[发明专利]一种具有掘进功能的矿难救灾机器人及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种六足机器人及其控制领域，具体是指具有掘进功能的矿难救灾六足机器人及其控制方法。

背景技术

煤炭行业是工业生产中伤亡事故最严重的行业。长期以来，煤矿灾难发生后的救援一直是一个热门的研究课题，由于灾害矿井具有以下特点：空间狭小、矿难现场巷道结构不稳定、矿难现场内具有可燃性气体等，以上特点对于救援人员的救援作业和人身安全会造成极大的影响和危害。可移动机器人在矿难发生后能够代替人类进入矿井，并通过其上搭载的各类传感器(温度传感器、一氧化碳浓度传感器、瓦斯浓度传感器、声音探测器、定位传感器、摄像头等)完成危险的井下环境探测和辅助救援工作，提高救援效率，避免或减少救援人员的伤亡。

轮式机器人在相对平坦的路面上具有良好的移动性，能量利用效率高，但是在复杂的地面下移动性受到很大限制，不适于灾害矿井的救援工作。足式机器人，尤其是六足机器人具有良好的环境适应能力，在灾害矿井的非结构环境下能够稳定行走，但是移动速度慢，能量利用效率低，不能满足快速救援和能量补给困难的要求。当前，用于矿难救灾的机器人主要以履带式机器人为主，履带式机器人具有地形适应能力强和运动速度快的特点，但是履带式结构的机器人要实现掘进功能，需在机器人前端设计专门的掘进机构，并在机器人内部设计碎料传送结构，从而导致整个系统结构复杂，体节庞大，还会带来较大的能量消耗，不适用于矿难救灾场合使用。当前，还没有具备掘进功能的矿难救灾机器人，一旦灾难矿井被堵塞，机器人就无法进入或穿过堵塞区进行救援，影响救援效果。

发明内容

本发明是为克服上述现有技术所存在的不足之处，提供一种具有掘进功能的矿难救灾机器人，为辅助矿难救灾提供一种机器人移动平台。该机器人采用六腿结构，采用三角步态行进控制方式，环境适应能力强，在行进控制上采用轮式机器人的驱动原理，移动速度快，而且具备掘进功能，能够进入、穿越土堆、煤堆和废墟等介质，从而进入被堵塞的救援现场，克服了现有矿难救灾机器人不能穿越和进入废墟的缺点，而且行进和掘进机构复合一体，使机器人体积和质量更小，能量消耗更少，便于进入狭小空间长时间作业。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明具有掘进功能的矿难救灾机器人的结构特点是：包括锥形钻土头部、圆柱形的前体节和圆柱形的后体节，所述前体节和后体节通过能够在平面上转动的腰部相连接；在所述前体节和后体节的两侧对称设置有各支腿，所述各支腿包括位于前体节两侧的左前腿和右前腿、位于后体节两侧的左中腿、右中腿、左后腿和右后腿，所述各支腿通过由转动副构成的髋关节与所述前体节或后体节相连接，各支腿的末端为弧面足部；锥形钻土头部固连在前体节的前端。

本发明具有掘进功能的矿难救灾机器人的结构特点也在于：

所述支腿的结构设置为：连接在所述髋关节上的为大腿，所述大腿通过膝关节连接小腿，所述膝关节是以所述大腿的下半部分为机架，以小腿的顶端为连杆，在所述机架与连杆之间分别连接有摇杆和曲柄，构成曲柄摇杆机构；所述曲柄摇杆机构中与大腿末端相连的曲柄是由膝关节驱动电机驱动的原动杆。

所述腰部结构设置包括：原动齿轮、从动齿轮、上固定板和下固定板，所述原动齿轮轴和从动齿轮轴分别通过轴承支承在上固定板和下固定板之间；所述上固定板和下固定板与后体节固定连接，从动齿轮轴与前体节固定连接，所述原动齿轮是由固定设置在上固定板上的腰部驱动电机驱动。

本发明具有掘进功能的矿难救灾机器人的行进控制方法的特点是：采用基于三角步态的行进控制方式，由左前腿、左后腿和右中腿组成左三角，由右前腿、右后腿和左中腿组成右三角，各支腿在髋关节驱动电机的驱动下进行转动；支腿转动至足底部与地面接触的状态为支撑态，足底部离开地面的状态为摆动态；所述左三角和右三角交替呈摆动态和支撑态；任一时刻至少有一个三角处于支撑态，同一三角中的三条支腿在同一时刻进入支撑态或摆动态。

本发明具有掘进功能的矿难救灾机器人的掘进控制方法的特点是按如下过程进行：

a、基于三角步态运动的前向钻孔控制过程：机器人以三角步态前向运动，同时钻土头部由头部驱动电机驱动旋转，当达到给定的掘进量时，停止前向运动，调整机器人的左三角和右三角均为支撑态；

b、基于六腿支撑的扩孔控制过程：前体节相对于后体节在腰部驱动电机的驱动下左右摆动，通过改变各支腿的角度调整机器人的俯仰角，进而使钻土头部上下运动，钻土头部的转动配合其左右摆动和上下运动，使机器人钻出截面较大的孔洞，便于机器人通过。