一种复合构型的井下救援机器人及其救援方法与流程

本发明属于机器人领域，特别涉及一种主要用于煤矿井下灾害救援的复合构型机器人。

背景技术：

煤炭作为我国主要的一次能源，是国民经济发展的基础。但煤炭开采事故多发、救援难度大是我国煤矿生产中存在的现实难题。因此研究生产一种能够在井下发生瓦斯煤尘爆炸、突水塌方等灾害事故后，帮助救援人员快速获取事故现场瓦斯、煤尘浓度等环境参数以及巷道场景图像等信息的井下救援机器人，对加快煤矿灾害救援进度、及时确定被困矿工信息、降低人员伤亡、减少财产损失等将提供有力支撑，对实现救援装备的现代化升级是十分紧迫和必要的。

目前国内外研究机构开发研究的煤矿救援机器人有多种形式，通常有轮式、履带式机器车，以及救援飞行器或无人机的形式。救援机器车搭载能力强，可携带多种监测设备，但是在遇到如塌方落石等较大障碍物时，难以快速确定通行路径，甚至无法跨越，或者遇积水区域无法通行；救援飞行器飞行速度较快，但是持续飞行时间短，特别是在需要搭载多种环境参数监测器和救援物资的情况下，需要更大容量的电池才能满足需求，但现有的电池技术难以解决电池容量要大和质量要轻的矛盾。概括起来，实现井下救援机器人的运动快速性、复杂环境下的良好通过性、长距离运动能力和负载能力、以及在煤矿井下巷道复杂空间下的远距离通信能力都是需要亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种复合构型的井下救援机器人及其救援方法，旨在解决的技术问题是实现一种同时具有运动快速性、复杂环境下的良好通过性、长距离运动能力和负载能力、以及在煤矿井下巷道复杂空间下的远距离通信能力。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现。

一种复合构型的井下救援机器人，其采用轮履式机器车搭载旋翼式飞行器；轮履式机器车包括由电机驱动的轮履式行走机构、车载光纤布放器、具有光纤通信和无线通信功能的智能控制主机、大容量电池、储物仓和供飞行器降落的平台，平台下有为飞行器无线充电的发射线圈及其控制设备，机器车储物仓携带多种可无线通信的便携式环境参数监测器及食物饮料等物资；旋翼式飞行器包括由电机驱动的多旋翼式飞行机构、前视双目摄像头、下视双目摄像头、具有无线通信功能的智能控制器、电磁式载物挂钩、电池、无线充电的接收线圈及其控制设备构成。

轮履式机器车顶部具有供旋翼式飞行器降落的平台，平台下有一组可为飞行器无线充电的发射线圈及其控制设备，通过无线充电方式对降落平台上的飞行器电池进行充电。旋翼式飞行器机体底部装有可进行无线充电的接收线圈及其控制设备，实现对机体内部电池的充电。旋翼式飞行器装有前视双目摄像头和下视双目摄像头，前视摄像头用于飞行器在巷道中位置的空间感知，并记录巷道影像信息，下视摄像头用于飞行器飞行路径的测量记录，确保飞行器可靠返回，并为机器车提供路径规划参数。旋翼式飞行器与机器车控制主机之间采用无线通信，轮履式机器车通过拖放的光纤与救援中心进行通信。

与目前的井下救援机器人相比，本发明的优点是整体具有运动速度快、复杂环境下通过能力强、具有长距离运动能力和负载能力、同时可以在煤矿井下巷道复杂空间下的远距离通信能力的井下救援机器人系统，弥补了传统方式救援机器人的不足，为煤矿井下灾害救援工作及时高效开展提供帮助。

附图说明

图1是本发明的主视图。

图2是飞行器的仰视图。

图3是机器车的俯视图。

图4是机器车涉水行进时轮履机构状态图。

图5是旋转连杆部分结构图。

附图标记说明：1-机器车的轮履式行走机构；2-液压减震器；3-光纤布放器；4-机器车智能控制主机；5-飞行器无线充电装置激励线圈及其控制器；6-大容量电池；7-便携式环境参数监测器及食物饮料等物资；8-多旋翼式飞行机构；9-飞行器智能控制器；10-电池；11-飞行器无线充电装置接收线圈及其控制器；12-前视双目摄像头；13-下视双目摄像头；14-电磁式载物挂钩；15-旋转舵机；16-主驱动轮电机；17-旋转连杆；18-主驱动轮；19-履带；20-副驱动轮；21-旋转舵机轴齿轮；22-主驱动轮电机轴孔；23-副驱动轮电机轴孔；24-旋转连杆转轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

当煤矿井下发生煤与瓦斯突出、瓦斯煤尘爆炸、突水、冒顶塌方等事故后，需要派出人员开展事故救援。对井下出现的救援人员无法达到的灾害区域，首先由救援人员通过光纤通讯方式遥控搭载有旋翼式飞行器的轮履式机器车进入救援区域。

对于一般地形巷道，轮履式行走机构1采用图1所示状态即机身的四组由主驱动轮电机16带动主驱动轮18着地行进，主驱动轮直径大，行进快速，液压减震器2可以减小机器车行进中对车体造成的振动，机器车行进时光纤布放器3随车布放光纤，同时利用机器车所携带的环境参数监测器7和飞行器的前视双目摄像头12，获取周围环境的瓦斯煤尘等参数和图像信息，并通过机器车布放的光纤传回救援指挥中心。

对于有积水巷道，由救援人员通过光纤向机器车的智能控制主机4发送指令，控制旋转舵机15，由旋转舵机轴齿轮21驱动旋转连杆17绕轴24旋转，使机器车采用图4所示状态即由机身的四个副驱动轮20着地，主驱动轮18通过履带19带动副驱动轮20转动向前行进，由于副驱动轮20直径小于主驱动轮18，机器车以较低速度行进。

对于巷道中存在塌方冒顶等掉落的大型石块煤块等障碍物，机器车难以确定行进路径时，由救援人员通过光纤向机器车的智能控制主机4发送指令，通过无线通信控制采用多旋翼式飞行机构8的飞行器起飞，飞行器通过前视双目摄像头12和下视双目摄像头13对前方障碍物尺寸及周围空间参数进行测量，并通过具有无线通讯功能的飞行器智能控制器9将信息传输给机器车的智能控制主机4，再由光纤传回救援中心，供救援人员决策机器车的前进路径。

对于巷道中的大型障碍导致机器车无法通过时，控制飞行器利用电磁式载物挂钩14将机械车储物仓内的便携式环境参数监测器及食物饮料等救援物资7投放到救援区域，同时利用机载设备采集巷道图像信息并通过无线通信传回机器车智能控制主机4，进一步由光纤传回救援中心。

当的旋翼式飞行器在电力不足时可以自动返航，飞回机器车的降落平台，机器车智能控制主机4通过平台下的飞行器无线充电装置的激励线圈及其控制器5与飞行器无线充电装置接收线圈及其控制器11进行无线充电，用机器车的大容量电池6为飞行器电池10快速补充电能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种复合构型的井下救援机器人，采用轮履式机器车搭载旋翼式飞行器；所述轮履式机器车包括轮履式行走机构、车载光纤布放器、具有光纤通信和无线通信功能的智能控制主机、电池、储物仓和飞行器降落平台，平台下方为飞行器无线充电的发射线圈和其控制设备，储物仓可携带环境参数监测器及食物饮料等物资；所述旋翼式飞行器由多旋翼式飞行机构、前视和下视双目摄像头、具有无线通信功能的智能控制器、电磁式载物挂钩、电池、无线充电接收线圈及其控制器构成。本发明专利涉及灾害情况下煤矿井下救援技术领域。该机器人环境适应性强，可搭载多种设备，适用于煤矿井下常规救援无法进入的区域开展救援。

技术研发人员：董海波;廖红梅;李童童;童敏明
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2017.12.22
技术公布日：2018.04.13