CN110206562A - 一种混凝土湿喷机用自动喷射爬壁机器人及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混凝土湿喷机用自动喷射爬壁机器人及其工作方法，机器人包括车架，车架的上部设置立柱，立柱的顶部通过水平旋转机构、以及俯仰角度调整机构与喷头连接；电磁吸附系统，设置于爬壁机器人底盘下部，用于提供爬壁机器人工作时的吸附力，行走机构，设置在车架的底部，用于带动车架以及车架上部设备整体移动。该机器人可以吸附于矿井支护钢丝网上，自动调整吸附力，减少爬壁机器人行走阻力并保证其行驶安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种混凝土湿喷机用自动喷射爬壁机器人，属于矿用装置领域。
背景技术
在矿山中喷射混凝土可以防止主要巷道、弯路、交叉道口、井底车场、机修站和水泵房的岩石剥落与风化，视岩层条件的不同，喷射混凝土的厚度可变化于5-30mm之间，对建井和后续的施工作业安全有至关重要的作用。
目前煤矿井下利用喷浆机进行混凝土喷浆作业前，必须要根据施作业工现场需要和可能，将喷浆机摆放好，矿车将湿喷机所需物料输送至混凝土湿喷机中，工人需要手持与混凝土湿喷机连接的喷头将混凝土喷射至所需区域，由于巷道内工作环境较差且人工手持喷头劳工强度较大。以现有金属壁面爬壁机器人为例，吸附方式主要为永磁吸附、电磁吸附和电磁吸附于永磁吸附两种方式结合三种方式，其中永磁吸附以吸附力大、结构简单可靠取得了广泛应用，但永磁吸附的吸附力不可调整，导致爬壁机器人在复杂壁面上承受较大负载导致行走阻力较大。目前需要提供一种用于可以精确控制吸附力的混凝土湿喷机用自动喷射爬壁机器人。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种结构简单、操作安全方便的混凝土湿喷机用自动喷射爬壁机器人，所述爬壁机器人可以在矿井支护钢丝网上工作，改善工人工作环境，使得混凝土湿喷机喷射工作过程操作简便、安全、大幅度提高工作效率。
本发明为解决上述问题提出的技术方案是：
一种混凝土湿喷机用自动喷射爬壁机器人，包括：
车架，车架的上部设置立柱，立柱的顶部通过水平旋转机构、以及俯仰角度调整机构与喷头连接；
电磁吸附系统，设置于爬壁机器人底盘下部，用于提供爬壁机器人工作时的吸附力，包括电磁吸盘、吸附力检测传感器、三维姿态传感器和磁力控制单元，其中，所述吸附力检测传感器固定于机器人底盘与车架之间，用于检测电磁吸盘吸附力；
所述三维姿态传感器固定于车架上表面，用于获取爬壁机器人不同车身姿态；
所述磁力控制单元的信号接收端与所述吸附力检测传感器、三维姿态传感器连接，磁力控制单元的信号输出端与电磁吸盘连接；
行走机构，设置在车架的底部，用于带动车架以及车架上部设备整体移动。
所述水平旋转机构包括：水平旋转驱动电机、第一齿轮传动组和水平旋转台，其中，所述立柱上固定所述水平旋转驱动电机，水平旋转驱动电机的驱动轴通过第一齿轮传动组与水平旋转台驱动连接，水平旋转台上设置所述俯仰角度调整机构，所述俯仰角度调整机构包括：俯仰驱动电机、第二齿轮传动组和喷头夹具，其中，水平旋转台上固定连接所述俯仰驱动电机，俯仰驱动电机的驱动轴通过所述第二齿轮传动组与所述喷头夹具连接，喷头夹具上夹设所述喷头。
所述的电磁吸盘包括多个、多个电磁吸盘均布于所述车架底部，每个电磁吸盘的上部均设置有电磁吸盘高度调整机构，所述电磁吸盘高度调整机构包括吸盘固定架、电磁吸盘调整螺栓和电磁吸盘调整螺母，其中所述忑固定架固定在车架底部，吸盘固定架上设有供所述电磁吸盘调整螺栓螺纹连接的螺纹孔，电磁吸盘调整螺栓的上端穿过吸盘固定架上的螺纹孔后与所述电磁吸盘调整螺母连接，电磁吸盘调整螺栓的下端与所述电磁吸盘固定连接。
所述行走机构包括至少两个驱动单元，每个驱动单元均包括行走驱动电机、主动轮、从动轮、履带以及副车架，其中，车架底部一侧固定所述副车架，副车架上固定所述行走驱动电机，所述行走驱动电机的驱动轴与主动轮驱动连接，所述主动轮和从动轮之间通过履带连接。
所述的混凝土湿喷机用自动喷射爬壁机器人的工作方法，包括如下几个步骤：
步骤1：三维姿态传感器检测爬壁机器人在矿井支护钢丝网上三个方向的倾角，并将检测的数据传输到磁力控制单元中；
步骤2：磁力控制单元根据爬壁机器人倾角数据、爬壁机器人重量和喷头流量计算爬壁机器人当前安全工作所需的吸附力；
步骤3：磁力控制单元通过调整电磁吸盘工作电流来调整电磁吸盘吸附力；
步骤4：吸附力检测传感器检测当前电磁吸盘提供的吸附力并将数据传输至磁力控制单元与所需吸附力比较，并再次调整电磁吸盘所需电流直至吸附力检测传感器检测电流与所需电流一致。
所述的混凝土湿喷机用自动喷射爬壁机器人的工作方法，所述小车安全工作所需吸附力根据下式计算：
F＝σ*(F1+F2+G)＝σ*(Sv2ρ+G·cosα1·cosα2+G)，其中，
σ为安全系数；
G为小车所受重力；
α1、α2为车身在X、Y方向的倾角；
S为喷头横截面积；
v为混凝土流速；
ρ混凝土密度。
本发明的有益效果：
第一、本申请的爬壁机器人可以在矿井支护钢丝网上工作，改善工人工作环境，使得混凝土湿喷机喷射工作过程操作简便、安全、大幅度提高工作效率。
第二、本申请的爬壁机器人设置电磁吸盘调整螺栓、电磁吸盘调整螺母，可以调整电磁吸盘高度以适应不同型号的矿井支护钢丝网。
第三、本申请的爬壁机器人设置吸附力检测传感器和三维姿态传感器，可以精确计算和控制爬壁机器人当前工作状态所需吸附力，解决因吸附力过大导致爬壁机器人移动困难和吸附力过小导致爬壁机器人掉落的问题。
第四、本申请的爬壁机器人设置水平旋转驱动电机和俯仰驱动电机，可以自由调整湿喷机喷头喷射角度，减少混凝土回弹。
附图说明
图1为本发明装置的主视示意图；
图2为本发明装置的左视示意图；
图3为本发明装置的等轴测示意图；
图4为本发明装置的电磁吸盘布置示意图。
图中：1-电磁吸盘，2-履带，3-电磁吸盘调整螺栓，4-电磁吸盘调整螺母，5-行走驱动电机，6-水平旋转驱动电机，7-第一齿轮传动组，8-水平旋转台，9-俯仰驱动电机，10-喷头夹具，11-喷头，12-立柱，13-三维姿态传感器，14-吸附力检测传感器，15-副车架，16-主动轮，17-从动轮，18-第二齿轮传动组，19-车架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1至图4所示，一种混凝土湿喷机用自动喷射爬壁机器人，该装置包括行走机构、电磁吸附系统、喷射机构。
行走机构通过螺栓固定于吸附力检测传感器下方，行走机构包括副车架15、行走驱动电机5、驱动轮16、从动轮17和履带2；
电磁吸附系统设置与爬壁机器人底盘下部，该机构包括电磁吸盘1、吸附力检测传感器14、三维姿态传感器13和磁力控制单元，吸附力检测传感器14通过螺栓固定于机器人底盘与车架之间，三维姿态传感器13固定于机器人车架19上表面；
喷射机构布置于机器人车架上方，该机构包括水平旋转驱动电机6、俯仰驱动电机9、喷头夹具10、水平旋转台8和立柱12。
如图1至图4所示，行走机构包括至少两个驱动单元，每个单元包括履带2、主动轮16、从动轮17、行走驱动电机5、副车架15，行走驱动电机与副车架通过螺栓连接，主动轮、从动轮与驱动电机通过键连接，履带布置与主动轮从动轮之间，履带可以提高爬壁机器人在矿井支护钢丝网上的通过性，通过调整两驱动单元之间转速差实现爬壁机器人转向。
如图1至图4所示，本实施例中，所述电磁吸附系统包括6个电磁吸盘1、电磁吸盘调整螺栓3、电磁吸盘调整螺母4、吸附力检测传感器14、三维姿态传感器13。电磁吸盘与车架19通过电磁吸盘调整螺栓3和电磁吸盘调整螺母4连接；
吸附力检测传感器14布置于车架19与副车架15之间，用于检测电磁吸盘吸附力；
电池吸盘1位置根据支护钢丝网型号合理布置；
三维姿态传感器13平行布置于车架上表面，用于获取爬壁机器人不同车身姿态，便于微处理器计算爬壁机器人所需吸附力。
如图1至图4所示，喷射机构包括：立柱12、第一齿轮传动组7、水平旋转台8、水平旋转驱动电机6、俯仰驱动电机9、俯仰主动齿轮18、喷头夹具10、喷头11。立柱12布置于车架19上方，水平旋转驱动电机6通过螺钉紧固于立柱12上，水平旋转驱动电机6的驱动轴通过第一齿轮传动组7与水平旋转台驱动连接。
俯仰驱动电机9固定于水平旋转台8上，俯仰驱动电机9的驱动轴通过第二齿轮传动组与喷头夹具10连接。
本发明一种混凝土湿喷机用自动喷射爬壁机器人的工作方法，包括如下几个步骤：
步骤1：三维姿态传感器检测爬壁机器人在矿井支护钢丝网上三个方向的倾角，并将检测的数据传输到磁力控制单元中；
步骤2：磁力控制单元根据爬壁机器人倾角数据、爬壁机器人重量和喷头流量计算爬壁机器人当前安全工作所需的吸附力；
步骤3：磁力控制单元通过调整电磁吸盘工作电流来调整电磁吸盘吸附力；
步骤4：吸附力检测传感器检测当前电磁吸盘提供的吸附力并将数据传输至磁力控制单元与所需吸附力比较，并再次调整电磁吸盘所需电流直至吸附力检测传感器检测电流与所需电流一致。
所述的混凝土湿喷机用自动喷射爬壁机器人的工作方法，所述小车安全工作所需吸附力根据下式计算：
F＝5*(F1+F2+G)＝5*(Sv2ρ+G·cosα1·cosα2+G)，其中，
σ为安全系数；本实施例中，根据经验选取安全系数σ＝5
G为小车所受重力；
α1、α2为车身在X、Y方向的倾角；
S为喷头横截面积；
v为混凝土流速；
ρ混凝土密度。
以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种混凝土湿喷机用自动喷射爬壁机器人，其特征在于，包括：
车架，车架的上部设置立柱，立柱的顶部通过水平旋转机构、以及俯仰角度调整机构与喷头连接；
电磁吸附系统，设置于爬壁机器人底盘下部，用于提供爬壁机器人工作时的吸附力，包括电磁吸盘、吸附力检测传感器、三维姿态传感器和磁力控制单元，其中，所述吸附力检测传感器固定于机器人底盘与车架之间，用于检测电磁吸盘吸附力；
所述三维姿态传感器固定于车架上表面，用于获取爬壁机器人不同车身姿态；
所述磁力控制单元的信号接收端与所述吸附力检测传感器、三维姿态传感器连接，磁力控制单元的信号输出端与电磁吸盘连接；
行走机构，设置在车架的底部，用于带动车架以及车架上部设备整体移动。
2.根据权利要求1所述的混凝土湿喷机用自动喷射爬壁机器人，其特征在于，所述水平旋转机构包括：水平旋转驱动电机、第一齿轮传动组和水平旋转台，其中，所述立柱上固定所述水平旋转驱动电机，水平旋转驱动电机的驱动轴通过第一齿轮传动组与水平旋转台驱动连接，水平旋转台上设置所述俯仰角度调整机构，所述俯仰角度调整机构包括：俯仰驱动电机、第二齿轮传动组和喷头夹具，其中，水平旋转台上固定连接所述俯仰驱动电机，俯仰驱动电机的驱动轴通过所述第二齿轮传动组与所述喷头夹具连接，喷头夹具上夹设所述喷头。
3.根据权利要求1所述的混凝土湿喷机用自动喷射爬壁机器人，其特征在于：所述的电磁吸盘包括多个、多个电磁吸盘均布于所述车架底部，每个电磁吸盘的上部均设置有电磁吸盘高度调整机构，所述电磁吸盘高度调整机构包括吸盘固定架、电磁吸盘调整螺栓和电磁吸盘调整螺母，其中所述忑固定架固定在车架底部，吸盘固定架上设有供所述电磁吸盘调整螺栓螺纹连接的螺纹孔，电磁吸盘调整螺栓的上端穿过吸盘固定架上的螺纹孔后与所述电磁吸盘调整螺母连接，电磁吸盘调整螺栓的下端与所述电磁吸盘固定连接。
4.根据权利要求1所述的混凝土湿喷机用自动喷射爬壁机器人，其特征在于，所述行走机构包括至少两个驱动单元，每个驱动单元均包括行走驱动电机、主动轮、从动轮、履带以及副车架，其中，车架底部一侧固定所述副车架，副车架上固定所述行走驱动电机，所述行走驱动电机的驱动轴与主动轮驱动连接，所述主动轮和从动轮之间通过履带连接。
5.根据权利要求1所述的混凝土湿喷机用自动喷射爬壁机器人的工作方法，其特征在于，包括如下几个步骤：
步骤1：三维姿态传感器检测爬壁机器人在矿井支护钢丝网上三个方向的倾角，并将检测的数据传输到磁力控制单元中；
步骤2：磁力控制单元根据爬壁机器人倾角数据、爬壁机器人重量和喷头流量计算爬壁机器人当前安全工作所需的吸附力；
步骤3：磁力控制单元通过调整电磁吸盘工作电流来调整电磁吸盘吸附力；
步骤4：吸附力检测传感器检测当前电磁吸盘提供的吸附力并将数据传输至磁力控制单元与所需吸附力比较，并再次调整电磁吸盘所需电流直至吸附力检测传感器检测电流与所需电流一致。
6.根据权利要求5所述的混凝土湿喷机用自动喷射爬壁机器人的工作方法，其特征在于，所述小车安全工作所需吸附力根据下式计算：
F＝σ*(F1+F2+G)＝σ*(Sv2ρ+G·cosα1·cosα2+G)，其中，
σ为安全系数；
G为小车所受重力；
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