一种井下环境飞行与地面协同的监测机器人及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种井下环境飞行与地面协同的监测机器人及其使用方法，属于煤矿开采环境安全监测技术领域。

背景技术

在煤矿开采的生产期间，为了保障矿井工人的生命安全与作业效率，需要专业人员提前进入矿井底部，对矿井底部区域的通风情况、瓦斯浓度以及工作区域的光照情况和周边环境进行逐一排查，保证没有安全隐患。但是，专业人员在进入矿井之前，矿井内部情况是未知的，虽然专业人员具备相关安全知识，但仍旧有生命安全受到伤害的风险。

现有技术中，中国专利文件CN110941239B公开了一种深部矿井环境监测机器人系统及监测方法，属于煤矿智能监测领域。该机器人系统包括环境监测机器人、环境监测机器人远程工作站和矿用无线通信网络。环境监测机器人远程工作站由矿用本安型计算机、显示器、操作台组成，环境监测机器人和环境监测机器人远程工作站通过矿用无线通信网络进行通信。环境监测机器人采用轮式智能小车结构，由小车车架、主控制器、驱动机构、温湿度传感器、气体检测传感器、激光雷达、TOF深度相机、障碍物传感器、变形扫描机构、RFID标签、ZigBee无线数传模块组成。该机器人采用常规的小车驱动进行行走，避障能力弱。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种井下环境飞行与地面协同的监测机器人，可通过遥控深入巷道危险区域，代替人工探测瓦斯浓度、风速、温度等基本参数，并实时监测矿井内部环境状况，同时，考虑到矿井内部环境复杂，空间有限，对机器人的整体结构做了进一步改进，使其具有高越障性能，移动更加灵活，其独特的单机齿轮传动系统，可以配合自身的移动路线记忆功能，按原路线返回，保障了该机器人的安全，避免因操作不当对机器人造成损坏。

本发明还提供上述井下环境飞行与地面协同的监测机器人的使用方法。

本发明的技术方案如下：

一种井下环境飞行与地面协同的监测机器人，包括驱动装置、监测装置、无人机越障装置、落地信息处理模块和信号处理模块，其中，驱动装置上侧对称设置有无人机越障装置，驱动装置上侧中部设置有监测装置，驱动装置、监测装置和无人机越障装置均连接有信号处理模块，信号处理模块和落地信息处理模块均设置于驱动装置上侧；

无人机越障装置包括可折叠机翼板、中间连接板、无人机螺旋桨、折叠压板、连动杆、T型齿条和齿轮驱动电机，中间连接板固定于驱动装置，中间连接板两侧分别通过合页铰接有可折叠机翼板，可折叠机翼板内侧还通过收缩弹簧连接有中间连接板，可折叠机翼板外侧设置有无人机螺旋桨，可折叠机翼板和中间连接板中部设置有贯穿的凹槽，凹槽中间位置垂直设置有滑槽，滑槽内滑动设置有T型齿条，T型齿条一端的两侧分别通过连动杆连接有折叠压板，折叠压板滑动设置于凹槽内，中间连接板上通过电机架固定设置有齿轮驱动电机，齿轮驱动电机通过驱动齿轮啮合连接有T型齿条另一端。

根据本发明优选的，无人机螺旋桨包括旋转桨、连接杆、驱动电机、红外测距传感器A和连接底板，连接底板固定于可折叠机翼板，连接底板上侧通过驱动电机连接有连接杆，连接杆上设置有旋转桨，驱动电机壳体外侧周向设置有红外测距传感器A，红外测距传感器A用于检测无人机螺旋桨工作时与周边墙壁的距离，避免发生碰撞，造成损坏，连接杆顶部还设置有盖帽，盖帽通过内螺纹旋转连接有连接杆，使旋转桨与连接杆的连接更为牢固可靠。

根据本发明优选的，落地信息处理模块包括信息处理单元、伸缩电推杆、前端信息采集装置和安装板，安装板固定于驱动装置边侧，安装板外侧设置有伸缩电推杆，伸缩电推杆上设置有前端信息采集装置，安装板内侧设置有信息处理单元，信息处理单元分别连接有前端信息采集装置和信号处理模块。

根据本发明进一步优选的，前端信息采集装置包括连接板、装置承载板、前端照明装置、红外测距传感器B、摄像采集装置和瓦斯传感器A，装置承载板上设置有前端照明装置、红外测距传感器B、摄像采集装置和瓦斯传感器A，装置承载板通过连接板固定于伸缩电推杆。前端信息采集装置通过前端照明装置照亮路况，通过红外测距传感器B、摄像采集装置采用地面信息，瓦斯传感器A为机器人落地做准备的，落地前，机器人监测装置未开始工作，若机器人还未落地前便检测到气体浓度过高，则立刻传回警告信息，同时，若超出预警值过大，为保护机器人安全，则机器人便停止接下来的工作，返回路面。

根据本发明优选的，驱动装置包括车轮、防爆驱动电机、主动锥齿轮、上盖板、保护壳和传动长轴，上盖板下侧通过防爆电机支架设置有防爆驱动电机，防爆驱动电机输出轴通过齿轮啮合连接有传动长轴中部的直齿轮，传动长轴通过轴承座固定于上盖板，传动长轴两端分别设置有主动锥齿轮，主动锥齿轮分别通过传动机构连接有车轮，上盖板下侧设置有保护壳，用于保护内部器件。

根据本发明进一步优选的，传动机构包括离合器、从动锥齿轮、传动短轴A和传动短轴B，从动锥齿轮啮合连接有主动锥齿轮，从动锥齿轮通过传动短轴A连接有离合器一侧，离合器另一侧通过传动短轴B连接有车轮，离合器通过离合器支架固定于上盖板，传动短轴A中部通过轴承座A固定于保护壳，传动短轴B中部通过轴承座B固定于上盖板，保证传动机构的整体连接强度。

根据本发明优选的，监测装置包括凹槽滑轨、T型滑块、瓦斯传感器B、温度传感器、风速传感器和光照传感器，凹槽滑轨固定于驱动装置，凹槽滑轨内设置有T型滑块，T型滑块顶部设置有瓦斯传感器B、温度传感器、风速传感器和光照传感器。

根据本发明进一步优选的，监测装置外侧套装有保护罩，保护罩内固定设置有防爆电机，防爆电机输出轴上设置有传动齿轮，T型滑块上设置有齿槽，传动齿轮啮合连接有齿槽，通过传动齿轮带动T型滑块上下运动。

上述井下环境飞行与地面协同的监测机器人的使用方法，步骤如下：

（1）需进行井下环境监测时，无人机螺旋桨启动，带动机器人进入井下，红外测距传感器A监测机器人与井壁的距离，并将采集到的数据传递至信号处理模块，由信号处理模块进行处理分析，若距离在安全范围内，机器人保持正常运转，继续沿原预定轨迹移动，安全着陆，若距离小于设定值，则对机器人的移动路线做出调整，机器人向着与井壁过近的反方向进行调整移动；

（2）机器人下落后，落地信息处理模块开始工作，伸缩电推杆将前端信息采集装置伸出，红外测距传感器B测量机器人与地面的高度，其距离达到设定预警值时，机器人下降速度降低，其着陆更加平稳，摄像采集装置采集路面信息，交由信息处理单元进行决策，或反馈至人工操作端，进行着陆点的选择；

（3）机器人到达井下后，齿轮驱动电机启动，转动带动T型齿条沿中间连接板的滑槽移动，通过连动杆带动折叠压板沿凹槽向中间连接板移动，当折叠压板完全处于中间连接板上时，由于收缩弹簧的拉紧作用，可折叠机翼板围绕合页转动，可折叠机翼板收缩，避免翼展过宽，影响行走；

（4）驱动装置启动，防爆驱动电机转动，带动传动长轴转动，传动长轴通过传动机构将转动传递至车轮，带动机器人进行行进，同时监测装置打开，T型滑块伸出，瓦斯传感器B、风速传感器、温度传感器和光照传感器采集信息，并传至信号处理模块，对井下环境信息进行实时监测；

（5）监测过程中，如果遇到无法翻越的障碍，齿轮驱动电机反向转动，带动折叠压板向可折叠机翼板运动，折叠压板处于可折叠机翼板上时，收缩弹簧被拉开，可折叠机翼板展开，然后无人机螺旋桨启动，带动机器人飞越障碍，然后可折叠机翼板收缩，驱动装置继续启动，进行监测，直至监测完成后，可折叠机翼板展开，无人机螺旋桨启动，带动机器人飞回。

根据本发明优选的，步骤（4）中，为方便表述，4个车轮分别为左前车轮、右前车轮、左后车轮、右后车轮，机器人行进过程为，前进时，右前车轮与左后车轮的离合器闭合，左前车轮与右后车轮的离合器张开，只有右前车轮与左后车轮受到驱动，机器人开始前进；

后退时，左前车轮与右后车轮的离合器闭合，右前车轮与左后车轮的离合器张开，只有左前车轮与右后车轮受到驱动，机器人开始后退；

右转弯时，只有左后车轮的离合器闭合，其余离合器全部张开，只有左后车轮受到驱动力，由于机器人只有单侧受力，所以机器人可实现前进右转弯；

左转弯时，只有右前车轮的离合器闭合，其余离合器全部张开，只有右前车轮受到驱动力，由于机器人只有单侧受力，所以机器人可实现前进左转弯；

后退右转弯时，只有左前车轮的离合器闭合，其余离合器全部张开，只有左前车轮受到驱动力，由于机器人只有单侧受力，所以机器人可实现后退右转弯；

后退左转弯时，只有右后车轮的离合器闭合，其余离合器全部张开，只有右后车轮受到驱动力，由于机器人只有单侧受力，所以机器人可实现后退左转弯；

机器人需要静止对某一位置的环境进行实时监测时，所有离合器打开，所有车轮不受到任何驱动力，保持静止状态。

本发明的有益效果在于：

1、发明提供一种井下环境飞行与地面协同的监测机器人，可通过遥控深入巷道危险区域，代替人工探测瓦斯浓度、风速、温度等基本参数，并实时监测矿井内部环境状况，同时，考虑到矿井内部环境复杂，空间有限，对机器人的整体结构做了进一步改进，使其具有高越障性能，移动更加灵活，其独特的单机齿轮传动系统，可以配合自身的移动路线记忆功能，按原路线返回，保障了该机器人的安全，避免因操作不当对机器人造成损坏。

2、本发明同时包含驱动装置与无人机越障装置，当其处于监测工作状态时，由主要由驱动装置进行工作，当其进入矿井与离开矿井或遇到驱动装置难以跨越的障碍时，由可折叠无人机越障装置进行工作，带动机器人越障。

3、本发明的驱动装置提供动力，且其在启动后，可以一直保持转动状态，由独特的齿轮传动机构控制机器人的行进，使得机器人可实现前进、后退、前进右转、前进左转、后退右转、后退左转、静止共7种工作状态，防爆驱动电机不用启停或改变转向，从而减少擦出火花的可能性，避免引发爆炸的危险，且该驱动装置独特的齿轮传动机构使得机器人没有严格意义上的前后之分，其前进与后退同样的灵活方便。

4、本发明的无人机越障装置在工作状态时为展开形状，当其停止工作，进入监测状态时，可以收起机翼，减小体积，避免发生碰撞，增加了机器人的灵活程度。

5、本发明的前端信息采集装置还设置有瓦斯传感器A，瓦斯传感器A为机器人落地做准备的，落地前，机器人监测装置未开始工作，若机器人还未落地前便检测到气体浓度过高，则立刻传回警告信息，同时，若超出预警值过大，为保护机器人安全，则机器人便停止接下来的工作，返回路面。

6、本发明可同时采集井下多种环境信息，并对采集的信息进行数据处理，做出反馈，分析井下环境的各项指标，得出安全系数，为矿井工人的人身安全提供保障。

7、本发明的无人机越障装置的四周安装有红外测距传感器A，其可向四个方向发送信号，实时监测机器人与井壁的距离，保证其处于安全位置，避免碰到井壁擦出火花，引发爆炸坠毁。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的机翼收缩状态结构示意图；

图3为本发明的无人机越障装置结构示意图；

图4为本发明的驱动装置结构示意图；

图5为本发明的螺旋桨结构示意图；

图6为本发明的监测装置结构示意图；

图7为本发明的落地信息处理模块结构示意图；

图8为本发明的传动机构结构示意图；

图9为本发明的前端信息采集装置结构示意图；

图10为本发明的保护罩结构示意图；

其中：1、驱动装置；2、无人机越障装置；3、监测装置；4、信号处理模块；5、机翼折叠控制机构；6、路况识别记忆系统；7、落地信息处理模块；8、无人机螺旋桨；9、可折叠机翼板；10、折叠压板；11、连动杆；12、中间连接板；13、合页；14、齿轮驱动电机；15、电机架；16、驱动齿轮；17、T型齿条；18、收缩弹簧；19、车轮；20、信息处理单元；21、防爆驱动电机；22、主动锥齿轮；23、上盖板；24、离合器支架；25、从动锥齿轮；26、传动长轴；27、防爆电机支架；28、直齿轮；29、传动短轴A；30、保护壳；31、旋转桨；32、盖帽；33、连接杆；34、驱动电机；35、红外测距传感器A；36、连接底板；37、凹槽滑轨；38、T型滑块；39、瓦斯传感器B；40、风速传感器；41、光照传感器；42、前端信息采集装置；43、伸缩电推杆；44、安装板；45、防爆电机、46、保护罩；47、传动齿轮；48、连接板；49、装置承载板；50、前端照明装置；51、红外测距传感器B；52、摄像采集装置；53、瓦斯传感器A；54、轴承座A；55、离合器；56、轴承；57、轴承座B；58、传动短轴B。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种井下环境飞行与地面协同的监测机器人，包括驱动装置1、监测装置3、无人机越障装置2、落地信息处理模块7和信号处理模块4，其中，驱动装置1上侧对称设置有无人机越障装置2，驱动装置1上侧中部设置有监测装置3，驱动装置1、监测装置3和无人机越障装置2均连接有信号处理模块4，信号处理模块4和落地信息处理模块7均设置于驱动装置1上侧；

无人机越障装置2包括可折叠机翼板9、中间连接板12、无人机螺旋桨8、折叠压板10、连动杆11、T型齿条17和齿轮驱动电机14，中间连接板12固定于驱动装置1，中间连接板12两侧分别通过合页13铰接有可折叠机翼板9，可折叠机翼板9内侧还通过收缩弹簧18连接有中间连接板12，可折叠机翼板9外侧设置有无人机螺旋桨8，可折叠机翼板9和中间连接板12中部设置有贯穿的凹槽，凹槽中间位置垂直设置有滑槽，滑槽内滑动设置有T型齿条17，T型齿条17一端的两侧分别通过连动杆11连接有折叠压板10，折叠压板10滑动设置于凹槽内，中间连接板12上通过电机架15固定设置有齿轮驱动电机14，齿轮驱动电机14通过驱动齿轮16啮合连接有T型齿条17另一端。

连动杆与T型齿条和折叠压板均通过销轴连接，凹槽与折叠压板，滑槽与T型齿条均采用内嵌式滑动连接，整体呈卯榫结构，实现往复滑动，而且连接紧密可靠，折叠压板10、连动杆11、齿轮驱动电机、驱动齿轮以及T型齿条共同组成了机翼折叠控制机构5。

无人机螺旋桨8包括旋转桨31、连接杆33、驱动电机34、红外测距传感器A35和连接底板36，连接底板36固定于可折叠机翼板9，连接底板36上侧通过驱动电机34连接有连接杆33，连接杆33上设置有旋转桨31，驱动电机34壳体外侧周向设置有红外测距传感器A35，红外测距传感器A用于检测无人机螺旋桨工作时与周边墙壁的距离，避免发生碰撞，造成损坏，连接杆33顶部还设置有盖帽32，盖帽通过内螺纹旋转连接有连接杆，使旋转桨与连接杆的连接更为牢固可靠。

落地信息处理模块7包括信息处理单元20、伸缩电推杆43、前端信息采集装置42和安装板44，安装板44固定于驱动装置1边侧，安装板44外侧设置有伸缩电推杆43，伸缩电推杆43上设置有前端信息采集装置42，安装板44内侧设置有信息处理单元20，信息处理单元20分别连接有前端信息采集装置42和信号处理模块4。

前端信息采集装置42包括连接板48、装置承载板49、前端照明装置50、红外测距传感器B51、摄像采集装置52和瓦斯传感器A53，装置承载板49上设置有前端照明装置（可采用照明灯）、红外测距传感器B51、摄像采集装置52和瓦斯传感器A53，装置承载板49通过连接板48固定于伸缩电推杆43。前端信息采集装置通过前端照明装置照亮路况，通过红外测距传感器B51、摄像采集装置52采用地面信息，瓦斯传感器A53为机器人落地做准备，落地前，机器人监测装置未开始工作，若机器人还未落地前便检测到气体浓度过高，则立刻传回警告信息，同时，若超出预警值过大，为保护机器人安全，则机器人便停止接下来的工作，返回路面。

驱动装置1包括车轮19、防爆驱动电机21、主动锥齿轮22、上盖板23、保护壳30和传动长轴26，上盖板23上侧设置有路况识别记忆系统6（路况识别记忆系统采用现有的路况识别系统，对前进路况进行判别和记忆），上盖板23下侧通过防爆电机支架27设置有防爆驱动电机21，防爆驱动电机21输出轴通过齿轮啮合连接有传动长轴26中部的直齿轮28，传动长轴26通过轴承座固定于上盖板23，传动长轴26两端分别设置有主动锥齿轮22，主动锥齿轮22分别通过传动机构连接有车轮19，上盖板23下侧设置有保护壳30，用于保护内部器件。

传动机构包括离合器55、从动锥齿轮25、传动短轴A29和传动短轴B58，从动锥齿轮25啮合连接有主动锥齿轮22，从动锥齿轮25通过传动短轴A29连接有离合器55一侧，离合器55另一侧通过传动短轴B58连接有车轮19，离合器55通过离合器支架24固定于上盖板23，传动短轴A29中部通过轴承座A54固定于保护壳30，传动短轴B58中部通过轴承座B57固定于上盖板23，保证传动机构的整体连接强度。

监测装置3包括凹槽滑轨37、T型滑块38、瓦斯传感器B39、温度传感器、风速传感器40和光照传感器41，凹槽滑轨37固定于驱动装置，凹槽滑轨37内设置有T型滑块38，T型滑块38顶部设置有瓦斯传感器B39、温度传感器（图中未示出）、风速传感器和光照传感器。

监测装置外侧套装有保护罩46，保护罩46内固定设置有防爆电机45，防爆电机45输出轴上设置有传动齿轮47，T型滑块38上设置有齿槽，传动齿轮47啮合连接有齿槽，通过传动齿轮带动T型滑块上下运动。

上述井下环境飞行与地面协同的监测机器人的使用方法，步骤如下：

（1）需进行井下环境监测时，无人机螺旋桨启动，带动机器人进入井下，红外测距传感器A监测机器人与井壁的距离，并将采集到的数据传递至信号处理模块，由信号处理模块进行处理分析，若距离在安全范围内，机器人保持正常运转，继续沿原预定轨迹移动，安全着陆，若距离小于设定值，则对机器人的移动路线做出调整，机器人向着与井壁过近的反方向进行调整移动；

（2）机器人下落后，落地信息处理模块开始工作，伸缩电推杆将前端信息采集装置伸出，红外测距传感器B测量机器人与地面的高度，其距离达到设定预警值时，机器人下降速度降低，其着陆更加平稳，摄像采集装置采集路面信息，交由信息处理单元进行决策，或反馈至人工操作端，进行着陆点的选择；

（3）机器人到达井下后，齿轮驱动电机启动，转动带动T型齿条沿中间连接板的滑槽移动，通过连动杆带动折叠压板沿凹槽向中间连接板移动，当折叠压板完全处于中间连接板上时，由于收缩弹簧的拉紧作用，可折叠机翼板围绕合页转动，可折叠机翼板收缩，避免翼展过宽，影响行走；

（4）驱动装置启动，防爆驱动电机转动，带动传动长轴转动，传动长轴通过传动机构将转动传递至车轮，带动机器人进行行进，同时监测装置打开，T型滑块伸出，瓦斯传感器B、风速传感器、温度传感器和光照传感器采集信息，并传至信号处理模块，对井下环境信息进行实时监测；

（5）监测过程中，如果遇到无法翻越的障碍，齿轮驱动电机反向转动，带动折叠压板向可折叠机翼板运动，折叠压板处于可折叠机翼板上时，收缩弹簧被拉开，可折叠机翼板展开，然后无人机螺旋桨启动，带动机器人飞越障碍，然后可折叠机翼板收缩，驱动装置继续启动，进行监测，直至监测完成后，可折叠机翼板展开，无人机螺旋桨启动，带动机器人飞回。

步骤（4）中，为方便表述，4个车轮分别为左前车轮、右前车轮、左后车轮、右后车轮，机器人行进过程为，前进时，右前车轮与左后车轮的离合器闭合，左前车轮与右后车轮的离合器张开，只有右前车轮与左后车轮受到驱动，机器人开始前进；

后退时，左前车轮与右后车轮的离合器闭合，右前车轮与左后车轮的离合器张开，只有左前车轮与右后车轮受到驱动，机器人开始后退；

右转弯时，只有左后车轮的离合器闭合，其余离合器全部张开，只有左后车轮受到驱动力，由于机器人只有单侧受力，所以机器人可实现前进右转弯；

左转弯时，只有右前车轮的离合器闭合，其余离合器全部张开，只有右前车轮受到驱动力，由于机器人只有单侧受力，所以机器人可实现前进左转弯；

后退右转弯时，只有左前车轮的离合器闭合，其余离合器全部张开，只有左前车轮受到驱动力，由于机器人只有单侧受力，所以机器人可实现后退右转弯；

后退左转弯时，只有右后车轮的离合器闭合，其余离合器全部张开，只有右后车轮受到驱动力，由于机器人只有单侧受力，所以机器人可实现后退左转弯；

机器人需要静止对某一位置的环境进行实时监测时，所有离合器打开，所有车轮不受到任何驱动力，保持静止状态。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。