CN110952922A - 煤矿井下钻孔机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿井下钻孔机器人及其控制方法，属于煤矿钻机技术领域，包括行走底盘和设置在其上的钻孔主机、自动装卸钻杆系统、自动补偿锚固系统和智能控制系统，以及导航定位行走系统；智能控制系统与钻孔主机、自动装卸钻杆系统、自动补偿锚固系统和导航定位行走系统相连。本发明通过将导航定位行走系统与智能控制系统相结合，实现了移动路径的自动规划。

Description

煤矿井下钻孔机器人及其控制方法

技术领域

本发明属于煤矿钻机技术领域，涉及煤矿井下钻孔机器人及其控制方法。

背景技术

煤矿开采的过程中常伴随着多种自然灾害，如水害、冲击地压灾害、瓦斯突出灾害，而解决这些灾害的主要手段是施工探放水孔、防冲孔及瓦斯抽放孔。

煤矿井下钻机是用于上述打孔的设备，而现有钻机存在以下问题：(1)不具备自身位置感知能力，不能实现自定位；(2)不具备路径导航规划能力；(3)不具备智能开孔、钻孔能力。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供煤矿井下钻孔机器人及其控制方法，通过将导航定位行走系统与智能控制系统相结合，实现了移动路径的自动规划。

为达到上述目的，本发明提供了煤矿井下钻孔机器人，包括行走底盘和设置在其上的钻孔主机、自动装卸钻杆系统、自动补偿锚固系统和智能控制系统，以及导航定位行走系统；所述智能控制系统与钻孔主机、自动装卸钻杆系统、自动补偿锚固系统和导航定位行走系统相连。

可选地，所述行走底盘的一端设有提升架，所述钻孔主机和自动装卸钻杆系统通过提升架设置在行走底盘上。

可选地，所述钻孔主机包括固定在提升架上的机架，机架的一端设有动力头，另一端设有夹持器，钻杆经夹持器送入动力头，由动力头带动钻杆实现钻孔。

可选地，所述自动装卸钻杆系统包括送杆钻杆箱、机械手、钻杆转运器和主机械手；所述钻孔主机和钻杆箱分别位于主机械手的两侧；所述钻杆转运器位于钻杆箱和主机械手之间；所述送杆机械手设置在钻杆箱的一侧；所述送杆机械手用于在钻杆箱和钻杆转运器之间转运钻杆；所述钻杆转运器用于在送杆机械手与主机械手之间转运钻杆；所述主机械手用于在钻杆转运器和钻孔主机之间转运钻杆。

可选地，所述主机械手的机械臂末端设有同步定位传感器和水平定位传感器，所述机架上设有用于检测待装夹钻杆安装位置的末端定位传感器。

可选地，所述导航定位行走系统包括基站、移动站和避障传感器，所述基站设置在巷道的顶部，所述避障传感器设在行走底盘的周边，所述移动站设在行走底盘上。

可选地，所述智能控制系统包括PLC控制器，所述PLC控制器上集成有自动钻孔程序、自适应钻进程序和故障诊断程序。

可选地，所述PLC控制器上还集成有应急处理程序。

可选地，所述智能控制系统还包括工控机，所述PLC控制器与工控机相连。

可选地，还包括移动终端控制器，所述移动终端控制器与智能控制系统连接。

本发明还提供了煤矿井下钻孔机器人的控制方法，包括以下步骤：

S1定位、路径规划：

S1.1定位：在巷道内铺设导航定位系统基站，通过智能控制系统接收处理来自基站和移动站的定位信息，确定机器人在巷道中的坐标位置；

S1.2路径规划：操作人员向智能控制系统输入设计钻孔位置信息，经智能控制系统处理运算建立钻孔施工顺序和转场时的移动路径；

S2行走避障：机器人根据程序指令，自主移动至第一个钻孔位置；在移动的过程中，避障传感器实时监测机器人周边的障碍物，当遇到障碍物时，智能控制系统根据设计的避障程序控制机器人自主规避；

S3开孔定位：智能控制系统根据钻孔参数调整开孔方位角至设计开孔方位角，然后驱动自动补偿锚固系统锚固机器人，最后调整开孔倾角至设计开孔倾角；

S4钻孔施工：智能控制系统启动自动钻孔程序，自动钻孔程序控制钻孔主机和自动装卸钻杆系统完成包括钻孔过程中的放入、旋转、推进、拆卸钻杆的动作；

S5转移钻场：机器人完成一个位置的钻孔后，智能控制系统根据路径规划控制行走底盘向下一个钻孔位置移动；重复步骤S2～S4，直至完成所有的钻孔。

可选地，在自动钻孔的过程中，智能控制系统同时启动自适应钻进程序、故障诊断程序和应急处理程序，以完成包括钻孔效率的匹配、孔内异常情况的自处理、故障报警和紧急停机流程。

本发明的有益效果在于：

1.本发明采用基站定位系统实现钻机在巷道中实时自定位，结合智能控制系统中的钻孔位置信息，可实现移动路径自动规划。

2.本发明具有自主行走功能，并可通过障碍物检测实现自主避障。

3.本发明采用智能控制系统实现钻机自动开孔定位、自动钻孔以及装卸钻杆，并具备自动效率匹配、故障诊断、应急处理的功能，提高了煤矿井下钻孔设备的自动化、智能化程度。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为煤矿井下钻孔机器人的结构示意图；

图2为导航定位行走系统的示意图

图3为钻孔主机的结构示意图；

图4为自动装卸钻杆系统的结构示意图；

图5为主机械手的结构示意图；

图6为钻杆转运器的结构示意图一；

图7为钻杆转运器的结构示意图二。

附图标记：巷道1、导航定位行走系统2、钻孔主机3、行走底盘4、自动装卸钻杆系统5、自动补偿锚固系统6、无线控制端7、动力系统8、智能控制系统9、提升架11、基站201、移动站202、避障传感器203、动力头301、夹持器302、机架303、送杆机械手501、主机械手502、钻杆转运器503、钻杆箱504、同步定位传感器1001、同步定位传感器感应块1002、水平定位传感器感应块1003、水平定位传感器1004、保护定位传感器感应块1005、保护定位传感器1006、末端定位传感器1007、末端定位传感器感应块1008、回转臂1009、传动箱1010、翻转马达1011、倾角减速器1012、机械手回转器1013、手爪1014、伸缩油缸1015、连接座1201、轨道1202、连接座滑块1203、转运油缸1204、调节油缸1205、调节块1206、托块1207、转运箱1208。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。

参阅图1～图7，煤矿井下钻孔机器人，包括行走底盘4和设置在其上的钻孔主机3、自动装卸钻杆系统5、自动补偿锚固系统6和智能控制系统9，以及导航定位行走系统2；智能控制系统9与钻孔主机3、自动装卸钻杆系统5、自动补偿锚固系统6和导航定位行走系统2相连。

钻孔主机3和自动装卸钻杆系统5通过设置在行走底盘4上的提升架11设置在行走底盘4上；钻孔主机3包括固定在提升架11上的机架303，机架303的一端设有动力头301，另一端设有夹持器302，夹持器302为双夹持器，双夹持器包括前夹持器和后夹持器；钻杆经夹持器302送入动力头301，由动力头301带动钻杆实现钻孔；为行走底盘4提供动力的动力系统8和提升架11分别位于行走底盘4的两端；自动补偿锚固系统6位于动力系统8和提升架11之间；钻孔主机3通过提升架11伸出行走底盘4。

自动装卸钻杆系统5包括送杆机械手501、钻杆转运器503、主机械手502和钻杆箱504；送杆机械手501用于在钻杆箱504和钻杆转运器503之间转运钻杆；钻杆转运器503用于在送杆机械手501与主机械手502之间转运钻杆；主机械手502用于在钻杆转运器503和钻孔主机3之间转运钻杆。

钻杆箱504用于存储钻杆，具有多层、多列容纳钻杆的空间，包括底板和相对设置在底板两侧的侧板，以及相对设置在两侧的侧板内侧的若干隔板，底板和侧板围成两端敞开的储物空间；相邻隔板间的距离不小于钻杆的直径。

钻杆箱504的侧板外侧设置送杆机械手501，送杆机械手501包括移动组件、升降组件和抓手机构，移动组件包括滑轨座、滑轨、滑块、齿轮齿条副和驱动机构；滑轨沿箱体的纵向设置，固定在滑轨座上；滑块与滑轨配合，沿滑轨移动；齿轮齿条副中的齿条固定在滑轨座上，且与滑轨平行；齿轮齿条副中的齿轮固定在滑块上；升降组件包括与滑块连接的支撑筒，以及固定在支撑筒另一端的第一提升油缸；抓手机构包括抓手组件和固定在第一提升油缸上的伸缩油缸，以及固定在伸缩油缸上的连接臂；抓手组件包括夹紧油缸，以及固定在夹紧油缸上的夹爪；夹紧油缸固定在连接臂远离伸缩油缸的一端；驱动机构驱动齿轮与齿条啮合。

本发明中的钻杆转运器503包括连接座1201、轨道1202、连接座滑块1203、转运油缸1204、调节油缸1205、调节块1206、托块1207和转运箱1208，连接座1201固定安装在提升架11上；轨道1202固定置于连接座1201顶部，与滑块1203嵌套形成移动副。转运箱1208安装于滑块1203顶部，用于放置钻杆；转运油缸1204一端与连接座1201连接，另一端与转运箱1208连接，驱动转运箱1208沿轨道1202移动(即钻杆的轴向)；托块1207固定于转运箱1208中，对钻杆径向定位；调节块1206可在调节油缸1205的驱动下沿钻杆轴向运动，实现对不同长度钻杆的定位。

主机械手502包括倾角调整关节，安装在提升架11上，由倾角马达、倾角减速器1012、机械手回转器1013组成；回转关节，安装在机械手回转器1013上，由回转马达1011、传动箱1010、回转臂1009组成；手爪关节，安装在回转臂1009上，由伸缩油缸1015、手爪1014组成。

主机械手502的定位系统包括：设置在主机械手502的回转臂末端的机械手回转器内侧的同步定位传感器组件；设置在机械手回转器外侧的水平定位传感器组件；设置在机架303上用于检测待装夹钻杆安装位置的末端定位传感器组件；设置在回转臂末端的保护定位传感器组件。

同步定位传感器组件包括同步定位传感器1001和同步定位传感器感应块1002；同步定位传感器1001设置在位于机架回转器内侧的连接杆上，连接杆与机架固定连接；同步定位传感器感应块1002固定在机械手回转器的内侧；水平定位传感器组件包括水平定位传感器感应块1003和水平定位传感器1004；水平定位传感器1004设置在安装架的提升架上，水平定位传感器感应块1003设置在机械手回转器外侧靠近钻杆的一侧；末端定位传感器组件包括设置在机架303上的末端定位传感器1007和末端定位传感器感应块1008；末端定位传感器1007和末端定位感应块1008安装在机架303上靠近后夹持器的一端。

同步定位传感器1001的感应端指向机械手回转器1013的径向向外，水平定位传感器1004、保护定位传感器1006的感应端指向机械手回转器1013的径向向内；水平定位传感器感应块1003、保护定位传感器感应块1005重叠安装在机械手回转器外侧靠近钻杆的一侧。

导航定位行走系统2包括基站201、移动站202和避障传感器203，基站201设置在巷道1的顶部，避障传感器203设置在行走底盘4的侧边，移动站202设在行走底盘4靠近钻孔主机3的一端，且与智能控制系统9相连；机架上也设有用于确定钻孔主机位置的移动站202。

智能控制系统9包括工控机、PLC控制器，PLC控制器上集成有自动钻孔程序、自适应钻进程序、故障诊断程序和应急处理程序；PLC控制器与工控机相连；工控机为防爆工控机；工控机与PLC控制器之间用防爆数据线连接。

为了实现操作者离机控制机械人动作，本发明还设置有移动终端控制器，移动终端控制器为无线控制端7，移动终端控制器与智能控制系统9采用信号连接；通过设置移动终端控制器不仅使机器人的控制更加自由，而且使得操作者在操纵机器人的同时可以观察机器人的动作。

本发明还提供了煤矿井下钻孔机器人的控制方法，包括以下步骤：

S1定位、路径规划：

S1.1定位：首先在巷道1内按规定要求铺设一定数量的导航定位系统基站201，当本发明的钻孔机器人运输到巷道1指定起点位置后，接通电源自检；智能控制系统9接收到基站201、移动站202的定位信息后，通过建模整理后，确定机器人在巷道1的坐标位置，即完成机器人的初始定位；

S1.2路径规划：操作人员根据钻孔需求，向智能控制系统9输入设计的钻孔位置信息，智能控制系统9运算后建立在巷道1中钻孔施工的顺序及转场时的移动路径；

S2行走避障：机器人在完成定位和路径规划后，根据程序指令，自主移动至第一个钻孔位置；在自主移动的过程中，避障传感器203实时监测机器人周边障碍物，当遇到障碍物时，智能控制系统9根据设计的避障程序控制机器人自主规避；

S3开孔定位：机器人自主移动至第一个钻孔位置后，智能控制系统9根据钻孔参数调整开孔方位角至设计开孔方位角，然后驱动自动补偿锚固系统6锚固机器人，最后调整开孔倾角至设计开孔倾角，准备开钻；

S4钻孔施工：机器人完成钻孔姿态调节后，智能控制系统9启动自动钻孔程序，自动钻孔程序控制钻孔主机3、自动装卸系统5完成包括钻孔过程中的放入、旋转、推进、拆卸钻杆的动作；在自动钻孔的过程中，智能控制系统9同时启动自适应钻进程序、故障诊断程序和应急处理程序，以完成包括钻孔效率的匹配、孔内异常情况的自处理、故障报警和紧急停机流程；

S5转移钻场：机器人完成一个位置的钻孔后，智能控制系统9根据路径规划控制行走底盘4向下一个钻孔位置移动；重复步骤S2～S4，直至完成所有的钻孔。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.煤矿井下钻孔机器人，其特征在于：包括行走底盘和设置在其上的钻孔主机、自动装卸钻杆系统、自动补偿锚固系统和智能控制系统，以及导航定位行走系统；

所述智能控制系统与钻孔主机、自动装卸钻杆系统、自动补偿锚固系统和导航定位行走系统相连。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔机器人，其特征在于：所述行走底盘的一端设有提升架，所述钻孔主机和自动装卸钻杆系统通过提升架设置在行走底盘上。

3.根据权利要求2所述的煤矿井下钻孔机器人，其特征在于：所述钻孔主机包括固定在提升架上的机架，机架的一端设有动力头，另一端设有夹持器，钻杆经夹持器送入动力头，由动力头带动钻杆实现钻孔。

4.根据权利要求3所述的煤矿井下钻孔机器人，其特征在于：所述自动装卸钻杆系统包括送杆钻杆箱、机械手、钻杆转运器和主机械手；所述钻孔主机和钻杆箱分别位于主机械手的两侧；所述钻杆转运器位于钻杆箱和主机械手之间；所述送杆机械手设置在钻杆箱的一侧。

5.根据权利要求4所述的煤矿井下钻孔机器人，其特征在于：所述主机械手的机械臂末端设有同步定位传感器和水平定位传感器，所述机架上设有用于检测待装夹钻杆安装位置的末端定位传感器。

6.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔机器人，其特征在于：所述导航定位行走系统包括基站、移动站和避障传感器，所述基站设置在巷道的顶部，所述避障传感器设在行走底盘的周边，所述移动站设在行走底盘上。

7.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔机器人，其特征在于：所述智能控制系统包括PLC控制器，所述PLC控制器上集成有自动钻孔程序、自适应钻进程序、故障诊断程序和应急处理程序。

8.根据权利要求1～7任一所述的煤矿井下钻孔机器人，其特征在于：还包括移动终端控制器，所述移动终端控制器与智能控制系统连接。

9.煤矿井下钻孔机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1定位、路径规划：

S1.1定位：在巷道内铺设导航定位系统基站，通过智能控制系统接收处理来自基站和移动站的定位信息，确定机器人在巷道中的坐标位置；

S1.2路径规划：操作人员向智能控制系统输入设计钻孔位置信息，经智能控制系统处理运算建立钻孔施工顺序和转场时的移动路径；

S2行走避障：机器人根据程序指令，自主移动至第一个钻孔位置；在移动的过程中，避障传感器实时监测机器人周边的障碍物，当遇到障碍物时，智能控制系统根据设计的避障程序控制机器人自主规避；

S3开孔定位：智能控制系统根据钻孔参数调整开孔方位角至设计开孔方位角，然后驱动自动补偿锚固系统锚固机器人，最后调整开孔倾角至设计开孔倾角；

S4钻孔施工：智能控制系统启动自动钻孔程序，自动钻孔程序控制钻孔主机和自动装卸钻杆系统完成包括钻孔过程中的放入、旋转、推进、拆卸钻杆的动作；

S5转移钻场：机器人完成一个位置的钻孔后，智能控制系统根据路径规划控制行走底盘向下一个钻孔位置移动；重复步骤S2～S4，直至完成所有的钻孔。

10.根据权利要求9所述的煤矿井下钻孔机器人的控制方法，其特征在于：在自动钻孔的过程中，智能控制系统同时启动自适应钻进程序、故障诊断程序和应急处理程序，以完成包括钻孔效率的匹配、孔内异常情况的自处理、故障报警和紧急停机流程。

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