一种带有气囊撑壁装置的深井残渣清理机器人

技术领域

本发明涉及一种深井残渣清理机器人，尤其涉及一种带有气囊撑壁装置的深井残渣清理机器人，属于深井残渣清理技术领域。

背景技术

深井残渣清理机器人是用于深井中碎屑及固体残渣清理的常用机器，它可以在人力无法到达的狭小深井、深度较大或易燃、易爆、强磁环境等危险深井中进行碎屑及固体残渣的清理，由于其具有体积小，质量轻，安全可靠，动作反应灵敏，工作效率高等优点，深井残渣清理机器人广泛应用于深井勘测、矿井开采、石油井钻探等技术领域。

目前的残渣清理机器人，主要通过采用真空发生装置对深井下的碎屑及残渣进行吸取处理，吸尘过程中叶轮式真空泵的偏心叶轮高速旋转，在进气口处产生强大吸力，通过吸尘管对深井中的残渣进行吸附并输送至残渣收集桶中，并且通过在清理机器人上加装吸头旋转机构，使得固定在残渣清理机器人上的吸尘管可以在水平方向进行旋转，可以有效地增加残渣及碎屑的吸取面积，更加高效率地完成深井残渣清理工作。

在进行残渣清理工作时，可通过升降装置及吸头旋转机构调整残渣清理机器人的吸头角度，从而可以使吸取残渣的范围更大，面积更广。但是在实际工作过程中，由于设备在升降或旋转运动时，会导致整个残渣清理机器人的重心发生偏移，其产生一定幅度的摆动，进而可能会出现与壁面发生摩擦、与壁面发生碰撞甚至卡在深井内壁之间等问题，会导致设备灵敏度下降、损坏乃至无法回收等问题，导致进一步加大残渣清理的难度。

发明内容

本发明针对当前市面上大多数残渣清理机器人在工作过程中，由于机身摆动出现的与壁面发生碰撞的问题，提供了一种带有气囊撑壁装置的深井残渣清理机器人，该清理机器人解决了碰壁问题，大大提高了残渣清理效率。

为了解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

一种带有气囊撑壁装置的深井残渣清理机器人，所述清理机器人包括操作平台、卷扬升降装置、吸尘头部、气囊撑壁装置和残渣分离装置；

所述操作平台和所述残渣分离装置分别安装在深井外侧，所述吸尘头部通过所述卷扬升降装置安装在所述操作平台上，所述卷扬升降装置能够沿所述操作平台在水平方向上移动，并能够带动所述吸尘头部升降；所述残渣分离装置与所述吸尘头部相连，通过所述吸尘头部吸取所述深井内的碎屑及残渣；

所述气囊撑壁装置包括充气件、抽气件、气囊和超声波传感器；所述气囊套接在所述吸尘头部的外壳上；所述超声波传感器设置在所述吸尘头部上，用于检测所述吸尘头部外壳与深井壁面之间的距离信号；所述距离信号小于预设的最小距离时，所述充气件对所述气囊充气；所述距离信号大于预设的最小距离时，所述抽气件对所述气囊抽气。

进一步地，所述气囊撑壁装置的所述充气件为空气泵，所述抽气件为集成式真空发生器；所述空气泵放置在所述深井外侧，通过控制气管与所述集成式真空发生器的进气口相连；所述集成式真空发生器通过充气管与所述气囊的充气口相连。

进一步地，所述集成式真空发生器包括大消音器、文丘里式真空发生器、二位三通电磁阀、三位五通电磁阀和小消音器；

所述三位五通电磁阀的进气口通过所述控制气管与所述空气泵相连接；所述三位五通电磁阀的左位接口通过气路与所述二位三通电磁阀的右位接口相连，且所述二位三通电磁阀和所述三位五通电磁阀之间的气路与所述集成式真空发生器的通气口相连通；所述三位五通电磁阀的右位接口与所述文丘里式真空发生器的进气口相连；所述二位三通电磁阀的排气口与所述文丘里式真空发生器的真空口相连；所述大消音器和所述小消音器分别安装在所述文丘里式真空发生器和所述三位五通电磁阀的排气口上。

进一步地，所述气囊为圆环式气囊，通过滑槽套接在所述吸尘头部的外壳筒体的安装块上。

进一步地，所述吸尘头部包括排气管、吸尘管、摄像头和外壳筒体；所述吸尘管通过所述排气管与所述残渣分离装置的气管连接；在所述外壳筒体内设有吸头旋转机构，用于带动所述吸尘头部旋转；所述吸尘管下端固定在所述外壳筒体底部；所述摄像头安装在所述外壳筒体底部，用于观察深井中残渣的分布位置及残渣剩余情况。

进一步地，所述卷扬升降装置包括气管卷扬机、牵引卷扬机、牵引钢丝绳、气管卷扬机驱动电机、牵引卷扬机驱动电机和牵引链条；

所述气管卷扬机、所述牵引卷扬机、所述气管卷扬机驱动电机和所述牵引卷扬机驱动电机分别安装在所述操作平台上；所述残渣分离装置的气管与所述牵引链条相连，在所述气管卷扬机驱动电机驱动下所述气管卷扬机通过缠绕收放所述牵引链条控制所述气管的收放；所述牵引钢丝绳与所述吸尘头部连接，在所述牵引卷扬机驱动电机驱动下，所述气管卷扬机通过收放所述牵引钢丝绳升降所述吸尘头部。

进一步地，所述残渣分离装置包括气管、旋风分离器、残渣收集桶、地刷、输气管及叶轮真空泵；

在所述操作平台外侧，所述旋风分离器安装在所述残渣收集桶上方，所述地刷安装在所述残渣收集桶底端的排污口处；所述旋风分离器的吸口通过所述气管与所述吸尘头部相连，所述旋风分离器的气孔通过所述输气管与所述叶轮真空泵相连；所述叶轮真空泵启动产生负压，通过所述吸尘头部将残渣及碎屑吸入所述旋风分离器内进行固气分离。

进一步地，所述清理机器人还包括带有预测模型的控制器，所述控制器用于控制所述卷扬升降装置、所述吸尘头部、所述气囊撑壁装置和所述残渣分离装置的动作；

所述预测模型用于修正所述卷扬升降装置的升降速率、所述吸尘头部的旋转角度和所述吸尘头部与深井壁面的距离信号之间的关系。

进一步地，所述操作平台包括固定支座、延伸梁、滑块和卷扬机安装架；

所述固定支座固定在深井外侧，所述延伸梁横向固定在所述固定支座顶端；所述延伸梁上设有导向滑轨，所述卷扬机安装架通过所述滑块能够沿所述导向滑轨移动；所述卷扬升降装置安装在所述卷扬机安装架上。

进一步地，所述操作平台还包括距离传感器；所述距离传感器安装在所述卷扬机安装架底部靠近所述固定支座的一侧；所述距离传感器用于检测所述卷扬机安装架与所述固定支座之间的距离。

本发明的有益效果：

本发明利用气囊撑壁装置解决了清理机器人在工作过程中由于机身摆动与壁面发生碰撞的问题，大大提高了残渣清理效率。本发明利用超声波传感器实时监测吸尘头部与深井壁面之间的距离信号，确保能够及时启动气囊撑壁装置；气囊撑壁装置以压缩气体作为动力源，气动动作迅速、反应快，对工作环境的适应性好，特别在易燃、易爆及强磁等恶劣环境下进行工作时，依然能够保持很高的可靠性。

气囊撑壁装置中的集成式真空发生器，通过电磁阀更换接入气路系统的相位，仅用一根输气管就能控制对气囊的快速充气和抽气，可有效减轻清理机器人的总重，并且操作简单，工作效率高。本发明在清理机器人没有到达安全位置时，控制器会持续保持气囊处于充气状态，待其位置安全后，控制器马上对气囊进行抽气，使清理机器人可以正常工作。

附图说明

图1为本发明带有气囊撑壁装置的深井残渣清理机器人结构示意图；

图2为本发明中气囊撑壁装置工作原理示意图；

图3为本发明中气囊撑壁装置气路原理图；

图4为本发明中预测模型示意图；

图5为本发明带有气囊撑壁装置的深井残渣清理机器人的控制原理图。

其中：1、操作平台，1-1、固定支座，1-2、延伸梁，1-3、滑块，1-4、滑块固定器，1-5、卷扬机安装架，1-6、距离传感器，2、卷扬升降装置，2-1、气管卷扬机，2-2、牵引卷扬机，2-3、牵引钢丝绳，2-4、卷扬机挡板，2-5、气管卷扬机驱动电机，2-6、牵引卷扬机驱动电机，2-7、牵引链条，3、吸尘头部，3-1、排气管，3-2、吸尘管，3-3、摄像头，3-4、外壳筒体，4、气囊撑壁装置，4-1、空气泵，4-2、集成式真空发生器，4-2-1、大消音器，4-2-2、文丘里式真空发生器，4-2-3、二位三通电磁阀，4-2-4、三位五通电磁阀，4-2-5、小消音器，4-3、充气管，4-4、控制气管，4-5、气囊，4-6、滑槽，4-7、超声波传感器，5、残渣分离装置，5-1、气管，5-2、旋风分离器，5-3、固定支架，5-4、残渣收集桶，5-5、地刷，5-6、输气管，5-7、叶轮真空泵。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

本发明中，术语“安装”、“相连”、“相接”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接，也可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信，也可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元器件内部的联通，也可以是两个元器件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例记载了一种带有气囊撑壁装置的深井残渣清理机器人，该清理机器人在清理深井、矿井、石油井等内部残渣时，可避免碰壁问题。

如图1所示，该清理机器人包括操作平台1、卷扬升降装置2、吸尘头部3、气囊撑壁装置4和残渣分离装置5。吸尘头部3通过卷扬升降装置2安装在操作平台1上，气囊撑壁装置4安装在吸尘头部3上，残渣分离装置5置于操作平台1外侧，并与吸尘头部3相连。

操作平台1包括固定支座1-1、延伸梁1-2、滑块1-3、滑块固定器1-4、卷扬机安装架1-5和距离传感器1-6。

固定支座1-1固定在深井外的地面上，起到支撑稳固整个清理机器人的作用。延伸梁1-2横向置于固定支座1-1上方，延伸梁1-2的一端与固定支座1-1顶部连接固定，延伸梁1-2为卷扬机水平方向上的基准。

在延伸梁1-2下侧部设有导向滑轨，滑块1-3通过滑块固定装置1-4安装在导向滑轨上，滑块1-3在驱动电机的带动下可沿导向滑轨在水平方向上左右移动。在延伸梁1-2下方，卷扬升降装置2通过卷扬机安装架1-5与滑块1-3相连，可随滑块1-3一起左右移动。距离传感器1-6安装在卷扬机安装架1-5底部靠近固定支座1-1的一侧，用于检测卷扬机安装架1-5与固定支座1-1之间的距离，防止滑块1-3沿水平方向移动时，卷扬升降装置2碰撞到固定支座1-1。

卷扬升降装置2包括气管卷扬机2-1、牵引卷扬机2-2、牵引钢丝绳2-3、卷扬机挡板2-4、气管卷扬机驱动电机2-5、牵引卷扬机驱动电机2-6和牵引链条2-7。卷扬机挡板2-4安装在卷扬机安装架1-5两侧，起到固定气管卷扬机驱动电机2-5和牵引卷扬机驱动电机2-6及保护气管卷扬机2-1和牵引卷扬机2-2的作用。气管卷扬机2-1和牵引卷扬机2-2分别安装在卷扬机安装架1-5内部的左右两侧，在卷扬机安装架1-5外侧气管卷扬机驱动电机2-5和牵引卷扬机驱动电机2-6分别安装在卷扬机挡板2-4上。气管卷扬机驱动电机2-5的输出轴与气管卷扬机2-1相连，气管卷扬机驱动电机2-5驱动气管卷扬机2-1转动，牵引链条2-7一端缠绕在气管卷扬机2-1的滚筒上，另一端与残渣分离装置5的气管5-1固定，气管卷扬机2-1通过收放牵引链条2-7控制气管5-1的收放。牵引卷扬机驱动电机2-6的输出轴与牵引卷扬机2-2相连，牵引卷扬机驱动电机2-6驱动牵引卷扬机2-2转动，将与吸尘头部3连接的牵引钢丝绳2-3缠绕在牵引卷扬机2-2的滚筒上，牵引卷扬机2-2通过收放牵引钢丝绳2-3升降吸尘头部3。

吸尘头部3包括排气管3-1、吸尘管3-2、摄像头3-3和外壳筒体3-4(见图2)。在外壳筒体3-4内设有吸头旋转机构，用于带动吸尘头部3旋转。吸头旋转机构(图中未示出)工作原理为其内部的旋转气缸旋转，通过固定传动比的齿轮组将旋转角度放大，就可以带动吸尘头部3旋转。在外壳筒体3-4外侧上部排气管3-1固定在吸尘头部3的中轴线上，排气管3-1的上端与残渣分离装置5的气管5-1连接，吸尘管3-2为软管，通过卡箍连接在排气管3-1的下端，吸尘管3-2的下端固定在外壳筒体3-4底部。残渣分离装置5启动后，在吸尘管3-2的出口处产生强大吸力，通过吸力将深井中的碎屑及残渣吸至残渣分离装置5中。摄像头3-3固定安装在外壳筒体3-4底部，并与控制器相连，用于观察深井中残渣的分布位置及残渣剩余情况，以便于控制器控制吸尘头部3移动然后进行清理作业。

如图2所示，气囊撑壁装置4包括空气泵4-1、集成式真空发生器4-2、充气管4-3、控制气管4-4、气囊4-5、滑槽4-6、超声波传感器4-7。

空气泵4-1放置在深井外地面上，通过控制气管4-4与集成式真空发生器4-2的进气口相连，为集成式真空发生器4-2提供压缩空气。气囊4-5为圆环式气囊，通过滑槽4-6套接在外壳筒体3-4圆周中部的安装块上。气囊4-5的充气口通过充气管4-3与集成式真空发生器4-2的通气口相连接，为气囊4-5充放气。超声波传感器4-7安装在外壳筒体3-4内部，并与控制器相连，控制器根据超声波传感器4-7输出的与深井壁面之间的距离信号判断是否启动气囊撑壁装置4。

本实施例中，集成式真空发生器4-2如图3所示，主要由大消音器4-2-1、文丘里式真空发生器4-2-2、二位三通电磁阀4-2-3、三位五通电磁阀4-2-4、小消音器4-2-5组成。

集成式真空发生器4-2内气路系统的设置为：三位五通电磁阀4-2-4的进气口通过控制气管4-4与空气泵4-1相连接，空气泵4-1为集成式真空发生器4-2提供压缩空气。三位五通电磁阀4-2-4的左位接口通过气路与二位三通电磁阀4-2-3的右位接口相连，且二位三通电磁阀4-2-3和三位五通电磁阀4-2-4之间的气路与集成式真空发生器4-2的通气口相连通。二位三通电磁阀4-2-3的排气口与文丘里式真空发生器4-2-2的真空口相连，三位五通电磁阀4-2-4的右位接口与文丘里式真空发生器4-2-2的进气口相连。大消音器4-2-1和小消音器4-2-5分别安装在文丘里式真空发生器4-2-2和三位五通电磁阀4-2-4的排气口上，用于降低气路噪音。

当集成式真空发生器4-2根据超声波传感器4-7输出的信号，要对气囊4-5充气撑壁时，三位五通电磁阀4-2-4左位接入气路系统，此时二位三通电磁阀4-2-3两接口均关闭不接入气路系统，则压缩空气自空气泵4-1通过三位五通电磁阀4-2-4直接进入充气管4-3，对气囊4-5进行快速充气。

当需要对气囊4-5进行抽气时，二位三通电磁阀4-2-3右位接入气路系统，三位五通电磁阀4-2-4右位接入气路系统，此时气囊4-5的充气管4-3与文丘里式真空发生器4-2-2的真空口连通，空气泵4-1产生的压缩空气通过三位五通电磁阀4-2-4进入文丘里式真空发生器4-2-2，在真空口处产生负压，实现对气囊4-5的快速抽气，以保证清理机器人在进行清理作业时，能时刻处于安全位置。

本实施例的残渣分离装置5包括气管5-1、旋风分离器5-2、固定支架5-3、残渣收集桶5-4、地刷5-5、输气管5-6及叶轮真空泵5-7。

固定支架5-3固定安装在深井外地面上，用于固定旋风分离器5-2和残渣收集桶5-4。旋风分离器5-2安装在残渣收集桶5-4上方，并通过固定支架5-3支撑固定，旋风分离器5-2的吸口通过气管5-1与吸尘头部3的排气管3-1相连，旋风分离器5-2的气孔通过输气管5-6与叶轮真空泵5-7的输气口相连。地刷5-5安装在残渣收集桶5-4底端的排污口处，用于辅助吸附残渣，加快固气分离，以及清理残渣。

当进行残渣清理工作时，叶轮真空泵5-7通过叶轮的高速旋转产生强大负压，在吸尘管3-3出口处产生强大吸力，被吸力吸附的碎屑及残渣经气管5-1输送到残渣分离器5中，通过旋风分离器5-2实现固气分离。固体废料下落至残渣收集桶5-4中，废气通过输气管5-6进入到叶轮真空泵5-7中，并通过叶轮真空泵5-7的排气口排出。旋风分离器5-2的设置既可以有效的分离过滤残渣，又能够对叶轮真空泵5-7起到保护作用，延长残渣分离装置5的使用寿命。

本实施例的清理机器人还包括控制器，通过控制器控制滑块1-3的驱动电机、距离传感器1-6、气管卷扬机驱动电机2-5、牵引卷扬机驱动电机2-6、摄像头3-3、空气泵4-1、集成式真空发生器4-2、超声波传感器4-7和残渣分离装置5等部件的动作。

控制器为可编程逻辑控制器PLC，包括模拟控制、逻辑控制、多机通信、时序控制等模块，具备储存、接收并分析超声波传感器4-7测得的实际工作过程当中外壳筒体3-4与深井壁面之间的距离信号的功能，并进行计算分析，根据分析结果，判断是否需要启动气囊撑壁装置4。

模拟控制采用预测模型对清理机器人的卷扬升降装置2的升降速率和吸尘头部3旋转角度等参数与外壳筒体3-4和深井壁面之间的正常距离信号之间的关系进行映射，本实施例的预测模型为径向基神经网络，针对上述参数耦合出现的非线性函数以任意精度逼近。

基于大量的实验与仿真，为预测模型的训练提供样本数据。将若干组数据中卷扬升降装置2的升降速率、吸尘头部3的旋转角度和距离信号作为输入，并进行归一化处理，将对应的一般距离信号作为输出。预测模型通过样本数据的训练，不断修正网络权值和阈值，使误差函数沿负梯度方向下降，逼近期望输出。该预测模型输入层节点数为3，输出层节点数为1，网络结构示意图如图4。通过预测模型的不断训练，不断修正升降速率、旋转角度和距离信号之间的映射关系，进而有利于提高清理效率。

如图5所示，该清理机器人启动后，通过控制器设定一个安全工作的最小距离，若超声波传感器4-7测得的外壳筒体3-4与深井壁面之间的距离大于该设定的最小距离值，则控制器无动作；若超声波传感器4-7测得的距离信号小于该设定的最小距离，则启动气囊撑壁装置4，通过控制集成式真空发生器4-2的电磁阀相位变化，使空气泵4-1直接对气囊4-5进行充气使其撑壁。在吸尘头部3升降或旋转移动一段距离后，超声波传感器4-7再次启动，重新监测外壳筒体3-4与深井壁面之间的距离信号，若距离信号大于设定的最小距离值，则再通过控制集成式真空发生器4-2的电磁阀相位变化，实现对气囊4-5的抽气；若距离信号仍小于所设定最小安全距离，则再次重复吸尘头部3的升降或旋转移动，直到距离信号正常。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。