且对操作人员技术水平要求不高，容易掌握，使用成本大大降低。并且 其采用密封防水设计和整体防爆设计，提高了矿用救灾探测机器人平台的机动能力，具备 较强的涉水。如图5所示，本发明伴随灾情机器人的总控平台1中驱动机构的结构及运动学原 理如下总控平台1中的驱动机构包括左转向电机19、右转向电机20、PWM控制器21、大太 阳轮22、星齿轮23、行星架24、左汇流行星排25、右汇流行星排26、驱动电机27、小太阳轮28、左侧传动29和右侧传动30、零轴31和换向器32。a.直线运动直线运动时，左转向电机19、右转向电机20制动从而使汇流行星排的大太阳轮22 制动。此时驱动电机27的动力经减速器、小太阳轮28输入两侧的左汇流行星排25、右汇流 行星排26，再经行星齿轮23带动行星架24输出至左侧传动29和右侧传动30。直线行驶 时，汇流行星排相当于一个减速器。只要转向电机制动可靠，两侧的驱动轮转速就能保持一 致。b.转向运动转向运动时，有两种工作情况(为便于叙述，规定机器人向前运动时的小太阳轮 28的旋转方向为正向，大太阳轮22的方向和小太阳轮28方向相同时也为正，反之为负向， 大太阳轮22完全制动时为零；(1)规定转向半径Rg > 0的转向在这种情况下，驱动电机27与左转向电机19、右转向电机20都参与工作。转向电 机通过差速齿轮的作用使两侧大太阳轮22的角速度大小相等、方向相反，内侧大太阳轮22 正转，而外侧大太阳轮反转。驱动电机27经过减速器传到两侧汇流行星排的小太阳轮28 上，使两侧小太阳轮28正转。由于行星架24输出的转速是相对于大太阳轮22的转速，故 内侧输出的转速是行星架24的转速与大太阳轮转速22之差(速度降低)；外侧则是行星 架24转速与大太阳轮22转速之和(速度增加)。机器人向低速侧转向。此时两侧行星轮 三元件(大太阳轮、小太阳轮、行星架)的运动关系如下夕卜侧
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权利要求
伴随灾情机器人，其特征在于，该机器人包括总控平台和设置在其上的升降机械臂、及输送驱动电力的电力线，总控平台上设置有车载综合控制计算机和定位导航设备，机械臂上设置有环境气体参数检测传感器、风速风向参数检测传感器、语音通讯设备、温度传感器、导航和监控摄像机，电力线在输送驱动电力的同时进行遥控信号和检测数据的传输，遥控端通过电力线向车载综合控制计算机控制传输遥控信号，以控制机器人上设置的各设备完成指令工作。
2.如权利要求1所述的伴随灾情机器人，其特征在于，所述机器人上还设置有照明设 备和电子调速器。
3.如权利要求1所述的伴随灾情机器人，其特征在于，所述导航和监控摄像机包括若 干方向上的监控摄像头和多路视频切换器，该多路视频切换器随时控制所述导航和监控摄 像机选择前左视、前右视及后视图像。
4.如权利要求1所述的伴随灾情机器人，其特征在于，所述总控平台上设置有电力线 缆收放装置，其上设置有自载电缆和拉力传感器，该拉力传感器用于测量所述电力线拉力， 以防止电力线被拉断的。
5.如权利要求4所述的伴随灾情机器人，其特征在于，所述电力线缆收放装置上设置 有电力线波动机构，以防止缆线被卡。
6.如权利要求5所述的伴随灾情机器人，其特征在于，所述电力线上设置有标尺标识， 为所述总控平台运行距离综合计算提供辅助信息。
7.如权利要求1所述的伴随灾情机器人，其特征在于，所述车载综合控制计算机采用 一片基于ARM9架构的AT91RM9200微处理器及外围元器件实现。
8.如权利要求1所述的伴随灾情机器人，其特征在于，所述总控平台为遥控履带式平台。
9.如权利要求1所述的伴随灾情机器人，其特征在于，所述机器人上设置的各种设备 均采用密封防水设计和模块化设计，所述机器人采用整体防爆设计。全文摘要
本发明公开了一种伴随灾情机器人，包括总控平台和设置在其上的升降机械臂、及输送驱动电力的电力线，总控平台上设置有车载综合控制计算机和定位导航设备，机械臂上设置有环境气体参数检测传感器、风速风向参数检测传感器、语音通讯设备、温度传感器、导航和监控摄像机，电力线在输送驱动电力的同时进行遥控信号和检测数据的传输，遥控端通过电力线向车载综合控制计算机控制传输遥控信号，以控制机器人上设置的各设备完成指令工作。本发明伴随灾情机器人可由人工远距离遥控行驶，作为抢险人员的开路先锋，先进入矿井，通过其载有多种传感器，到井下收集瓦斯、氧气、温度、风速、煤尘、水位、塌方等信息，传到地面，为抢险方案决策提供依据。
文档编号A62B99/00GK101961532SQ20101024869
公开日2011年2月2日 申请日期2010年8月9日 优先权日2010年8月9日
发明者孟凡滨, 孟达, 郑梦雨 申请人:孟凡滨;郑梦雨;孟达