CN114260882B - 一种矿用井下管道抓取机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用井下管道抓取机器人，包括支撑底板和控制终端，支撑底板设有：至少两个机械臂，机械臂的后端通过旋转底座与支撑底板连接，机械臂的前端设有抓手，并且至少存在一个机械臂的前端固定连接有双目视觉相机，双目视觉相机方向与抓手方向一致；液压泵站；激光雷达；分别设置于支撑底板前后两端的超声波避障传感器；分别设置于支撑底板左右两侧的履带行走机构；若干伸缩支撑腿；控制终端分别与履带行走机构、机械臂、双目视觉相机、激光雷达、超声波避障传感器电连接。本发明采用多机协同机制的机械臂且具有视觉识别定位的功能，不仅保证了抓取举升过程可靠性和稳定性，而且实现了自动抓取举升，减少了人工参与，降低安全隐患。

Description

一种矿用井下管道抓取机器人

技术领域

本发明涉及煤矿井下施工技术领域，特别是一种矿用井下管道抓取机器人。

背景技术

煤矿井下的给水、排水、排浆、通风、排瓦斯气体等作业均须采用管道，因此管道是煤矿工程建设中的重要工程装置。当前管道抓取机械在建筑、道桥等领域应用已较为广泛，但都不适用于煤矿建设领域，主要原因在于，现有传统抓管机自动化程度较低，作业过程中需要大量人工参与，煤矿巷道管道安装过程中，需要手拉葫芦提升管道，作业效率较低，且存在安全隐患。

具体的，对于矿用管道抓取技术领域存在以下问题：不论是吊装方式还是地面抓取升举方式，都需要铺设轨道，不适合井下巷道长距离特殊环境，不能满足任一位置管道抓取作业需求；吊装抓取方式易出现管道脱落现象，存在安全隐患；机械臂抓管能力较差，无法满足管道摆放不规则情况下的抓管作业。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题，提供了一种矿用井下管道抓取机器人，应用多机协同机构，搭配激光雷达、超声波避障传感器及双目视觉，极大地提高了机器人的智能化程度。

本发明公开了一种矿用井下管道抓取机器人，包括支撑底板和控制终端，所述支撑底板设有：

至少两个机械臂，所述机械臂的后端通过旋转底座与所述支撑底板连接，所述机械臂的前端设有用于抓取管道的抓手，并且至少存在一个所述机械臂的前端固定连接有双目视觉相机，所述双目视觉相机方向与所述抓手方向一致，用于扫描管道；

液压泵站，用于驱动所述机械臂；

激光雷达，用于获取井下环境建模信息；

分别设置于所述支撑底板前后两端的超声波避障传感器，用于检测障碍物；

分别设置于所述支撑底板左右两侧的履带行走机构，用于带动机器人移动；

若干伸缩支撑腿，用于在机器人作业时提供稳定支撑；

所述控制终端分别与所述履带行走机构、所述机械臂、所述双目视觉相机、所述激光雷达、所述超声波避障传感器电连接。

进一步地，所述机械臂包括：连接板、大臂、小臂、前端板、抓手、回转机构、第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸、液压马达；

其中，所述液压马达固定连接于所述旋转底座上，所述旋转底座与所述连接板固定连接，所述连接板与所述大臂的后端铰接，所述连接板间设有第一短杆；双面为H型结构的所述大臂的外侧面中间设有第二短杆，所述第一短杆和所述第二短杆之间设有所述第一液压缸；所述大臂的前端与所述小臂铰接，所述大臂内侧面中间设有第三短杆，所述小臂后端设有第四短杆，所述第三短杆和所述第四短杆之间设有所述第二液压缸；所述小臂的前端与所述前端板铰接，所述小臂中间设有第五短杆，所述前端板后端中间设有第六短杆，所述第五短杆和所述第六短杆之间设有所述第三液压缸；所述前端板前端连接有法兰盘，所述法兰盘与所述回转机构固定连接，所述回转机构与所述抓手连接。

进一步地，在所述机械臂固定连接有所述双目视觉相机的情况下，所述双目视觉相机固定连接于所述抓手的后端。

进一步地，设置于所述支撑底板上的机械臂包括：并列设置的第一机械臂和第二机械臂，所述第二机械臂设有所述双目视觉相机。

进一步地，液压泵站外设有隔爆型外壳，所述隔爆型外壳上的接缝间隙均小于煤矿井下可燃性气体的安全间隙。

进一步地，履带行走机构包括动力驱动装置、履带、连接杆，以及作用于履带的驱动轮、导向轮、承重轮，其中，驱动轮和导向轮与动力驱动装置相连，连接杆一端连接于动力驱动装置，另一端连接于承重轮的轴心。

进一步地，在所述支撑底板的前后两端，各设有两个所述伸缩支撑腿，所述伸缩支撑腿的支撑端铰接有旋转支撑板。

进一步地，所述控制终端还连有通信模块，用于与井上管理平台通信。

本发明至少具有以下有益效果：

1、本发明中的机械臂采用多机协同机制且搭载双目视觉相机，不仅保证了管道抓取和举升过程中可靠性和稳定性，而且具备视觉识别定位功能，实现管道的自动抓取和举升，减少了人工参与，降低安全隐患。

2、本发明采用履带式行走机构，可适应复杂路况行走，负载能力强。

3、本发明搭载激光雷达和超声波避障传感器，能够实现井下环境地图建模，具备自主行走功能，满足任一位置作业需求。

本发明的其他有益效果将在具体实施方式部分详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明优选实施例公开的矿用井下管道抓取机器人的轴测图。

图2是本发明优选实施例公开的矿用井下管道抓取机器人的履带行走机构轴测图。

图3是本发明优选实施例公开的矿用井下管道抓取机器人的机械臂的轴测图。

图4是本发明优选实施例公开的矿用井下管道抓取机器人的履带行走机构仰视图。

图5是本发明优选实施例公开的矿用井下管道抓取机器人的控制系统框图。

其中，1-行走机构，2-支撑底板，3-机械臂一，4-机械臂二，5-液压泵站，6-可伸缩支撑腿一，7-可伸缩支撑腿二，8-可伸缩支撑腿三，9-可伸缩支撑腿四，11-左侧履带装置，12-右侧履带装置，13-动力驱动装置，20-激光雷达，21-超声波避障传感器一，22-超声波避障传感器二，111-左侧履带，112-驱动轮一，113-导向轮一，114-承重轮一，115-连接杆一，121-右侧履带，122-驱动轮二，123-导向轮二，124-承重轮二，125-连接杆二，301-旋转底座一，302-连接板一，303-大臂一，304-小臂一，305-前端板一，306-抓手一，307-回转机构一，308-液压缸一，309-液压缸二，310-液压缸三，311-液压马达一，312-短杆一，313-短杆二，314-短杆三，315-短杆四，316-短杆五，317-短杆六，318-法兰盘一，401-旋转底座二，402-连接板二，403-大臂二，404-小臂二，405-前端板二，406-抓手二，407-回转机构二，408-双目视觉相机，409-液压缸四，410-液压缸五，411-液压缸六，412-液压马达二，413-短杆七，414-短杆八，415-短杆九，416-短杆十，417-短杆十一，418-短杆十二，419-法兰盘二。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明公开了一种矿用井下管道抓取机器人，包括支撑底板和控制终端，所述支撑底板设有：

(1)至少两个机械臂，所述机械臂的后端通过旋转底座与所述支撑底板连接，所述机械臂的前端设有用于抓取管道的抓手，并且至少存在一个所述机械臂的前端固定连接有双目视觉相机，所述双目视觉相机方向与所述抓手方向一致，用于扫描管道，并将扫描信息传输至控制终端。控制终端还与机械臂连接，用于控制机械臂移动、抓取等操作。

(2)液压泵站，用于驱动所述机械臂，已完成管道抓取、升举等作业。

(3)激光雷达，其与控制终端连接，能够将检测数据传输给控制终端，进而能够基于检测数据对井下环境建模，建模得到的数据是控制机器人行走和避障的重要信息。

(4)超声波避障传感器，分别设置于所述支撑底板前后两端，用于检测障碍物。超声波避障传感器与控制终端连接，使得超声波避障传感器产生的检测信息能够传输给控制终端，控制终端基于检测信息进行有关障碍物及避障的判断和决策，进而控制履带行走机构进行避障。

(5)履带行走机构，数量为两个，分别设置于所述支撑底板左右两侧，用于带动机器人移动。履带行走机构是与控制终端连接的，使得机器人能够在控制终端的控制下进行移动以及避障。

(6)若干伸缩支撑腿，机器人在移动时不接触地面，而在机器人作业时支撑地面，提高了机器人的稳定性。

在本发明的一些实施例中，矿用井下管道抓取机器人的各机械臂均包括：连接板、大臂、小臂、前端板、抓手、回转机构、第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸、液压马达。

其中，所述液压马达固定连接于所述旋转底座上，所述旋转底座与所述连接板固定连接，所述连接板与所述大臂的后端铰接，所述连接板间设有第一短杆；双面为H型结构的所述大臂的外侧面中间设有第二短杆，所述第一短杆和所述第二短杆之间设有所述第一液压缸；所述大臂的前端与所述小臂铰接，所述大臂内侧面中间设有第三短杆，所述小臂后端设有第四短杆，所述第三短杆和所述第四短杆之间设有所述第二液压缸；所述小臂的前端与所述前端板铰接，所述小臂中间设有第五短杆，所述前端板后端中间设有第六短杆，所述第五短杆和所述第六短杆之间设有所述第三液压缸；所述前端板前端连接有法兰盘，所述法兰盘与所述回转机构固定连接，所述回转机构与所述抓手连接。

特别的，对于带有双目视觉相机的机械臂，所述双目视觉相机固定连接于所述抓手的后端。

实施例一

如图1～4所示，本发明由如下技术方案实施：一种矿用井下管道抓取机器人，其包括行走机构1，支撑底板2，机械臂一3，机械臂二4，液压泵站5，可伸缩支撑腿一6、可伸缩支撑腿二7、可伸缩支撑腿三8、可伸缩支撑腿四9。行走机构上部固定有支撑底板2，在支撑底板2上设有液压泵站5，用于驱动机械臂一3和机械臂二4；机械臂一3通过旋转底座一301与支撑底板2固定连接，机械臂二4通过旋转底座二401与支撑底板2固定连接；四条可伸缩支撑腿分别固定在支撑底板四角位置。

本实施例中，设置于所述支撑底板2上的机械臂包括：并列设置的第一机械臂(机械臂一3)和第二机械臂(机械臂二4)，所述第二机械臂设有所述双目视觉相机408。

机械臂一3包括旋转底座一301、连接板一302、大臂一303、小臂一304、前端板一305、抓手一306、回转机构一307、液压缸一308、液压缸二309、液压缸三310、液压马达一311。液压马达一311固定连接到旋转底座一301上，旋转底座一301与连接板一302固定连接，连接板一302与大臂一303后端铰接，连接板一302间设有短杆一312；大臂一303为双面H型结构，外侧面中间设有短杆二313，短杆一312和短杆二313之间设有液压缸一308；大臂一303前端与小臂一304铰接，大臂一303内侧面中间设有短杆三314，小臂一304后端设有短杆四315，短杆三314和短杆四315之间设有液压缸二309；小臂一304前端与前端板一305铰接，小臂一304中间设有短杆五316，前端板一305后端中间设有短杆六317，短杆五316和短杆六317之间设有液压缸三310；前端板一305前端连接有法兰盘一318，法兰盘一318与回转机构一307固定连接，回转机构一307与抓手一306连接。

机械臂二4包括旋转底座二401、连接板二402、大臂二403、小臂二404、前端板二405、抓手二406、回转机构二407、双目视觉相机408、液压缸四409、液压缸五410、液压缸六411、液压马达二412。液压马达二412固定连接到旋转底座二401上，旋转底座二401与连接板二402固定连接，连接板二402与大臂二403后端铰接，连接板二402间设有短杆七413；大臂二403为双面H型结构，外侧面中间设有短杆八414，短杆七413和短杆八414之间设有液压缸四409；大臂二403前端与小臂二404铰接，大臂二403内侧面中间设有短杆九415，小臂二404后端设有短杆十416，短杆九415和短杆十416之间设有液压缸五410；小臂二404前端与前端板二405铰接，小臂二404中间设有短杆十一417，前端板二405后端中间设有短杆十二418，短杆十一417和短杆十二418之间设有液压缸六411；前端板二405前端连接有法兰盘二419，法兰盘二419与回转机构二407固定连接，回转机构二407与抓手二406连接，抓手二406后端固定连接双目视觉相机408，双目视觉相机408与抓手二406后端固定连接，能够保持视觉扫描角度与管道相对位置固定，保证扫描角度与管道轴线平行，可以确保扫描准确性。

在本发明的一些实施例中，液压泵站外设有隔爆型外壳，所述隔爆型外壳上的接缝间隙均小于煤矿井下可燃性气体的安全间隙。

在本发明的一些实施例中，履带行走机构包括动力驱动装置、履带、连接杆，以及作用于履带的驱动轮、导向轮、承重轮，其中，驱动轮和导向轮与动力驱动装置相连，连接杆一端连接于动力驱动装置，另一端连接于承重轮的轴心。

实施例二

如图1和图2所示，本发明的行走机构1包括动力驱动装置13，以及两个履带行走机构，即左侧履带装置11和右侧履带装置12。左侧履带装置11包括左侧履带111、驱动轮一112、导向轮一113、承重轮一114、连接杆一115，驱动轮一112和导向轮一113与动力驱动装置13左侧相连，连接杆一115一端连接在动力驱动装置13左侧，另一端连接在承重轮一114轴心。右侧履带装置12包括右侧履带121、驱动轮二122、导向轮二123、承重轮二124、连接杆二125，驱动轮二122和导向轮二123与动力驱动装置13右侧相连，连接杆二125一端连接在动力驱动装置13右侧，另一端连接在承重轮二124轴心。

支撑底板2上靠近前端位置装有激光雷达20，用于井下环境地图构建。支撑底板2前后分别装有超声波避障传感器一21和超声波避障传感器二22，用于行走过程中避障，保证了机器人在井下的自主运行。

在本发明的一些实施例中，在所述支撑底板的前后两端，各设有两个所述伸缩支撑腿，所述伸缩支撑腿的支撑端铰接有旋转支撑板。

在本发明的一些实施例中，所述控制终端还连有通信模块，用于与井上管理平台通信，将机器人的工作状态、各传感器的检测数据等及时上传井上。

在本发明的一些实施例中，如图5所示的矿用井下管道抓取机器人控制系统。控制终端采用PC-104控制器和单片机分别完成机器人行走控制、机械臂运动及抓取控制以及激光雷达和超声波避障传感器的控制，通过该控制系统，能够实现机器人的自主行走和避障、管道识别和机械臂抓取。

本发明公开的矿用井下管道抓取机器人，采用履带式行走底盘，可适应复杂路况行走，负载能力强；机械臂采用双机协同机制，保证了管道抓取和举升过程中可靠性和稳定性；搭载激光雷达和超声波避障传感器，能够实现井下环境地图建模，具备自主行走功能，满足任一位置作业需求；搭载双目视觉相机，具备视觉识别定位功能，实现管道的自动抓取和举升，减少了人工参与，降低安全隐患。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种矿用井下管道抓取机器人，其特征在于，包括支撑底板和控制终端，所述支撑底板设有：

至少两个机械臂，所述机械臂的后端通过旋转底座与所述支撑底板连接，所述机械臂的前端设有用于抓取管道的抓手，并且至少存在一个所述机械臂的前端固定连接有双目视觉相机，所述双目视觉相机方向与所述抓手方向一致，用于扫描管道；

液压泵站，用于驱动所述机械臂；

激光雷达，用于获取井下环境建模信息；

分别设置于所述支撑底板前后两端的超声波避障传感器，用于检测障碍物；

分别设置于所述支撑底板左右两侧的履带行走机构，用于带动机器人移动；

若干伸缩支撑腿，用于在机器人作业时提供稳定支撑；

所述控制终端分别与所述履带行走机构、所述机械臂、所述双目视觉相机、所述激光雷达、所述超声波避障传感器电连接；

所述机械臂包括：连接板、大臂、小臂、前端板、抓手、回转机构、第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸、液压马达；

其中，所述液压马达固定连接于所述旋转底座上，所述旋转底座与所述连接板固定连接，所述连接板与所述大臂的后端铰接，所述连接板间设有第一短杆；双面为H型结构的所述大臂的外侧面中间设有第二短杆，所述第一短杆和所述第二短杆之间设有所述第一液压缸；所述大臂的前端与所述小臂铰接，所述大臂内侧面中间设有第三短杆，所述小臂后端设有第四短杆，所述第三短杆和所述第四短杆之间设有所述第二液压缸；所述小臂的前端与所述前端板铰接，所述小臂中间设有第五短杆，所述前端板后端中间设有第六短杆，所述第五短杆和所述第六短杆之间设有所述第三液压缸；所述前端板前端连接有法兰盘，所述法兰盘与所述回转机构固定连接，所述回转机构与所述抓手连接；

在所述机械臂固定连接有所述双目视觉相机的情况下，所述双目视觉相机固定连接于所述抓手的后端；

设置于所述支撑底板上的机械臂包括：并列设置的第一机械臂和第二机械臂，所述第二机械臂设有所述双目视觉相机；

液压泵站外设有隔爆型外壳，所述隔爆型外壳上的接缝间隙均小于煤矿井下可燃性气体的安全间隙；

履带行走机构包括动力驱动装置、履带、连接杆，以及作用于履带的驱动轮、导向轮、承重轮，其中，驱动轮和导向轮与动力驱动装置相连，连接杆一端连接于动力驱动装置，另一端连接于承重轮的轴心；

在所述支撑底板的前后两端，各设有两个所述伸缩支撑腿，所述伸缩支撑腿的支撑端铰接有旋转支撑板；

所述控制终端还连有通信模块，用于与井上管理平台通信。