矿山智能安全定位巡检机器人装置及系统的制作方法

本发明涉及矿山安全设备领域，尤其涉及一种矿山智能安全定位巡检机器人装置及系统。

背景技术：

矿山是开采矿石或生产矿物原料的场所，矿山开采属于高危险性行业，在生产过程中，安全是矿山的首要工作。影响矿山安全的因素有很多，主要有：滑坡、冒落、岩爆、溃坝、机械伤害、高处坠落、职业危害、车辆伤害、电伤害等；虽然矿山针对各项危害因素，制定有相应的安全防范措施，并且成立有相应的事故应急机制；同时矿山也有相应的安全规章制度，配备有专职安全人员，矿长也是矿山安全第一责任人；但是，由于事故具有突发性，相关人员无法随时、及时的视察，无法第一时间发现危险源，事故发生后，由于工作程序问题，也会造成事故也无法做到及时处理。

技术实现要素：

为实现矿山安全生产全生命周期管理，提高日常监管效率，本发明提出一种智能矿山安全巡检机器人的方案，主要针对井下危险源、设备设施、人员等进行安全巡检管理；同时，可用于大型露天矿山边坡稳定性监测及地下矿山危险源安全检测及对危险源的处理工作；也可以作为开放的矿区监测平台，可以搭载其他检测设备。

本发明具体采用以下技术方案：

一种矿山智能安全定位巡检机器人装置，其特征在于，包括：移动平台、以及安装在所述移动平台上的：分别连接控制器的供电装置、图像采集装置、自动撬锚装置和导航定位装置；

所述图像采集装置用于岩石裂缝的图像采集，所述岩石裂缝的图像用于采用人脸识别算法进行岩石裂缝的动态判断；

所述自动撬锚装置包括冲击钻和切割锯；

所述控制器通过无线通信连接上位机。

优选地，四个车轮独立悬挂于所述移动平台的底盘下方，每个所述车轮通过独立的驱动电机系统驱动，所述驱动电机系统控制车轮的转动和侧向移动。

优选地，所述图像采集装置包括至少两个摄像头，通过前端电机驱动的齿轮组件和微电机安装在移动平台的前部，所述齿轮组件控制摄像头在水平方向的转动，所述微电机控制摄像头在竖直方向的转动。

优选地，所述自动撬锚装置通过液压支撑杆固定在移动平台的中部；所述液压支撑杆包括依次铰接的第一转轴、第二转轴和第三转轴，以及第一液压杆和第二液压杆；所述第一转轴和第一液压杆的一端与固定在移动平台上的自动撬锚装置底座构成铰接，第一液压杆的另一端和第二液压杆的一端与第二转轴的中部构成铰接，第二液压杆的另一端与第三转轴的中部构成铰接；所述冲击钻与第三转轴的另一端构成铰接，切割锯与第三转轴的另一端固定连接。

优选地，还包括设置在移动平台后部的扩展平台以及设置在移动平台底部的可伸缩液压支架；所述扩展平台为液压升降台，并预留有与控制器连接的接口和电源接口；所述液压支撑杆、液压升降台和可伸缩液压支架连接设置在移动平台内的液压泵。

优选地，还包括设置在移动平台周部的与控制器连接的避障装置；所述避障装置包括设置在移动平台前周部和侧周部的红外探测器，以及设置在移动平台后周部的车用雷达。

优选地，还包括与控制器连接的温度传感器和空气质量传感器。

优选地，还包括设置在移动平台前部的板弹簧和后部的避障条，以及设置在移动平台后部的警示旗。

以及根据以上矿山智能安全定位巡检机器人装置的系统，其特征在于，包括：至少两台机器人装置、充电桩和上位机。

优选地，与导航定位装置相配合的定位标记；所述定位标记设置在待图像采集的岩石裂缝处。

本发明及其优选方案结构精简、成本适当、功能能够有效满足矿山日常运转定位巡检的需求。其核心是提供了自动巡检、危险源（矿山岩石裂缝）自动监控、危险源处置等功能。尤其创造性地将人脸识别的方案引入到对矿山岩石裂缝这一主要危险源的长期动态监控和识别当中，使图像采集装置能够复用于常规图像采集和危险源监控，降低了成本，且效果优于现有的方案。同时，本发明方案还提供了了扩展平台的设计，可以与无人机等设备形成有机配合，能够完成对采空区和溜井等人工巡检难以顾及到的区域进行有效巡检。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是本发明实施例整体结构侧视示意图；

图2是本发明实施例图像采集装置前视示意图；

图3是本发明实施例自动撬锚装置前视示意图；

图4是本发明实施例整体结构俯视示意图；

图中：1-车轮；2-移动平台；3-前端红外探测器；4-前端电机；5-齿轮组件；6-摄像头；7-切割锯；8-冲击钻；9-微电机；10-传动轴；11-液压支撑杆；12-自动撬锚装置底座；13-液压泵；14-警示旗；15-液压升降台；16-蓄电池装置；17-液压支架；18-车用雷达；19-前端照明灯；21-板弹簧；22-侧方红外探测器；23-避障条。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：

如图1-图4所示，本实施例提供的装置主要包括：移动平台2、以及安装在移动平台2上的：分别连接控制器的供电装置、图像采集装置、自动撬锚装置和导航定位装置；以及设置在移动平台2后部的扩展平台以及设置在移动平台2底部的可伸缩液压支架17、设置在移动平台2周部的与控制器连接的避障装置、与控制器连接的温度传感器和空气质量传感器、设置在移动平台2前部的板弹簧21和后部的避障条23，和设置在移动平台2后部的警示旗14。控制器通过无线通信连接上位机。

其中，移动平台2主体由轻质的铝合金材料制造而成，框架中间有一个结构横梁，保证在工作期间车身框架的强度

四个车轮1独立悬挂于移动平台2的底盘下方，每个车轮1通过独立的驱动电机系统驱动，驱动电机系统控制车轮1的转动和侧向移动，从而可以控制整个机器人装置的各向灵活移动，同时保障了在矿山较为复杂地面环境的顺利行走。

在机器人装置进行危险源处理工作之前，移动平台2停止移动，可伸缩液压支架17伸出，达到支撑平衡后，为撬锚、切割工作提供支撑，防止设备重心不稳，同时也保证在施工过程中设备的稳定性。

图像采集装置复用于实时传送工作现场的照片和影像至上位机，以及用于岩石裂缝的图像采集，其中岩石裂缝的图像用于在上位机当中采用人脸识别算法进行岩石裂缝的动态判断，其中人脸识别算法可以直接采用现有的人脸识别算法，其意义在于将岩石裂缝的动态判断的尺度采用人脸识别的判断标准进行评估，在岩石裂缝不发生显著变化的情况下，认为识别成功，当发生超过限度的变化时，则被认为“人脸”识别失败，从而启动告警，这样的判断方式一方面充分利用了现有的资源，另一方面很大提高了判断的效率和准确度。图像采集装置包括三个摄像头6，其中主用两个摄像头6，一台用于拍摄，另外一台用于矫正，相当于一个双目系统，通过前端电机4驱动的齿轮组件5和微电机9安装在移动平台2的前部，前端电机4通过传动轴10带动齿轮组件5控制摄像头6在水平方向的转动，微电机9控制摄像头6在竖直方向的转动。

自动撬锚装置包括冲击钻8和切割锯7。其中，冲击钻8用于顶板及周围浮石进行撬锚，应对不易清理的危险源，切割锯7为电动驱动，用于对前方危险的大块浮石进行分割。先切割后冲击，能确保顶板危险浮石能够准确的撬落，自动撬锚装置通过液压支撑杆11固定在移动平台2的中部；液压支撑杆11包括依次铰接的第一转轴、第二转轴和第三转轴，以及第一液压杆和第二液压杆；第一转轴和第一液压杆的一端与固定在移动平台2上的自动撬锚装置底座12构成铰接，第一液压杆的另一端和第二液压杆的一端与第二转轴的中部构成铰接，第二液压杆的另一端与第三转轴的中部构成铰接；冲击钻8与第三转轴的另一端构成铰接，切割锯7与第三转轴的另一端固定连接。液压支撑杆11用于控制冲击钻8和切割锯7精确位移至工作的位置，不工作时，则控制收缩，减小空间占用。自动撬锚装置底座12为可旋转的底座。

扩展平台为液压升降台15，并预留有与控制器连接的接口和电源接口，主要作为无人机的停放、数据传输和充电的平台。优选提供信号放大器，确保无人机在封闭的空间中能按需要工作。

在本实施例中，液压支撑杆11、液压升降台15和可伸缩液压支架17连接设置在移动平台2内的液压泵13，液压泵13作为整个液压系统的动力源。

避障装置包括设置在移动平台2前周部前端红外探测器3和侧周部的侧方红外探测器22，以及设置在移动平台2后周部的车用雷达18。红外探测器能够探测至少10m范围内的障碍物，以便控制器对前方或侧方障碍物做出反应。车用雷达18主要其类似倒车雷达的识别后方障碍物或者其他车辆的作用。当发现前方为行驶车辆时，机器人装置的判定机制为寻找倒车硐室。侧方红外探测器22在感应设备距离岩石0.2-0.5米范围内，控制器控制自动停止运行。

警示旗14起限高、警示作用，旗杆上贴有反光贴，提醒人员注意车辆安全。

板弹簧21用于应对前方的危险物，当发生撞击时，可以减小冲击力，减少对车身的伤害。避障条23用于降低对障碍物的冲击力。

本实施例通过各类采集传感器，监测工作环境的温度、含氧量、风流、pm2.5的值、瓦斯含量及其他矿山中可能产生的有害气体含量，主要包括温度传感器和空气质量传感器，这些值采集到后通过控制器传送至上位机。可以通过大厅屏幕或者手机app在远端后台展示，相关人员和专家获知和检查，及时发现工作环境中的危险区域。

本实施例中，供电装置采用蓄电池装置16，包括蓄电池和配套的充电电路，通过充电桩完成对蓄电池的充电（优选可以采用无线充电），并为设备的所有电路模块供电。

本实施例还提供了照明系统，包括：前端照明灯19、后端照明灯、摄像头6部分的探照灯、及一个强光灯。所有的灯泡均采用节能灯泡，以减少用电。当强光灯处于工作状态时，设备处于静止状态，其他光源关闭，主要满足无人机工作时的照明工作。

基于以上装置，在具体的使用过程中，可以在设置充电桩之后每个分层布置两台机器人装置，一台工作，一台备用，当机器人上电量剩余20%时，主用设备返回充电桩，进行充电，同时，备用设备启动开始巡检。

系统当中，上位机采用计算机平台，通过不限于wifi、物联网、蓝牙等形式与控制器构成无线连接，完成数据交互。

在本实施例中，机器人装置的导航定位装置可以采用类似场景下的现有导航定位系统，在本实施例中，优选采用基于zigbee的无线定位系统，其通过布设在矿区巡检点的信号发射装置结合预设的路线完成巡检导航。在一次巡检当中，机器人装置按顺序接近并到达各个信号发射装置并在到达最远处的折返点后返回。特别地，为了实现岩石裂缝的长期监控，本实施例同样采用信号发射装置作为定位标记，设置在待图像采集的岩石裂缝处，每次巡检的过程中，均到达标定的存在岩石裂缝的巡检点，完成图像采集，通过上位机当中的人脸识别系统判断岩石裂缝是否有显著变化的趋势，如果有，则发出相应的告警。同样，信号发射装置也可以由矿山人员携带，作为巡检路径的规避定位点，避免机器人装置伤害工作人员的情况。

考虑到矿山危险源从发现到处理，持续时间长，中间环节多，造成没有办法及时的处理，错了了最佳支护时间；危险源不单单有环境因素，也有人员的操作失误及工作人员对危险源的认识不足。针对现有矿山的问题，通过本实施例方案的应用其主要可以实现的功能如下：

1、解决人员的安全问题，同时可以实现矿山的24小时不间断监测：

通过定位技术可以指定井下巡检机器人在矿山指定区域内进行安全巡检，针对环境中存在的危险源设置信号发射装置作为巡检的定位点，并通过含有荧光标记。通过信号发射装置对重要设备设施等工作状态进行定时巡检；也可以通过图像采集装置直接对员工的工作状态进行检查，比如：工作的过程中是否戴安全帽，确保工作人员处在一个安全的工作状态。设备受环境影响（除非是粉尘等恶劣环境）小，其他条件下都能正常工作。无需人员进入，根据设置好既定路线自行巡检，根据需要可以不间断工作，避免了人员少去或者不去危险区域。

2、解决矿山危险源，实现设备对危险源的识别及处理：

采用基于人脸识别的岩石动态裂缝识别和监控，在视频和图像采集的基础上，上位机同时可以采用边缘提取等算法结合深度学习对样本的训练对新发现的裂缝进行识别和图像处理，方便发现新的危险源，通过机器人装置身自带液压控制撬锚系统，可对小型危险源直接进行处理。对于特大危险源根据危险等级将现场情况以照片或视频形式直接上传，可以由指挥中心驻场专家通过远程协助给出处理方案。

3、对周围工作环境进行安全评价：

对环境中的温度、风量、含氧量、pm2.5的数值在巡检的过程中进行定时采集和展示。安全人员可以以此对工作环境进行更准确和实时的判断。

4、具备高度可扩展性：

预留的扩展平台，可以搭载其他功能的设备，例如：加装监测器，可以用于危险区域的监测工作；同时，也可以作为用于装载无人机的起落平台和仓库。目前，地下矿山中，采场和溜井是两个比较重要的环节，在落矿的过程中，经常发生破坏，影响生产；比如：溜井是一个危险区域，人员是无法直接进入，也造成对溜井的破坏情况没有办法了解，只有了解破坏情况才能根据损坏情况制定相应的维修方案，但是采空区和溜井都是比较危险的区域，信号弱、光源弱也造成有无人机无法应用的主要原因。通过强光源和信号增强器，可以解决信号、光源弱的问题。

5、作为专家平台的数据来源：

建设的专家平台，为矿山的管理人员及主要技术人员提供讨论平台，根据巡检机器人传送的视频及图片，及根据巡检机器人所标注的危险源及处理情况，可以清楚的了解工作面情况及人员工作情况。结合采矿专家的专业判断，综合判断矿山安全生产的危险等级，减少了中间环节，专家指令可以直接到工作一线，减少了时间和失误。

6、可以在后台开发数据自动处理、自动生成报表、短信预警平台等功能：

系统通过定位技术保障安全员和巡检机器人能定时对矿山区域进行巡检并进行数据采集，同时自动存储巡检机器人及安全员的巡检信息，并根据需要生成报表，对于发现的危险源自动告警，也可以通过上位机第一时间通过短信等形式通知矿山安全管理人员。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的矿山智能安全定位巡检机器人装置及系统，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。