1.一种深井自动探测救援机器人,其特征在于:所述的机器人包括水平设置的椭圆球壳形探路体(1),探路体(1)上、沿其竖直方向轴线同轴设置的通孔内穿过救援绳(3),探路体(1)与救援绳(3)之间分别设置可使探路体(1)沿救援绳(3)升降的电梯式升降驱动机构(5),以及可使探路体(1)相对于救援绳(3)旋转的旋转驱动装置(110);所述的电梯式升降驱动机构(5)包括升降电机,升降电机输出端依次与离合器、减速器、滑轮连接,滑轮与救援绳(3)紧贴且可沿救援绳(3)滑动,滑轮上还设置制动装置;
所述救援绳(3)的另一端伸出井口并缠绕在支架(8)的绕线滚轴上,绕线滚轴与带有离合器的绕线电机(81)的输出端连接,绕线电机(81)安装在支架(8)上;所述的救援绳(3)上还挂设多个球壳形救援体(2),救援体(2)位于探路体(1)上方,所述的探路体(1)与救援体(2)之间、相邻救援体(2)之间设置自动连接/分离机构;
所述探路体(1)的底端分别设置探路器(111)、第一处理器(112),红外热成像仪(113)、海拔高度计(117)、摄像头(118),以及用于固定待救人员的救援机构(6);探路体(1)上还携带多个可与探路体(1)自动分离的无线路由器(7),路由器(7)上设置的电动式卡钩可以与救援绳(3)构成可拆卸式连接;
所述的救援体(2)上、沿其竖直方向轴线同轴设置的通孔内设置可使救援体(2)沿救援绳(3)升降的电梯式升降驱动机构(5);救援体(2)内还设置无线路由器(7)、第二处理器(211);所述的第一处理器(112)、第二处理器(211)通过各自的无线路由器(7)通信,所述的第一处理器(112)、第二处理器(211)还可以通过各自的无线路由器(7)与远程监控台(9)上设置的第三处理器(91)通信;
所述救援体(2)的球半径尺寸小于或等于探路体(1)的水平面截面上其短轴尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种深井自动探测救援机器人,其特征在于:所述探路体(1)的外侧面上、沿竖直方向设置两排水平环形排列的支腿组,每排支腿组包括多个可自动伸缩的折叠式支腿(12),支腿(12)收缩进探路体(1)后,不突出探路体(1)的外表面;位于探路体(1)外侧面下方的一排支腿(12)向探路体(1)的下方外侧倾斜设置,位于探路体(1)外侧面上方的一排支腿(12)向探路体(1)的上方外侧倾斜设置;所述支腿(12)的外端设置驱动轮,驱动轮内设置轮毂电机及用于制动驱动轮的制动器,驱动轮表面与井壁接触;所述探路体(1)沿水平面的截面中其椭圆形长轴附近的支腿(12)完全伸展后的长度小于其椭圆形短轴附近设置的支腿(12)完全伸展后的长度。
3.根据权利要求1所述的一种深井自动探测救援机器人,其特征在于:所述的救援机构(6)包括探路体(1)底部设置的双臂机械手(61),双臂机械手(61)上相应位置设置颈部固定机械手(62)。
4.根据权利要求2所述的一种深井自动探测救援机器人,其特征在于:所述的支腿(12)为多个支杆(121)两两首尾相互铰接形成的W式波浪状结构,支腿(12)上设置可使多个支杆(121)收缩成W式波浪结构或展开成一个接近长直杆结构的支腿驱动装置(122),所述支杆(121)为电动式或电动液压式可伸缩杆,所述的驱动轮与支腿(12)连接处设置压力传感器(119)。
5.根据权利要求1所述的一种深井自动探测救援机器人,其特征在于:所述的探路体(1)上还设置有毒气体检测器(114);所述的救援体(2)的壳体内携带氧气瓶(115)、有毒气体中和罐(116)。
6.根据权利要求1至权利要求5所述的任意一种深井自动探测救援机器人的救援方法,其特征在于:所述的救援方法依次包括探路定位、现场施救、快速上升;
所述的探路定位步骤包括释放探路体、绘制地图、释放救援体、定位;
所述的释放探路体步骤为:将携带有探路体(1)、救援体(2)的支架(8)摆放在井口附近,使探路体(1)位于井口正上方;探路体(1)上的电梯式升降驱动机构(5)保持制动状态,使探路体(1)与救援绳(3)连为一体;远程监控台(9)控制绕线电机(81),缓慢释放救援绳(3),探路体(1)与救援绳(3)一起进入井口一定深度后,远程监控台(9)停止释放救援绳(3);
探路器(111)、摄像头(118)分别采集探路体(1)下方一定距离处的多个深井截面图,所述的深井截面图为与探路体(1)运动方向呈90°的井壁截面轮廓形状,第一处理器(112)对比探路器(111)、摄像头(118)各自采集的深井截面图,将两个深井截面图中井壁截面轮廓更大的一个记为第一类深井截面图,另一个记为第二类深井截面图;然后选择离探路体(1)下端面最近的一个第一类深井截面图计算多个支腿(12)的伸展距离D及伸展时间T,同时实时控制支腿驱动装置(122)使支腿(12)伸展,当压力传感器(119)检测到驱动轮与井壁接触并达到一定压力后,支腿(12)停止伸展;
当第一处理器(112)检测到探路体(1)相对的两个侧面上各自至少有2个支腿(12)的压力传感器(119)发送的压力值达到预期,则控制绕线电机(81)的离合器分离,与绕线转轴脱开;压力值达到预期的驱动轮上的轮毂电机运动,使探路体(1)、救援绳(3)共同以速度V1向下运动;
所述的V1的计算方法为:第一处理器(112)根据与探路体(1)最接近的一个第一类深井截面图计算出多个支腿(12)的伸展距离D及伸展时间T,根据多个伸展时间T中的最大值计算出探路体(1)向下运动至该深井截面处的最大速度,该最大速度即为V1;
所述的绘制地图步骤为:释放探路体步骤中,探路器(111)、摄像头(118)按照一定频率向第一处理器(112)发送探路体(1)下方一定距离处的多个第一类深井截面图、第二类深井截面图,海拔高度计(117)按照时间顺序、将深度h分别标记在第一类深井截面图、第二类深井截面图中,第一处理器(112)提取出第一类深井截面图、第二类深井截面图的轮廓尺寸,以探路体(1)的椭圆球心的运动轨迹为扫描线,分别以第一类深井截面图、第二类深井截面图的轮廓尺寸为截面,以多截面扫略方式绘制出两个三维模型,与第一类深井截面图对应的三维模型记为第一类深井地图,与第二类深井截面图相对应的三维模型记为第二类深井地图;第一处理器(112)分别在第一类深井地图、第二类深井地图中标记救援绳(3)的位置;第一处理器(112)实时通过无线路由器(7)向其上方的一个或多个救援体(2)、远程监控台(9)发送第一类深井地图、第二类深井地图;
所述的释放救援体步骤为:探路体(1)以速度V1下降一定深度后,支架(8)上设置的多个救援体(2)按照一定的间隔时间依次释放,使救援体(2)与探路体(1)之间、相邻救援体(2)之间的距离保持在一定范围之内;释放时首先让救援体(2)控制其上的电梯式升降驱动机构(5)的离合器接合,然后使救援体(2)脱离支架(8),升降电机驱动滑轮滚动,从而带动救援体(2)相对于救援绳(3)以相对下降速度V2运动,此时救援体(2)的绝对速度为V1+V2;
所述的救援体(2)下降过程中,第二处理器(211)根据V1、第二类深井地图实时调整V2,使救援体(2)与探路体(1)之间的距离、相邻救援体(2)之间的安全距离始终保持在一定范围之内;所述的救援体(2)下降过程中,通过其上设置的无线路由器(7)实时向其上方的一个或多个救援体(2)、远程监控台(9)发送第一类深井地图、第二类深井地图;
所述的定位步骤为:当探路体(1)上设置的红外热成像仪(113)探测到下方有待救人员时,探路体(1)运动到待救人员上方一定距离后停止下降,并发出定位信号,其上方的多个救援体(2)收到定位信号后以最大速度V3向下运动至探路体(1)附近并与探路体(1)自动连接成串联结构;所述的V3为救援体(2)根据探路体(1)传递的第二类深井地图计算出的最大下降速度,当第二处理器(211)计算出第二类深井地图其中一段无相应障碍物,则救援体(2)的最大下降速度V3为自由落体速度;多个救援体(2)下降过程中第二处理器(211)实时调整V3,使相邻救援体(2)之间的安全距离始终保持在一定范围之内;
所述的探路定位步骤中,探路体(1)向下运动时,若其与上方的最近的一个救援体(2)之间的通信信号强度降低到一个阀值以下,或者探路体(1)与远程监控台(9)之间的通信信号强度降低到一个阀值以下,则探路体(1)在该时刻分离一个路由器(7),分离的路由器(7)固定在救援绳(3)上,探路体(1)继续向下运动时通过固定在救援绳(3)上的路由器(7)与救援体(2)或远程监控台(9)通信;
所述的现场施救步骤为:探路体(1)到达待救人员上方附近后,第一处理器(112)分析红外热成像仪(113)、摄像头(118)传递的待救人员轮廓参数,识别出待救人员的躯干位置、胳膊位置、面部位置,探路体(1)根据待救人员的躯干位置、胳膊位置控制多轴式双臂机械手(61)环抱在待救人员腋下部位;
救援体(2)到达后与探路体(1)构成串联结构,并向待救人员面部位置附近投放氧气瓶(115)、有毒气体中和罐(116);探路体(1)、救援体(2)上设置的升降驱动机构(5)同时动作,带动待救人员缓慢向上运动一定距离,当待救人员双脚离地后,双臂机械手(61)上设置的颈部固定机械手(62)将待救人员的颈部靠紧;然后由红外热成像仪(113)、摄像头(118)采集待救人员的外轮廓参数并传递给第一处理器(112);
所述的快速上升步骤为:绕线电机(81)的离合器结合,使绕线电机(81)与绕线转轴连接,第一处理器(112)根据第二类深井地图、待救人员的外轮廓参数计算出安全上升路径及最大安全上升速度V4,所述的安全上升路径为待救人员上升时第一处理器(112)实时控制旋转驱动装置(110)、支腿(12)以保证待救人员的外轮廓不与第二类深井地图的轮廓发生干涉的路径;所述的V4包括绕线电机(81)旋转使救援绳(3)上升的速度V5,以及探路体(1)、救援体(2)相对于救援绳(3)向上运动的速度V6;
探路体(1)、救援体(2)与待救人员按照安全上升路径、以最大上升速度V4向上运动至井口,救援结束。
7.根据权利要求6所述一种深井自动探测救援机器人的救援方法,其特征在于:所述的探路定位步骤中,若第一处理器(112)判断探路体(1)下方的第一类深井地图中出现沿深井截面方向突出的障碍物,则第一处理器(112)控制旋转驱动装置(110),使探路体(1)沿救援绳(3)旋转一定角度后继续下降,若探路体(1)旋转角度后仍无法通过,则第一处理器(112)控制位于探路体(1)下方的一排支腿(12)中,靠近障碍物一侧的多个支腿(12)伸长,远离障碍物一侧的多个支腿(12)缩短;位于上方的一排支腿(12)中,与下方相应伸长的支腿(12)位于同一侧的缩短,与下方相应缩短的支腿(12)位于同一侧的伸长;使探路体(1)相对于水平面倾斜并通过障碍物;若下方没有继续出现障碍物,则探路体(1)恢复水平姿势继续下降。
8.根据权利要求6所述一种深井自动探测救援机器人的救援方法,其特征在于:所述的探路定位步骤中,有毒气体检测器(114)实时检测深井中的有毒气体成分及含量,第一处理器(112)将有毒气体成分及含量标记在第二类深井地图中,同时将该信息分别传递给救援体(2)、远程监控台(9);所述的探路定位步骤中,救援体(2)下降至第二类深井地图中标示的有毒气体含量较高的区域时,打开其上设置的有毒气体中和罐进行有毒气体中和;当第一处理器(112)判断深井中存在有毒气体中和罐(116)无法处理的有毒气体,则向远程监控台(9)发送报警信号。
9.根据权利要求6所述一种深井自动探测救援机器人的救援方法,其特征在于:所述探路体(1)的底面设置水压传感器(109),所述的探路定位步骤中,第一处理器(112)采集水压传感器(109)发送的压力信号,当第一处理器(112)判断探路体(1)进入了水中,则控制探路体(1)上的轮毂电机由减速状态变为驱动状态,并将水位信息标记在第二类深井地图中,救援体(2)在入水前,提前一定时间将其上的电梯式升降驱动机构(5)由减速状态变为驱动状态。
10.根据权利要求6所述一种深井自动探测救援机器人的救援方法,其特征在于:所述的现场施救步骤中,双臂机械手(61)环抱待救人员后,远程监控台(9)控制绕线电机(81)的离合器接合并启动绕线电机(81),使救援绳(3)上升带动待救人员以速度V5缓慢上升,当待救人员双脚离地后,双臂机械手(61)上设置的颈部固定机械手(62)将待救人员的颈部靠紧;当多个救援体(2)下降并与探路体(1)串联后,所述的探路体(1)、救援体(2)相对于救援绳(3)以速度V6上升,此时待救人员的上升速度仍为V4。