煤矿井下同步穿越机器人

本发明涉及一种矿用机器人，特别是涉及一种煤矿井下同步穿越机器人。

背景技术：

我国作为世界第一煤炭大国，在未来相当长的时期内，煤矿资源在我国的资源格局中仍会占据着重要地位。我国煤矿从业人员中，从事采煤、掘进、运输、安控等危险、艰苦、繁重、重复性高的工作岗位人员占比在60％以上，一旦发生事故，就会造成重大损失。因此亟需大范围使用具备“自主感知、自主学习、自主决策”的各类作业机器人来大幅度减少井下作业人员，减少人身伤亡事故。煤矿机器人的大规模应用，必将在大幅度降低煤矿事故的基础上有效提升采煤效率，成为解决“事故”难题的关键。因此研发应用煤矿机器人有利于减少井下作业人数、降低安全风险、提高生产效率、减轻矿工劳动强度，有利于解决煤矿招工难等问题，对推动煤炭开采技术革命、实现煤炭工业高质量发展、保障国家能源安全供应、建设安全高效绿色智慧矿山具有重要意义。

但是，煤矿井下工况条件十分复杂，各工种间的配合要求程度很高。因此，以传统方式开发完全自主化的各类煤矿井下机器人，旨在完全替代矿井工人是极其困难的；以电脑完全代替人脑协调地处理井下各方面的海量复杂信息，研发出煤矿井下完全无人干预的理想矿井机器人是极难实现的，煤矿机器人独立自主地完成复杂任务甚至是不可能的。这主要是由以下两方面的因素造成的：1)煤矿机器人所处的井下环境往往具有复杂性、动态性和不可预测性；2)煤矿机器人对环境感知的不可靠性、与环境交互过程中产生的不确定性。传统的示教再现或预编程作业方式因对环境的适应能力差，只能从事一些简单重复的工作。而由于受计算机、控制、人工智能和机构等关键支撑技术发展的制约，目前研制出能在非结构化环境下进行完全自主工作的全自主煤矿机器人这一目标还难以实现。此外，难以实现全工种的煤矿机器人同步研发，这就导致煤矿开采中的各个环节自动化程度极不均衡，难以实现煤炭开采的技术革命。

因此，为了保障高效绿色智慧煤矿的实现，有必要开展一种煤矿井下机器人研发的新思路。在这种情况下，一个自然的构想是将人的经验智慧和机器人的智能结合起来，将人作为控制系统中的一个环节参与到机器人的控制中，利用人脑进行高层次的任务规划和命令设计，利用机器人完成任务执行工作，这样既发挥了人类智能的关键性决策作用，也可发挥机器人的任务执行能力，实现了人的感知能力和行为能力的延伸，从而可以利用机器人完成非结构化煤矿井下环境中复杂的作业。煤矿井下同步穿越机器人系统就是这样的人机协作系统，这种“人在回路”的遥操作系统相对于完全自主的机器人系统的优点就是使系统具有了人的推理能力、任务规划能力和及时调整的能力，从而减少了系统控制的复杂性，并提高了可靠性。

本发明涉及一种以人脑为决策单元，高清图像音频等传感器为感知单元，物理机械机构为执行单元，高带宽的无线电传输模块为通信单元的通用型煤矿井下同步穿越机器人。使得矿井机械设备真正成为人类肢体的延伸，进而实现煤矿井下完全无人化作业的终极状态。此通用型的煤矿同步穿越机器人的另一个现实意义在于，对现有煤矿所投入的所有设备无需更新换代，以机器人的机械机构代替工人的肢体进行同步穿越操控原有设备，进而节省巨大的设备换代成本。

鉴于现有煤矿发展现状和迫切需求，为了实现矿井工作面的无人化作业，将矿井工作人员彻底从矿井危险工作面的繁重危险的工作中解救出来，经过不断的研究及设计，并经反复试验及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

技术实现要素：

技术问题：本发明的主要目的在于，针对目前矿井工作面实际恶劣情况及无人化需求，提出一种煤矿井下同步穿越机器人，旨在实现人机实时同步穿越控制，将井下机器人作为驾驶员肢体的延伸，实现矿井工作面的完全无人化作业。

技术方案：本发明的目的是这样实现的：一种煤矿井下同步穿越机器人，其特征是：该系统包括：前端同步穿越机器人1，后端操控平台2，工作面超宽带基站5，地面机房超宽带基站6，井下通信总站7，地面通信总站8，矿井环网10。其中，前端同步穿越机器人1布置在矿井工作面3中，后端操控平台2布置在地面工作机房4中。后端操控平台2与地面机房超宽带基站6通过超宽带无线电进行实时通信，地面机房超宽带基站6与地面通信总站8通过双绞线连接通信；前端同步穿越机器人1与工作面超宽带基站5通过超宽带无线电进行实时通信，工作面超宽带基站5与井下通信总站7通过双绞线连接通信；井下通信总站7与地面通信总站8通过光纤9接入矿井环网10中并实时通信。

所述的煤矿井下同步穿越机器人，其特征是：所述的前端同步穿越机器人1，其特征是：该系统包括：头部机构11，高清双目摄像头12，音频交互系统13，颈部z轴旋转电机14，头部x轴旋转电机15，气体传感器16，探照大灯17，机器人手臂18，机器人机身工控机19，机器人仿生手掌20，机器人行走底盘21，机器人行走步进电机22。

所述的煤矿井下同步穿越机器人，其特征是：所述的后端操控平台2，其特征是：该系统包括：头部高清图传音频眼镜23，操控平台基架24，基架连接臂25，肩部y轴旋转连接机构26，肩部x轴旋转连接机构27，手臂连接机构28，肘部x轴旋转连接机构29，手部动作捕捉手套30，手部三轴微陀螺仪31，行走部操控踏板32，行走电机正反向开关33。

所述的煤矿井下同步穿越机器人同步穿越实现方法，其特征是：

(1)将多台后端操控平台2布置于地面工作机房4中，每台操控平台2中部署一名驾驶员，通过操控平台2内置的多种类传感器，实时检测驾驶员头部动作信息、躯干手臂动作信息、手掌手指动作信息以及脚部动作信息，将多种类的肢体信息通过操控平台2中内置的工控机处理后，利用超宽带无线电通信模块传输至机房超宽带通信基站6，进而利用交换机通信系统传输至地面通信总站8，通过光纤系统9传输至矿井环网中；

(2)对应的，将多台前端同步穿越机器人1布置于井下危险工作面3中，该同步穿越机器人1的运动机构自由度与后端操控平台所检测的驾驶员肢体信息保持完全一致；同时，前端机器人机身搭载双目视觉传感器、音频系统及气体传感器；

(3)机器人工作时，实时获取工作面的图像信息、声音信息以及气体信息，通过超宽带通信系统反馈至工作面通信基站5和地下通信总站7，进而通过光纤系统9传输至矿井环网10中，与后端操控平台进行数据交换；通过整套高带宽的矿井通信系统，将工作面中的机器人所检测的视觉、声音、气体等临场信息实时地传输至操控平台中，驾驶员通过高清图传音频眼镜23实时获取机器人临场信息，从而做出相应的动作指令；

(4)后端操控平台2中，高清图传音频眼镜23中搭载x轴、z轴微陀螺仪，用以检测驾驶员头部x轴和z轴的转动角度；左右两根基架连接臂25通过刻度滑槽与操控台基架24相连接，用以检测驾驶员躯干绕z轴旋转的角度；肩部y轴旋转连接机构26和肩部x轴旋转连接机构27内分别搭载轴编码器，用以检测驾驶员大臂绕y轴及x轴旋转的角度；手臂连接机构28可调节长度，用以匹配不同驾驶员的手臂长度；肘部x轴旋转连接机构29内搭载轴编码器，用以检测驾驶员小臂绕x轴转动角度；每部手部动作捕捉手套30内搭载5台微型轴编码器，每台微型轴编码器与驾驶员每根手指通过特殊刚性连杆相连接，手指关节运动角度与微型轴编码器角度刻度一一对应，通过微型轴编码器旋转角度进而确定手指关节动作信息；每部手部动作捕捉手套30上搭载一台三轴微机械陀螺仪31，将手掌的三轴姿态信息转化为数字信号；行走部控制踏板32分为左右两根踏板，分别由驾驶员左右脚进行控制，左右踏板绕x轴的转动信息分别对应行走部左右电机的转速，行走电机正反向开关33控制行走部电机正反转向；

(5)通过整套高带宽的矿井通信系统，将驾驶员的肢体指令信息与工作面的工况临场信息进行实时交互，驾驶员根据机器人现场获取的信息做出相应的肢体动作，井下机器人根据驾驶员肢体动作信号实时驱动对应的步进电机旋转，进而完成与驾驶员相对应的同步动作，最终完成所需的矿井作业，实现“人在回路”的远程人机同步穿越控制。

本发明煤矿井下同步穿越机器人与现有技术相比，具有明显的优点与有益效果。借由上述技术方案，本发明可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列几点：

(1)本发明煤矿井下同步穿越机器人，针对井下复杂动态环境影响，将人的经验智慧和煤矿井下机器人的智能机构结合起来，将人的大脑作为控制系统中的一个环节参与到煤矿井下机器人的控制中，利用人脑进行高层次的任务规划和命令设计，利用井下机器人完成任务执行工作，这样既发挥了人类智能的关键性决策作用，也可发挥机器人的任务执行能力，实现了人的感知能力和行为能力的延伸，从而可以利用煤矿井下机器人完成非结构化煤矿井下环境中复杂的作业。

(2)本发明煤矿井下同步穿越机器人，基于后端仿生操控平台实时检测驾驶员肢体的多维动作信号，通过高带宽矿井通讯系统，使得前端机器人对驾驶员的肢体动作高度同步，从而完成矿井工况环境下的复杂作业。

(3)本发明煤矿井下同步穿越机器人的另一个现实意义在于，对现有煤矿所投入的所有设备无需更新换代，以机器人的机械机构代替工人的肢体进行同步穿越操控原有设备，进而节省巨大的设备换代成本。

综上所述，本发明特殊结构的煤矿井下同步穿越机器人，目的在于提出一种全新的人-机同步操控系统及方法，可实现矿井工作面中的完全无人化，彻底将井下煤矿工作人员从危险工作面环境中解放出来。该系统不仅具有很高的经济价值，而且具有很好的社会价值。其具有上述诸多的优点及实用价值，其同步穿越系统及方法未见公开发表或实用而确属创新，在煤矿机器人技术领域上有很大突破，并产生了好用及实用的效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计，这些思路在国际同行中是领先的，具有独创性。

上述如此结构构成的本发明煤矿井下同步穿越机器人的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。

如上所述是本发明的基本构思。但是，在本发明的技术领域内，只要具备最基本的知识，可以对本发明的其他可操作的实施例进行改进。在本发明中对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化方式。

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。

附图说明

图中：

图1是本发明系统总体结构图

图2是本发明系统总体原理图

图3是本发明前端机器人结构图

图4是本发明后端操控平台结构图

图5是本发明同步穿越控制原理图

图中：

1：前端同步穿越机器人2：后端操控平台

3：矿井工作面4：地面工作机房

5：工作面超宽带基站6：地面机房超宽带基站

7：井下通信总站8：地面通信总站

9：光纤10：矿井环网

11：头部机构12：高清双目摄像头

13：音频交互系统14：颈部z轴旋转电机

15：头部x轴旋转电机16：气体传感器

17：探照大灯18：机器人手臂

19：机器人机身工控机20：机器人仿生手掌

21：机器人行走底盘22：机器人行走步进电机

23：头部高清图传音频眼镜24：操控平台基架

25：基架连接臂26：肩部y轴旋转连接机构

27：肩部x轴旋转连接机构28：手臂连接机构

29：肘部x轴旋转连接机构30：手部动作捕捉手套

31：手部三轴微陀螺仪32：行走部操控踏板

33：行走电机正反向开关

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的煤矿井下同步穿越机器人的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

本发明较佳实施例的煤矿井下同步穿越机器人系统总体结构图及原理图，如图1、图2所示，由前端同步穿越机器人1，后端操控平台2，矿井工作面3，地面工作机房4，工作面超宽带基站5，地面机房超宽带基站6，井下通信总站7，地面通信总站8，光纤9，矿井环网10构成。其中，前端同步穿越机器人1布置在矿井工作面3中，后端操控平台2布置在地面工作机房4中，每台后端操控平台由一名驾驶员控制，前端同步穿越机器人1与后端操控平台2之间通过由工作面超宽带基站5，井下通信总站7，光纤9，矿井环网10，地面通信总站8及地面机房超宽带基站6所构成的矿井通信系统进行数据通信。系统工作时，由前端同步机器人机身传感器实时检测矿井工作面中的图像、声音、气体等林场信息，通过矿井通信系统传输至后端操控平台中，驾驶员接收到前端同步机器人的临场信息后，在后端操控平台中进行对应的肢体操控，后端操控平台检测得到驾驶员的肢体信息后，转化为数字信号，通过矿井通信系统传输至前端同步穿越机器人工控机中，进而驱动机器人机身伺服步进电机控制机体完成同步动作。

图3是本发明前端机器人结构图，如图所示，所述的高清双目摄像头12安装至头部机构11中，实时获取矿井工作面临场图像；头部机构11通过颈部机构安装至前端机器人机身，颈部机构中安装有颈部z轴旋转电机及头部x轴旋转电机，根据接收到的驾驶员头部动作信号可控制头部机构绕x轴、z轴旋转；所述的前端机器人机身安装有音频交互系统13，可收集矿井工作面临场声音，传输至后端，并将后端的声音信号外放至矿井工作面中；气体传感器16用于检测矿井工作面气体成分，并将数据传输至后端；探照大灯17用于提供可见光源；机器人手臂18、机器人仿生手掌20中的各关节处安装有伺服步进电机，其自由度与后端操控平台中各轴编码器所检测角度信息保持完全一致；机器人行走底盘21为履带式行走机构，左右两端分别安装有一台机器人行走步进电机22，通过接收后端驾驶员的脚部动作信息，控制左右电机步进量，进而控制前端机器人按照驾驶员意图移动；机器人机身工控机用于将机器人机身各类传感器所检测到的信号收集并编码，通过机身通信模块传输至矿井通信系统中，并将后端传输得到的数字信号转化为电信号，进而驱动各伺服电机运动。

图4是本发明后端操控平台结构图，如图所示，驾驶员坐在操控平台中的驾驶椅中，由辅助工作人员协助驾驶员穿戴操控装备及高清图传音频眼镜。所述的高清图传音频眼镜23通过矿井通信系统可实时显示矿井工作面中前端机器人的视角及其他数据信息，眼镜中嵌入微机械陀螺仪，可检测驾驶员头部沿z轴及x轴转动的角度。

所述的驾驶员穿戴操控装备主要分为手部装备及手臂装备，手臂装备与操控平台基架24相连接，手部装备单独穿戴在驾驶员手部。其中，手臂装备包括基架连接臂25，肩部y轴旋转连接机构26，肩部x轴旋转连接机构27，手臂连接机构28，肘部x轴旋转连接机构29。手臂装备由基架连接臂25与操控平台基架24相连接，各机构关节处与驾驶员肩部臂部关节自由度保持一致并且内置轴编码器，驾驶员手臂运动的转动角度被实时检测。手部装备主要为单独穿戴的一副手部动作捕捉手套，每部手套中搭载一部手部三轴微陀螺仪31及5台微型轴编码器，其中，三轴微陀螺仪实时检测驾驶员手掌绕三轴转动的角度，驾驶员手指与手套由刚性连杆连接，手指的运动带动刚性连杆拉伸，刚性连杆与手套通过旋转机构连接，刚性连杆的位移进一步带动旋转机构旋转，其旋转角度由微轴编码器检测。所述的行走部操控踏板32及行走电机正反向开关33由驾驶员双脚控制。

图5为本发明的同步穿越控制原理图，如图所示，同步穿越机器人后端驾驶员通过头部、手臂、手掌、双脚对前端机器人进行同步穿越控制。其中，驾驶员通过佩戴头部追踪图传眼镜获取井下机器人临场图像、音频等实时数据，驾驶员通过头部转动控制井下机器人头部同步转动，进而获取多角度实时临场图像；驾驶员穿戴特种机械手套及机械臂套，通过各关节处布置的传感器将驾驶员手臂、手掌及手指的肢体信息实时获取；驾驶员通过双脚控制机器人行走部踏板，驾驶员根据井下机器人端获取的临场图像控制踏板，进而对踏板数据进行采集。得到驾驶员肢体信息后，利用操控平台工控机中的后端控制主板进行编码，通过通信系统传输至井下机器人前端控制主板，解码后对机器人各关节部位的伺服电机进行驱动，进而控制机器人头部、手臂、手部及行走部同步运动。同时，通过机器人图像传感器、气体传感器、音频传感器将井下机器人所处环境中的临场信息实时传输至后端驾驶员处，形成完整的“人在回路”控制循环，达到人机同步穿越控制的功能。

上述如此结构构成的本发明煤矿井下同步穿越机器人的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。

如上所述是本发明的基本构思。但是，在本发明的技术领域内，只要具备最基本的知识，可以对本发明的其他可操作的实施例进行改进。在本发明中对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化方式。

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。