一种矿用工作面巡检机器人及其工作方法与流程

本发明涉及矿用巡检机器人领域，特别涉及一种矿用工作面巡检机器人及其工作方法。

背景技术：

煤矿综采工作面一般由采煤机、刮板输送机、液压支架等设备组成。采煤工作面是煤炭的第一生产现场，作业空间狭小、机械设备多、视觉环境差、温度高，此区域安全事故频发，严重影响了整个煤矿的安全管理工作，是煤矿安全管理工作中的重点区域。

采用专用的巡检机器人对综采工作面的工作状态进行实时检查，一旦有异常情况能够及时将信息反馈给工作人员，就可防患于未然，大大减小事故发生的几率；虽然现有也有相关的巡检机器人，如中国专利文件(申请号cn201710008322.4)采用由摩擦轮驱动钢丝绳运动，然后钢丝绳带动机器人运动的行进方式。但利用该技术，长距离的钢丝绳重量相当可观，由电机驱动钢丝绳，势必会耗费大量的能量，导致效率极低。同时，会大大限制机器人的灵活性，因为钢丝绳上只能牵引一个机器人，导致巡检效率不高。而且现有巡检机器人行进不稳定，且由于工作面环境复杂，空气质量较差，粉尘和异物较多。机器人工作一段时间之后，表面会布满灰尘。若不及时清理，将严重影响各种传感器模块和摄像头的采集精度，将不能有效的对工作环境进行监控。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种矿用工作面巡检机器人，能够实现对综采工作面巡检的信息化与无人化，提高巡检的可靠性，避免了过去由人工巡检采用经验主义带来的不可靠性，更有助于实现煤矿的安全生产。

本发明还提供上述巡检机器人的工作方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种矿用工作面巡检机器人，包括机器人本体、行进机构；

所述机器人本体包括导向轮、设备箱本体，设备箱本体通过承重杆连接至导向轮，设备箱本体内设有控制模块和与控制模块相连的超声波传感器、音频采集模块、气体采集模块、定位模块、信息传输模块、视频采集模块、蓄电池，设备箱本体底部设有行进轮组和行进电机，行进电机控制行进轮组的转动；

所述行进机构包括两端的支撑架和在支撑架之间设置的辅助支撑架，支撑架、辅助支撑架的顶端设有钢丝绳，钢丝绳上设置导向轮，钢丝绳用于为导向轮提供轨道，支撑架和辅助支撑架上还设有链条，链条上设置行进轮组，链条用于为行进轮组提供支撑。

支撑架起主要支撑作用，辅助支撑架设置在两端支撑架的中间，用于辅助支撑，限制行进中钢丝绳和链条的下垂变形。机器人本体在行进机构的作用下，可沿着钢丝绳行走并进行巡检。

优选的，所述机器人本体还包括第一转向电机和转向支架，转向支架与行进轮组相连，第一转向电机与设备箱本体固定连接，第一转向电机的输出端通过法兰与转向支架连接；承重杆一端通过轴承连接设备箱本体。设备箱本体在第一转向电机的驱动下可沿竖直方向轴转动，扩大了巡检的范围。

进一步优选的，承重杆另一端通过销轴连接导向轮。

优选的，所述设备箱本体内还设有设备板，设备板上设置超声波传感器、视频采集模块。便于更换。

进一步优选的，设备箱本体上还设有第二转向电机，第二转向电机的输出端与设备板一端连接。由第二转向电机的转动可带动设备板沿水平轴向的转动，从而调整传感和采集的角度。

优选的，所述支撑架和辅助支撑架的顶端均设有凹槽，凹槽内设置钢丝绳。凹槽用于支撑钢丝绳，使得钢丝绳尽量保持一定的直线度。

优选的，所述链条包括平行设置的第一链条和第二链条，第一链条和第二链条之间设有连接杆。连接杆用于保持两条链条之间的平行状态，平行结构可使两条链条的相对位置保持不变，可使链条随着支撑架位置的改变而前进。当支撑架移动时，两条链条的间距几乎不会变化，也能增强机器人本体运行过程中链轮对链条的抓紧力，从而保证机器人本体运动的顺畅性。

进一步优选的，支撑架和辅助支撑架上均设有支撑架凸块，连接杆上设有两个凸块，两个凸块设于支撑架凸块两端，两个凸块的水平距离大于支撑架凸块的水平宽度。通过两个凸块和支撑架凸块可以使连接杆固定于支撑架上，能进一步稳固链条；并且，连接杆上的两个凸块之间的间距要大于支撑架凸块的宽度，支撑架凸块与连接杆的凸块之间不是严丝合缝的，而是有一定间距的，用以留出足够的空间、便于链条的移动，两个链条通过连接杆可以在辅助支撑架上滑动，满足实际中支架移架的生产实际。

进一步优选的，行进轮组包括一个主动链轮和一个从动链轮，主动链轮和从动链轮分别与第一链条、第二链条匹配设置，主动链轮与行进电机相连。通过行进电机驱动主动链轮转动、从动链轮辅助转动，两个链轮与两个链条可使装置行进更加稳定，此时可通过顶部的一个导向轮和底部的两个链轮构成一个三角形机构，提高了设备箱在运行过程中的稳定性，设备不会左右摇晃，更有助于提高机器人采集数据的精度。

进一步优选的，行进轮组包括两个主动链轮、四个从动链轮；两个主动链轮分别设置在第一链条与第二链条的相对外侧，四个从动链轮均设置在第一链条和第二链条的相对内侧。通过增加链轮的数量、设计主动链轮从动链轮的分布，进一步稳固机器人本体的稳定行进。

优选的，所述矿用工作面巡检机器人还包括清洗机构，所述清洗机构包括烘干机、电动雨刮器、水箱、喷水口；所述清洗机构设置在支撑架上，所述水箱固定设置在支撑架上，水箱上侧设置有支撑板，支撑板上设置有电动雨刮器、烘干机、喷水口。综采工作面环境恶劣，粉尘较多，为了保证设备箱本体表面的清洁，设计了清洗机构，当机器人本体需要清洗时，可行进至清洗机构处进行清洗，保证作业精度，延长作业时间。清洗机构可以直接利用烘干机进行吹风处理附着的灰尘，也可以利用水箱、喷水口、电动雨刮器进行水洗，水洗后需要利用烘干机吹干，以避免因设备箱本体表面湿润而造成灰尘更易附着。

优选的，所述矿用工作面巡检机器人还包括张紧机构，能够及时调整行进机构的松紧程度，保证机器人本体能够正常行走，所述张紧机构包括配重块、张紧链轮、搁板、张力检测传感器、张紧电机；所述配重块连接在钢丝绳末端，所述搁板固定设置在支撑架上，搁板上固定设置张紧电机，张紧电机输出端通过张紧链轮与分别与第一链条和第二链条连接，所述张力检测传感器固定设置在第一链条和第二链条上。安装配重块的目的是因为在工作面上的支撑架在工作过程中，彼此之间的相对位置会发生变化，因此用于吊装机器人本体的钢丝绳和链条的长度也应该是可调的。通过计算机器人本体的重量和钢丝绳的下垂量，选择合适质量的配重块，通过合理的配重，可以使钢丝绳尽量的保持一定的直线度。通过张紧电机驱动张紧链轮，张紧链轮再驱动链条，便可以实现对链条的张紧。对于链条是否需要张紧，则是通过张力检测传感器检测链条的张力，然后将信息反馈给控制系统，再由控制系统决定是否驱动张紧电机进行张紧，更适用于实际工作环境。

优选的，所述矿用工作面巡检机器人还包括备用能源装置，所述备用能源装置包括电磁铁、充电座、电动推杆、弹簧；所述电动推杆一端连接在辅助支撑架上，电动推杆另一端与弹簧连接；所述充电座固定连接在弹簧上，充电座上设置有电磁铁；设备箱本体上设有充电口，充电口与充电座匹配连接。当设备箱本体内的蓄电池电量不足时，可行进至备用能源装置处进行充电蓄能。

优选的，所述控制模块是plc模块；所述定位模块为gps定位模块；所述信息传输模块为无线wifi传输模块，用于将信息反馈至外部总控室；所述视频采集模块包括高清摄像仪和红外热成像摄影仪；所述气体采集模块包括敏感气体传感器，所述敏感气体传感器用于监控工作面上的瓦斯等有害气体的浓度，并及时将信息反馈至控制模块。采用plc控制，plc稳定性好，抗干扰能力强，适合煤矿井下工作面的复杂环境；超声波传感器在工作时，可向外发射超声波，可用于判断是否发生片帮等事故；音频采集模块用于采集工作面上产生的声音；采用gps定位，可以精确的确定机器人本体当前所处的位置，一旦巡检机器人检测到工作面某位置有危险情况时，将第一时间将自己的位置反馈给工作人员，完成自己的巡检任务。

一种利用上述矿用工作面巡检机器人的工作方法，包括步骤如下：

当机器人本体工作时，机器人本体便在钢丝绳上往复运行巡检；

在运行过程中，当需要调整巡检的角度范围时，控制设备箱本体在第一转向电机的作用下绕竖直方向轴转动，和/或控制设备箱本体的第二转向电机使设备板在设备箱本体内部沿水平方向轴转动，拓展了监控的范围；

设备箱本体内的超声波传感器、音频采集模块、气体采集模块、定位模块、视频采集模块对工作面的状况进行实时检测，并第一时间将信息反馈给控制模块，由控制模块将信息通过信息传输模块发送给外部总控室，工作人员可在外部总控室内对机器人返回的数据进行分析，从而确定工作面的工作状况；

当遇到突发情况时，如工作面上某种气体的浓度值急剧上升，设备箱本体内部的控制模块可以自行做出处置，发出警报声，提醒工作人员及时撤离。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过钢丝绳和行进轮组配合的行进方式，保证了机器人本体在行进过程中的稳定性，从动链轮增强链轮与链条之间的抓紧力，更有助于提高机器人采集数据的精度，支撑架和行进轨道固定不动、机器人本体自主运动的行进方式，结构上更加轻便灵活。

(2)本发明的技术方案设置有清洗机构，综采工作面环境复杂，空气质量较差，粉尘和异物较多，机器人本体工作一段时间之后，表面会布满灰尘。若不及时清理，将严重影响各种传感器模块和摄像头的采集精度，将不能有效的对工作环境进行监控，通过设置清洁装置，可有效解决此类问题。

(3)本发明通过设置备用能源装置，一旦发现蓄电池电量不足时，巡检机器人本体可行进至备用能源装置处进行充电。

(4)本发明的技术方案测量范围广，机器人本体可绕垂直向旋转，测量范围广，其内设置的设备板可绕水平轴向旋转一定角度，设备板上设置的超声波传感器和视频采集模块的测量范围更广。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明中的机器人本体结构示意图。

图3为本发明中的连接杆与链条的配合关系示意图。

图4为本发明中的张紧机构结构示意图。

图5为本发明中的清洗机构结构示意图。

图6为本发明中的链条与链轮的配合关系示意图。

图7为本发明备用能源装置结构示意图。

其中：1、支撑架；2、机器人本体；201、导向轮；202、承重杆；203、设备板；204、超声波传感器；205、音频采集模块；206、气体采集模块；207、控制模块；208、转向支架；209、行进电机；210、主动链轮；211、从动链轮；212、传动杆；213、蓄电池；214、第一转向电机；215、定位模块；216、信息传输模块；217、第二转向电机；218、视频采集模块；219、设备箱本体；220、销轴；3、辅助支撑架；301、凹槽；302、支撑架凸块；303、第一链条；304、第二链条；305、连接杆；306、凸块；4、钢丝绳；5、张紧机构501、配重块；502、张紧链轮；503、搁板504、张紧电机505、张力检测传感器；6、行进轮组；7、清洗机构701、烘干机702、电动雨刮器；703、水箱；704、喷水口；8、备用能源装置；801、电磁铁；802、充电座；803、电动推杆；804、弹簧；805、充电口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

如图1所示，一种矿用工作面巡检机器人，包括机器人本体2、行进机构。

所述机器人本体2包括导向轮201、设备箱本体219，设备箱本体219通过承重杆202连接至导向轮201，设备箱本体219内设有控制模块207和与控制模块相连的超声波传感器204、音频采集模块205、气体采集模块206、定位模块215、信息传输模块216、视频采集模块218、蓄电池213，设备箱本体219底部设有行进轮组6和行进电机209，行进电机控制行进轮组的转动。

所述行进机构包括设置在两端的支撑架1和在支撑架之间设置的辅助支撑架3，支撑架1、辅助支撑架3的顶端设有钢丝绳4，钢丝绳4上设置导向轮201，钢丝绳4用于为导向轮201提供轨道，支撑架1和辅助支撑架3上还设有链条，链条上设置行进轮组，链条用于为行进轮组提供支撑。

在整个工作面的两端的支撑架起主要的支撑作用，辅助支撑架设置在两端支撑架的中间，用于辅助支撑，限制行进中钢丝绳和链条的下垂变形。机器人本体在行进机构的作用下，可沿着钢丝绳行走并进行巡检，并且机器人本体的数量没有限制，可以根据实际工况设定机器人本体的数量。

实施例2：

一种矿用工作面巡检机器人，其结构如实施例1所述，所不同的是，所述机器人本体2还包括第一转向电机214和转向支架208，转向支架208与行进轮组相连，第一转向电机214与设备箱本体219固定连接，第一转向电机214的输出端通过法兰与转向支架208连接；承重杆202一端通过轴承连接设备箱本体219，承重杆202另一端通过销轴220连接导向轮201。设备箱本体在第一转向电机的驱动下可沿竖直方向轴转动，扩大了巡检的范围。

实施例3：

一种矿用工作面巡检机器人，其结构如实施例2所述，所不同的是，所述设备箱本体219内还设有设备板203，设备板203上设置超声波传感器204、视频采集模块218。便于更换。

实施例4：

一种矿用工作面巡检机器人，其结构如实施例3所述，所不同的是，设备箱本体219上还设有第二转向电机217，如图2所示，第二转向电机217的输出端与设备板203一端连接。由第二转向电机的转动可带动设备板沿水平轴向的转动，从而调整传感和采集的角度。

实施例5：

一种矿用工作面巡检机器人，其结构如实施例1所述，所不同的是，所述支撑架1和辅助支撑架3的顶端均设有凹槽301，如图3所示，凹槽301内设置钢丝绳4。凹槽用于支撑钢丝绳，使得钢丝绳尽量保持一定的直线度。

实施例6：

一种矿用工作面巡检机器人，其结构如实施例4所述，所不同的是，所述链条包括平行设置的第一链条303和第二链条304，第一链条303和第二链条304之间设有连接杆305，如图3所示。连接杆用于保持两条链条之间的平行状态，平行结构可使两条链条的相对位置保持不变，可使链条随着支撑架位置的改变而前进。当支撑架移动时，两条链条的间距几乎不会变化，也能增强机器人本体运行过程中链轮对链条的抓紧力，从而保证机器人本体运动的顺畅性。

实施例7：

一种矿用工作面巡检机器人，其结构如实施例6所述，所不同的是，支撑架1和辅助支撑架3上均设有支撑架凸块302，连接杆305上设有两个凸块306，两个凸块306设于支撑架凸块302两端，两个凸块的水平距离大于支撑架凸块的水平宽度。通过两个凸块和支撑架凸块可以使连接杆固定于支撑架上，能进一步稳固链条；并且，连接杆上的两个凸块之间的间距要大于支撑架凸块的宽度，支撑架凸块与连接杆的凸块之间不是严丝合缝的，而是有一定间距的，用以留出足够的空间、便于链条的移动，两个链条通过连接杆可以在辅助支撑架上滑动，满足实际中支架移架的生产实际。

实施例8：

一种矿用工作面巡检机器人，其结构如实施例6所述，所不同的是，行进轮组包括一个主动链轮和一个从动链轮，如图2所示，主动链轮210和从动链轮211分别与第一链条303、第二链条304匹配设置，主动链轮210与行进电机209相连。通过行进电机驱动主动链轮转动、从动链轮辅助转动，两个链轮与两个链条可使装置行进更加稳定，此时可通过顶部的一个导向轮和底部的两个链轮构成一个三角形机构，提高了设备箱在运行过程中的稳定性，设备不会左右摇晃，更有助于提高机器人采集数据的精度。

实施例9：

一种矿用工作面巡检机器人，其结构如实施例6所述，所不同的是，行进轮组包括两个主动链轮、四个从动链轮，如图6所示；两个主动链轮210分别设置在第一链条303与第二链条304的相对外侧，四个从动链轮211均设置在第一链条303和第二链条304的相对内侧。通过增加链轮的数量、设计主动链轮从动链轮的分布，可以进一步稳固机器人本体稳定行进。本实施例的链轮分布方式是与实施例8作用相似的另外一种设计方式。

实施例10：

一种矿用工作面巡检机器人，其结构如实施例8所述，所不同的是，所述矿用工作面巡检机器人还包括清洗机构7，如图5所示，所述清洗机构7包括烘干机701、电动雨刮器702、水箱703、喷水口704；所述清洗机构设置在支撑架1上，所述水箱703固定设置在支撑架上，水箱703上侧设置有支撑板，支撑板上设置有电动雨刮器702、烘干机703、喷水口704，通过水泵将水箱中的水带至喷水口喷出，电动雨刮器辅助刮擦表面的灰尘。综采工作面环境恶劣，粉尘较多，为了保证设备箱本体表面的清洁，设计了清洗机构，当机器人本体需要清洗时，可行进至清洗机构处进行清洗，保证作业精度，延长作业时间。清洗机构可以直接利用烘干机进行吹风处理附着的灰尘，也可以利用水箱、喷水口、电动雨刮器进行水洗，水洗后需要利用烘干机吹干，以避免因设备箱本体表面湿润而造成灰尘更易附着。

实施例11：

一种矿用工作面巡检机器人，其结构如实施例8所述，所不同的是，所述矿用工作面巡检机器人还包括张紧机构5，能够及时调整行进机构的松紧程度，保证机器人本体能够正常行走，如图4所示，所述张紧机构5包括配重块501、张紧链轮502、搁板503、张力检测传感器505、张紧电机504；所述配重块501连接在钢丝绳4末端，所述搁板503固定设置在支撑架1上，搁板503上固定设置张紧电机504，张紧电机504输出端通过张紧链轮502与分别与第一链条303和第二链条304连接，链条的末端与张紧链轮固定连接。所述张力检测传感器505固定设置在第一链条303和第二链条304上。安装配重块的目的是因为在工作面上的支撑架在工作过程中，彼此之间的相对位置会发生变化，因此用于吊装机器人本体的钢丝绳和链条的长度也应该是可调的。通过计算机器人本体的重量和钢丝绳的下垂量，选择合适质量的配重块，通过合理的配重，可以使钢丝绳尽量的保持一定的直线度。通过张紧电机驱动张紧链轮，张紧链轮再驱动链条，便可以实现对链条的张紧。对于链条是否需要张紧，则是通过张力检测传感器检测链条的张力，然后将信息反馈给控制系统，再由控制系统决定是否驱动张紧电机进行张紧，更适用于实际工作环境。

实施例12：

一种矿用工作面巡检机器人，其结构如实施例8所述，所不同的是，所述矿用工作面巡检机器人还包括备用能源装置8，如图7所示，所述备用能源装置8包括电磁铁801、充电座802、电动推杆803、弹簧804；所述电动推杆803一端连接在辅助支撑架3上，电动推杆803另一端与弹簧804连接；所述充电座802固定连接在弹簧804上，充电座802上设置有电磁铁801；设备箱本体219上设有充电口805，充电口805与充电座802匹配连接。当设备箱本体内的蓄电池电量不足时，可行至备用能源装置处进行充电蓄能。

实施例13：

一种矿用工作面巡检机器人，其结构如实施例8所述，所不同的是，所述控制模块是plc模块；所述定位模块为gps定位模块；所述信息传输模块为无线wifi传输模块，用于将信息反馈至外部总控室；所述视频采集模块包括高清摄像仪和红外热成像摄影仪；所述气体采集模块包括敏感气体传感器，所述敏感气体传感器用于监控工作面上的瓦斯等有害气体的浓度，并及时将信息反馈至控制模块。本实施例采用的模块均为现有模块，采用plc控制，plc稳定性好，抗干扰能力强，适合煤矿井下工作面的复杂环境；超声波传感器在工作时，可向外发射超声波，可用于判断是否发生片帮等事故；音频采集模块用于采集工作面上产生的声音；采用gps定位，可以精确的确定机器人本体当前所处的位置，一旦巡检机器人检测到工作面某位置有危险情况时，将第一时间将自己的位置反馈给工作人员，完成自己的巡检任务。

实施例14：

一种利用实施例8所述矿用工作面巡检机器人的工作方法，包括步骤如下：

当机器人本体2工作时，机器人本体2便在钢丝绳4上往复运行巡检；

在运行过程中，当需要调整巡检的角度范围时，由外部总控室通过信息传输模块发出指令，控制设备箱本体219在第一转向电机214的作用下绕竖直方向轴转动，和/或控制设备箱本体的第二转向电机217使设备板203在设备箱本体219内部沿水平方向轴转动，拓展了监控的范围；

设备箱本体内的超声波传感器204、音频采集模块205、气体采集模块206、定位模块215、视频采集模块218对工作面的状况进行实时检测，并第一时间将信息反馈给控制模块207，由控制模块207将信息通过信息传输模块216发送给外部总控室，工作人员可在外部总控室内对机器人返回的数据进行分析，从而确定工作面的工作状况；

当遇到突发情况时，如工作面上某种气体的浓度值急剧上升，气体采集模块采集数据显示异常，设备箱本体219内部的控制模块207可以自行做出处置，发出警报声，提醒工作人员及时撤离。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。