CN110130828B - 一种煤矿用钻进机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤矿用钻进机器人，包括履带行走装置、设置在履带行走装置上的钻进装置和控制系统，钻进装置包括支撑架、变幅调角装置、扶正器、第一夹持器、第二夹持器和动力头，钻进装置通过支撑架设置在履带行走装置上，所述变幅调角装置与支撑架相连接，动力头设置在支撑架上，所述第一夹持器和第二夹持器沿动力头的钻进方向依次设置在支撑架的前部，且第一夹持器、第二夹持器与动力头设置在支撑架的同一侧，扶正器设置在支撑架上，扶正器位于第一夹持器的前部。本发明可以使钻进机器人在湿滑、泥泞的煤矿井下完成自稳固自调平，以及钻机姿态的自动调节，使钻孔精度大大提高。

Description

一种煤矿用钻进机器人

技术领域

本发明属于煤矿井下钻探装备和钻探技术领域，具体涉及一种煤矿用钻进机器人。

背景技术

随着煤矿井下开采的进一步深入，井下安全问题日益突出，用于探放水孔、瓦斯抽放孔、防突卸压孔等各种钻探施工的自动化和智能化钻机发展迫在眉睫。煤矿坑道钻机现大多为全液压履带式钻机，井下施工时完全依靠工人手动控制操纵台的液压阀手柄，来实现钻机稳固调角和钻孔作业。目前国内新研制电控自动化钻机，其大多主机上设置有自动上卸钻杆装置和杆仓存储机构，能完成自动上卸钻杆。有的钻机配备主控柜，远程控制柜和遥控器，可以远程或在地面完成钻机一键启动钻进任务，钻机运行状态和工作环境的监测。

目前广泛应用的全液压履带式坑道钻机，使用时工人劳动强度大，危险系数高，效率较低，新研制的电控自动化钻机由于自身设置有自动上卸钻杆装置和杆仓存储机构，体积较大，钻机调角范围有限，不能完成多方位和大倾角施工，自动钻进时还需人工干预，且不具备钻机姿态精准调节和钻机工况智能感知等技术，很难保证钻孔精度，有导致钻杆损伤及孔内事故的安全隐患。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种煤矿用钻进机器人，解决现有的全自动钻机无法实现全方位姿态自动调节及机身自动调平与稳固的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：

一种煤矿用钻进机器人，包括履带行走装置、设置在履带行走装置上的钻进装置和控制系统，所述钻进装置包括支撑架、变幅调角装置、扶正器、第一夹持器、第二夹持器和动力头，所述钻进装置通过支撑架设置在履带行走装置上，所述变幅调角装置与支撑架相连接，所述动力头设置在支撑架上，所述第一夹持器和第二夹持器沿动力头的钻进方向依次设置在支撑架的前部，且第一夹持器、第二夹持器与动力头设置在支撑架的同一侧，所述扶正器设置在支撑架上，扶正器位于第一夹持器的前部。

进一步地，所述变幅调角装置包括举升油缸，举升油缸的侧面设置有第二回转支承，所述举升油缸通过第二回转支承与支撑架相连接，所述第二回转支承上设有倾角编码器；

所述举升油缸的底部设置有第一回转支承，所述钻进装置通过第一回转支承与履带行走装置相连接，所述第一回转支承上设置有方位角编码器。

进一步地，所述支撑架上设置有给进油缸，所述动力头与给进油缸相连接；

所述支撑架上设置有平移油缸。

进一步地，所述支撑架的两端设置有前顶装置和后顶装置。

进一步地，所述钻进装置设置在履带行走装置的端部。

进一步地，所述履带行走装置包括履带车体、安装在履带车体上的车体平台和四个分别设置在车体平台四个角的稳固油缸，所述稳固油缸上设置有磁致伸缩传感器，所述车体平台上设置有双周倾角传感器。

进一步地，所述车体平台上设置有吊装锁具。

进一步地，所述控制系统包括设置在履带行走装置上的操纵台、主控站、地面远控站和防爆遥控器。

进一步地，所述主控站包括控制器、第一无线网收发模块和以太环网，所述控制器通过第一无线网收发模块与防爆遥控器相连接，控制器通过以太环网与地面远控站相连接。

进一步地，所述防爆遥控器包括MCU模块、第二无线网收发模块、液晶显示屏和操作面板，所述无线网收发模块、液晶显示屏和操作面板分别与MCU模块相连接。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本发明将钻进装置设置在履带行走装置的端部，使钻进机器人姿态全方位调节，也便于与钻杆装卸机器人的协同作业；

本发明可以使钻进机器人在湿滑、泥泞的煤矿井下完成自稳固自调平，以及钻机姿态的自动调节，使钻孔精度大大提高。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为钻进装置的结构示意图；

图3为支撑架的结构示意图；

图4为变幅调角装置的结构示意图；

图5为履带行走装置的结构示意图；

图6为本发明的钻进机器人与钻杆装卸机器人协同工作示意图；

图7为操纵台的结构示意图；

图8为防爆遥控器的结构示意图；

图9为钻进机器人位置标定示意图；

图10为自动钻进流程示意图；

图11为自动起钻流程示意图；

图12为自动扫孔流程示意图；

图13为加卸钻杆的自动扫孔流程示意图；

图中符号代表为：1—钻进装置；2—履带行走装置；3—接线盒；4—压力变送器；5—冷却器；6—电机泵组；7—双轴倾角传感器；8—控制系统；

1-1—支撑架；1-2—变幅调角装置；1-3—扶正器；1-4—第一夹持器；1-5—第二夹持器；1-6—动力头；1-7—给进油缸；1-8—前顶装置；1-9—后顶装置；1-10—安装板；1-11—平移油缸；1-12—拖板；

1-2-1—举升油缸；1-2-2—第一回转支承；1-2-3—方位角编码器；1-2-4—倾角编码器；1-2-5—第二回转支承；

2-1—车体平台；2-2—稳固油缸；2-3—磁致伸缩传感器；2-4—履带车体；2-5—履带防护板；2-6—吊装锁具；

8-1—操纵台；8-2—主控站；8-1-1—仪表盘；8-1-2—比例电磁阀组；8-1-3—操纵台支架；

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

本发明中的“前”是指动力头钻进的方向，“后”是指与“前”相反的方向。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例：

本实施例给出一种煤矿用钻进机器人，包括履带行走装置2、设置在履带行走装置2上的钻进装置1和控制系统，所述钻进装置1包括支撑架1-1、变幅调角装置1-2、扶正器1-3、第一夹持器1-4、第二夹持器1-5和动力头1-6，所述钻进装置1通过支撑架1-1设置在履带行走装置2上，所述变幅调角装置1-2与支撑架1-1相连接，所述动力头1-6设置在支撑架1-1上，所述第一夹持器1-4和第二夹持器1-5沿动力头1-6的钻进方向依次设置在支撑架1-1的前部，且第一夹持器1-4、第二夹持器1-5与动力头1-6设置在支撑架1-1的同一侧，所述扶正器1-3设置在支撑架1-1上，扶正器1-3位于第一夹持器1-4的前部。

本发明中的履带行走装置2上还设置有接线盒3、压力变送器4、冷却器5和电机泵组6。

如图2所示为钻进装置1的示意图，如图3，支撑架1-1为一长方体结构，支撑架1-1的一侧设置有变幅调角装置1-2，支撑架1-1的另一侧设置有动力头1-6，并且沿动力头1-6的钻进方向设置有第一夹持器1-4、第二夹持器1-5，第一夹持器1-4、第二夹持器1-5用于放置钻杆，第一夹持器1-4的前部设置有扶正器1-3，用于钻孔时扶正钻杆。

变幅调角装置1-2对支撑架1-1的姿态进行调节，以实现动力头1-6钻进过程中的全方位姿态调节。

变幅调角装置1-2，如图4，包括举升油缸1-2-1，举升油缸1-2-1的侧面设置有第二回转支承1-2-5，所述举升油缸1-2-1通过第二回转支承1-2-5与支撑架1-1相连接，所述第二回转支承1-2-5上设有倾角编码器1-2-4；

所述举升油缸1-2-1的底部设置有第一回转支承1-2-2，所述钻进装置1通过第一回转支承1-2-2与履带行走装置2相连接，所述第一回转支承1-2-2上设置有方位角编码器1-2-3。

这样，钻进装置1可以通过第一回转支承1-2-2进行±90°的方位角调节，当钻进装置1与履带行走装置2垂直时，可以通过第二回转支承1-2-5使支撑架1-1进行±90°的倾角调节。由于第一回转支承1-2-2和第二回转支承1-2-5上分别设置有倾角编码器1-2-4和方位角编码器1-2-3，结合主控站8-2中的控制器，可以使得倾角、方位角调节精度达±0.2°。

本发明中支撑架1-1上设置有给进油缸1-7，动力头1-6与给进油缸1-7相连接。如图2、3，动力头1-6通过拖板1-12与支撑架1-1相连接，拖板1-12的一端与支撑架1-1相连接，拖板1-12的另一端与给进油缸1-7相连接，这样，动力头1-6和拖板1-12随着给进油缸1-7的伸出与缩回实现钻孔机器人的下钻与起钻。

同时，支撑架1-1上设置有平移油缸1-11。平移油缸1-11的一端与支撑架1-1连接，平移油缸1-11的另一端与卡板1-13相连接，通过平移油缸1-11的伸缩带动支撑架前后移动，调节支撑架1-1与钻孔孔口的距离。

为了在钻孔时提供支撑，支撑架1-1的两端设置有前顶装置1-8和后顶装置1-9。

本发明中的钻进装置1通过第一回转支承1-2-2设置在履带行走装置2的端部，便于接收钻杆装卸机器人输送的钻杆，也便于钻孔倾角的大范围调节。

如图5，本发明中的履带行走装置2包括履带车体2-4、安装在履带车体2-4上的车体平台2-1和四个分别设置在车体平台四个角的稳固油缸2-2，所述稳固油缸2-2上设置有磁致伸缩传感器2-3，所述车体平台2-1上设置有双周倾角传感器7。

本发明中的四个稳固油缸2-2与车体平台2-1通过螺栓连接。稳固油缸2-2上装有磁致伸缩传感器2-3，用来测量稳固油缸的实时伸出长度，与装在车体平台2-1上的矿用本安双轴倾角传感器7一起组成自调平和自稳固系统，实现履带车体的自动定位和自动稳固。

所述车体平台2-1上设置有吊装锁具2-6，本实施例中的吊装锁具2-6螺接到车体平台2-1的侧面，满足钻进机器人在装配和运输中的吊装。

本实施例中的履带车体2-4上还设置有履带防护板2-5，在履带行走时起到防护作用。

本发明中的控制系统8包括设置在履带行走装置2上的操纵台8-1、主控站8-2、地面远控站和防爆遥控器。其中，操纵台8-1如图1、7所示设置在车体平台2-1，包括仪表盘8-1-1、比例电磁阀组8-1-2和操纵台支架8-1-3，比例电磁阀组8-1-2上带有手柄安装螺纹，正常情况下比例电磁阀组8-1-2通过防爆遥控器控制，不需要手柄控制。在维修，调试或控制系统出现故障时，比例电磁阀组8-1-2需先安装电磁阀手柄，再对电磁阀进行手动操作。双轴倾角传感器7螺接在操纵台8-1下方的车体平台2-1上，合理利用空间，并对矿用本安双轴倾角传感器7起到了保护作用。

本发明还包括用于检测油压的压力变送器组件，用于检测动力头位置的霍尔接近开关，用于检测动力头转速的转速传感器，用于检测油温的温度传感器，用于检测油箱油液高度的液位传感器，用于检测钻进装置倾角和姿态的编码器和双轴倾角传感器，用于检测安全距离的超声波传感器，用于检测稳固和给进起拔油缸伸出长度的磁致伸缩传感器，工况智能识别模块，与钻杆装卸机器人协同作业的视觉相机。

主控站8-2包括控制器、第一无线网收发模块和以太环网，所述控制器通过第一无线网收发模块与防爆遥控器相连接，控制器通过以太环网与地面远控站相连接。

防爆遥控器包括MCU模块、第二无线网收发模块、液晶显示屏和操作面板，所述无线网收发模块、液晶显示屏和操作面板分别与MCU模块相连接。

控制器设置在中主控站8-2中，控制器接收并处理传感器组及其它设备发出的各种信号，根据通讯协议将需要进行显示的信息打包后通过第一无线网收发模块和以太环网分别向防爆遥控器和地面远控站传输；控制器还接收并处理第一无线网收发模块和以太环网收到的控制信号，通过程序控制操纵台8-1中的电磁阀组8-1-2的换向与阀口开度，使钻进机器人实现自动钻进的目的。利用数据交互共享技术，主控站8-2中的控制器开发了钻进工况智能感知接口，通过该接口接收和解析工况智能感知模块发送的推进力，压力、速度、震动量，排渣量等参数，反馈给机器人控制器，行成一个全闭环控制。控制器根据实时工况自主调整钻进参数(钻进速度、扭矩、给进、起拔力等)及施工工艺，实现了减轻钻杆的磨损及避免孔内事故发生的目的。

防爆遥控器如图8所示，包括MCU模块，第二无线网收发模，液晶显示屏和操作面板；操作面板、液晶显示屏和第二无线网收发模分别与MCU模块连接；MCU模块接收操作面板发出的指令，按照通信协议将指令打包后传给第二无线网收发模发出；第二无线网收发模接收第一无线网收发模块发出的信号，并将信号传送给MCU模块进行处理；液晶显示屏用于显示履带车体和钻进机器人的运动状态，液压系统压力、钻孔深度、钻杆回转转速、油液温度、钻孔方位角和调角角度、钻杆直径和相关警告提示信息；操作面板包括左右履带行走控制手柄，自调平、自稳固启动/停止按钮，一键钻进按钮，各执行机构单动按钮，功能选择按钮，数字输入键盘等。

工作过程：

本发明在进行全自动施工前需进行钻进机器人位置标定。参见图9，所述钻进机器人位置标定包括4个关键位置的标定。其中位置Z1为动力头运动最前端，用于自动钻进时卸后端扣(动力头主动钻杆与中间钻杆之间的丝扣)及自动起钻时上后端扣；位置Z2用于自动钻进时上前端扣(中间钻杆与孔口钻杆之间的丝扣)及自动起钻时卸前端扣；位置Z3用于自动钻进时上前端扣及自动起钻时卸后端扣；位置Z4为动力头运动最后端，用于在自动流程中避让钻杆。

参见图10，所述自动钻进流程为钻杆装卸机器人与钻进机器人的协同工作(图6)，包括以下步骤：

步骤1：检测钻进机器人状态，在主动钻杆与钻杆分离、前夹持器夹住钻杆闭合、后夹持器张开，动力头在标定位置Z4的待加杆状态；

步骤2：给钻杆装卸机器人发送等待加杆信号，待机；

步骤3：钻进机器人接收到钻杆装卸机器人发送的钻杆就位信号后，后夹持器夹紧，动力头给进至标定位置Z3，上后端扣；

步骤4：通过压力突变判断上扣完毕后后夹持器松开；

步骤5：动力头给进至标定位置Z2，上前端扣；

步骤6：通过压力突变判断上扣完毕后，前夹持器松开；

步骤7：全自动自适应钻进。设定参数钻进或设定档位钻进，根据工况智能感知模块发送的钻进参数，实施自动增减给进压力、回转压力等；

步骤8：检测到动力头给进至标定位置Z1，钻机停止动作，前夹持器夹紧，卸后端扣；

步骤9：通过压力突变判断卸扣完毕后，判断钻杆数量是否达到要求设计孔深，则停止作业，若未达到设计孔深，则回到步骤1进行下一个循环。

参照图11，所述自动起钻流程为钻杆装卸机器人与钻进机器人的协同工作(图6)，包括以下步骤：

步骤1：检测钻进机器人状态，在主动钻杆与钻杆分离、前夹持器夹住钻杆闭合、后夹持器张开的待卸杆状态；

步骤2：动力头给进至标定位置Z1，上后端扣；

步骤:3：通过压力突变判断上扣完毕后，前夹持器松开；

步骤4：动力头起拔至标定位置Z2，前夹持器夹紧，卸前端扣；

步骤5：通过压力突变判断卸扣完毕后，动力头起拔至标定位置Z3；

步骤6：后夹持器夹紧，卸后端扣；

步骤7：通过压力突变判断卸扣完毕后，动力头起拔至标定位置Z4，给钻杆装卸机器人发送等待卸杆信号；

步骤8：钻杆装卸机器人机械手夹紧钻杆，后夹持器松开，钻杆放回杆仓；

步骤9：判断起钻钻杆数量是否达到要求，若起钻完毕，则停止作业，若未起钻完毕，则回到步骤一进行下一次循环。

(3)所述自动扫孔流程包含两种情况，一种为不加卸钻杆的自动扫孔，参照图12，一种为加卸钻杆的自动扫孔，参照图12，所述不加卸钻杆的自动扫孔包括以下步骤：

步骤1：工况智能识别模块检测孔内钻进受阻；

步骤2：动力头给进至标定位置Z1，上后端扣；

步骤3：通过压力突变判断上扣完毕后，前夹持器松开；

步骤4：动力头带动钻杆反转、起拔；

步骤5：动力头起拔至标定位置Z4；

步骤6：动力头带动钻杆正转、给进，动力头给进至标定位置Z1；

步骤7：若工况智能识别模块发送的钻进参数回到正常范围之内，则停止自动扫孔作业，若依然受阻，则回到步骤2进行下一次循环。

参照图13，所述加卸钻杆的自动扫孔为钻杆装卸机器人与钻进机器人的协同工作(图6)，包括以下步骤：

步骤1：工况智能识别模块检测孔内钻进受阻；

步骤2：设定钻杆数目；

步骤3：反复进行自动起钻流程，直到卸钻数目达到设定值；

步骤4：反复进行自动钻进流程，直到加钻数目达到设定值；

步骤5：检测孔内钻进是否受阻，若给进压力回到正常范围之内，停止自动扫孔作业，若给进压力依然超过正常范围，返回步骤一进行下一次循环。

本发明所述钻机全自动施工流程中，动力头需要准确定位。电控系统采用霍尔接近开关及控制器组成的定位方式。以动力头四个标定位置为例，在导轨标定位置处嵌入磁性目标，通过导轨两侧磁性目标的不同摆放排列以区分四个位置。当动力头接近开关运动到此处时，即会发出信号表明动力头位置到位。而在实际工作过程中不可避免的会存在机械、液压惯性，使得控制存在滞后位移。为减小这一现象带来的影响，在全自动流程中某一步骤中动力头每次运行速度设定为一致，因此可以认为带来的滞后位移Δx基本上变化很小或不变，在标定位置处将磁性目标向前延长与Δx一致的长度。经实际检验，磁性目标延长后，全自动流程成功率为100％，机械结构定位精度达到要求。

Claims (2)

1.一种煤矿用钻进机器人，包括履带行走装置（2）、设置在履带行走装置（2）上的钻进装置（1）和控制系统，其特征在于，所述钻进装置（1）包括支撑架（1-1）、变幅调角装置（1-2）、扶正器（1-3）、第一夹持器（1-4）、第二夹持器（1-5）和动力头（1-6），所述钻进装置（1）通过支撑架（1-1）设置在履带行走装置（2）上，所述变幅调角装置（1-2）与支撑架（1-1）相连接，所述动力头（1-6）设置在支撑架（1-1）上，所述第一夹持器（1-4）和第二夹持器（1-5）沿动力头（1-6）的钻进方向依次设置在支撑架（1-1）的前部，且第一夹持器（1-4）、第二夹持器（1-5）与动力头（1-6）设置在支撑架（1-1）的同一侧，所述扶正器（1-3）设置在支撑架（1-1）上，扶正器（1-3）位于第一夹持器（1-4）的前部；

所述变幅调角装置（1-2）包括举升油缸（1-2-1），举升油缸（1-2-1）的侧面设置有第二回转支承（1-2-5），所述举升油缸（1-2-1）通过第二回转支承（1-2-5）与支撑架（1-1）相连接，所述第二回转支承（1-2-5）上设有倾角编码器（1-2-4）；

所述举升油缸（1-2-1）的底部设置有第一回转支承（1-2-2），所述钻进装置（1）通过第一回转支承（1-2-2）与履带行走装置（2）相连接，所述第一回转支承（1-2-2）上设置有方位角编码器（1-2-3）；

所述支撑架（1-1）上设置有给进油缸（1-7），所述动力头（1-6）与给进油缸（1-7）相连接；

所述支撑架（1-1）上设置有平移油缸（1-11）；

所述支撑架（1-1）的两端设置有前顶装置（1-8）和后顶装置（1-9）；

所述钻进装置（1）设置在履带行走装置（2）的端部；

所述履带行走装置（2）包括履带车体（2-4）、安装在履带车体（2-4）上的车体平台（2-1）和四个分别设置在车体平台四个角的稳固油缸（2-2），所述稳固油缸（2-2）上设置有磁致伸缩传感器（2-3），所述车体平台（2-1）上设置有双轴倾角传感器（7）；

所述控制系统（8）包括设置在履带行走装置（2）上的操纵台（8-1）、主控站（8-2）、地面远控站和防爆遥控器；

所述主控站（8-2）包括控制器、第一无线网收发模块和以太环网，所述控制器通过第一无线网收发模块与防爆遥控器相连接，控制器通过以太环网与地面远控站相连接；

所述防爆遥控器包括MCU模块、第二无线网收发模块、液晶显示屏和操作面板，所述无线网收发模块、液晶显示屏和操作面板分别与MCU模块相连接；

全自动施工前需进行钻进机器人位置标定，包括位置Z1~Z4的4个位置的标定，位置Z1为动力头运动最前端，用于自动钻进时卸后端扣及自动起钻时上后端扣；位置Z2用于自动钻进时上前端扣及自动起钻时卸前端扣；位置Z3用于自动钻进时上前端扣及自动起钻时卸后端扣；位置Z4为动力头运动最后端，用于在自动钻进流程中避让钻杆；

自动钻进流程为钻杆装卸机器人与钻进机器人的协同工作，包括以下步骤：

步骤1：检测钻进机器人状态，在主动钻杆与钻杆分离、前夹持器夹住钻杆闭合、后夹持器张开，动力头在标定位置Z4的待加杆状态；

步骤2：给钻杆装卸机器人发送等待加杆信号，待机；

步骤3：钻进机器人接收到钻杆装卸机器人发送的钻杆就位信号后，后夹持器夹紧，动力头给进至标定位置Z3，上后端扣；

步骤4：通过压力突变判断上扣完毕后后夹持器松开；

步骤5：动力头给进至标定位置Z2，上前端扣；

步骤6：通过压力突变判断上扣完毕后，前夹持器松开；

步骤7：全自动自适应钻进，设定参数钻进或设定档位钻进，根据工况智能感知模块发送的钻进参数，实施自动增减给进压力、回转压力；

步骤8：检测到动力头给进至标定位置Z1，钻机停止动作，前夹持器夹紧，卸后端扣；

步骤9：通过压力突变判断卸扣完毕后，判断钻杆数量是否达到要求设计孔深，则停止作业，若未达到设计孔深，则回到步骤1进行下一个循环。

2.如权利要求1所述的煤矿用钻进机器人，其特征在于，所述车体平台（2-1）上设置有吊装锁具（2-6）。

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