CN111810146B - 智能化巷道开槽机器人 - Google Patents

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CN111810146B CN202010715413.3A CN202010715413A CN111810146B CN 111810146 B CN111810146 B CN 111810146B CN 202010715413 A CN202010715413 A CN 202010715413A CN 111810146 B CN111810146 B CN 111810146B
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    • E21C35/24—Remote control specially adapted for machines for slitting or completely freeing the mineral

Abstract

本发明提供一种智能化巷道开槽机器人，属于煤矿井下设备的技术领域，包括主机架、行走部、截割部、驾驶室、用于为所述智能化巷道开槽机器人提供动力的动力总成以及用于开槽过程中稳定机身的稳定支撑系统；截割部、驾驶室和动力总成安装在主机架上，构成机身；截割部包括底座、大臂、中间臂、小臂、铣挖头、大臂连杆Ⅰ、大臂连杆Ⅱ、铣挖头连杆Ⅰ、铣挖头连杆Ⅱ、大臂油缸、中间臂油缸、小臂油缸、铣挖头油缸和回转驱动。上述智能化巷道开槽机器人采用多臂铰接形式的机械臂机构，实现了整机一次定位360°开全槽，整机配备了智能截割控制系统，可控制铣挖头在水平、垂直方向上自动作业，操作人员只需在巷道拐角处完成相应的方向切换即可。

Description

智能化巷道开槽机器人
技术领域
本发明属于煤矿井下设备的技术领域，具体公开了一种智能化巷道开槽机器人。
背景技术
煤矿井下巷道施工作业中，基于通风或安全的要求，需要在巷道中安装风门或者密闭巷道，这两种作业工序，都需要先在巷道的四周进行开槽作业，目前开槽作业主要依赖人工使用破碎锤施工，不仅效率低下，而且具有极大的安全隐患。部分矿井使用机械化开槽设备，其中专利“煤矿井下开槽机（201710990248.0）”所述设备，缺点是操纵机械臂机构复杂，且一次定位后无法对设备正下方进行开槽 。专利“一种煤矿巷道开槽机（201510818526.5）”所述设备操纵机械臂工作过程中需要带载伸缩，磨损严重。现有开槽机由于结构原因，工作臂工作范围小，巷道适应性差，无法实现一次定位开全槽（顶槽、帮槽、底槽），开槽过程中需要频繁移动整机，以适应巷道不同断面要求。此外，巷道开槽过程中还主要依靠手动操作，工人劳动强度大、开槽精度低。综上，目前市场上没有确实有效的开槽设备。
发明内容
本发明针对现有设备的不足，提供一种结构简单，巷道适应面广，且一次定位后可对巷道四周开全槽的智能化巷道开槽机器人。
为实现上述目的，本发明提供一种智能化巷道开槽机器人，包括主机架、行走部、截割部、驾驶室、用于为所述智能化巷道开槽机器人提供动力的动力总成以及用于开槽过程中稳定机身的稳定支撑系统；截割部、驾驶室和动力总成安装在主机架上，构成机身；截割部包括底座、大臂、中间臂、小臂、铣挖头、大臂连杆Ⅰ、大臂连杆Ⅱ、铣挖头连杆Ⅰ、铣挖头连杆Ⅱ、大臂油缸、中间臂油缸、小臂油缸、铣挖头油缸和回转驱动；底座与主机架铰接，铰链轴线与地面垂直；大臂与底座铰接，铰链轴线与地面平行；中间臂与大臂铰接，铰链轴线与地面平行；小臂与中间臂铰接，铰链轴线与地面平行；铣挖头与小臂铰接，铰链轴线与地面平行；大臂连杆Ⅰ的一端与底座铰接，大臂连杆Ⅱ的一端与大臂铰接，大臂连杆Ⅰ和大臂连杆Ⅱ铰接，底座、大臂、大臂连杆Ⅰ和大臂连杆Ⅱ构成双摇杆机构；铣挖头连杆Ⅰ与小臂铰接，铣挖头连杆Ⅱ与铣挖头铰接，铣挖头连杆Ⅰ和铣挖头连杆Ⅱ铰接，小臂、铣挖头、铣挖头连杆Ⅰ和铣挖头连杆Ⅱ构成双摇杆机构；大臂油缸的两端分别与底座和大臂连杆Ⅰ铰接；中间臂油缸的两端分别与大臂和中间臂铰接；小臂油缸的两端分别与中间臂和小臂铰接；铣挖头油缸的一端与小臂铰接，另一端与挖头连杆Ⅰ和铣挖头连杆Ⅱ的铰链铰接；回转驱动固定在主机架上，通过齿轮副驱动底座相对于主机架实现±90°回转。
进一步地，大臂连杆Ⅰ、大臂连杆Ⅱ和大臂油缸均为两套，分别布置于大臂两侧；铣挖头连杆Ⅰ为两个，分别布置于小臂两侧。
进一步地，稳定支撑系统包括4个相同的支撑腿组件，分别安装在主机架的四角；支撑腿组件包括支撑腿、支撑腿座、支撑油缸和伸展油缸；支撑腿与支撑腿座铰接，铰链轴线与地面平行；支撑腿座与主机架铰接，铰链轴线与地面垂直；支撑油缸的两端分别与支撑腿座和支撑腿铰接；伸展油缸的两端分别与主机架和支撑腿座铰接。
进一步地，主机架包括通过螺栓连接的前机架、中间架和后机架；截割部设置在前机架上；驾驶室设置在中间架上；动力总成设置在后机架上。
进一步地，动力总成包括防爆发动机系统和液压系统；防爆发动机输出动力，驱动液压泵，为液压系统提供动力；液压系统通过马达和减速机驱动行走部行走，为整机行走提供行走动力，同时为截割部和稳定支撑系统的油缸提供液压油源。
进一步地，上述智能化巷道开槽机器人，还包括智能截割控制系统、角位移传感器Ⅰ、角位移传感器Ⅱ、角位移传感器Ⅲ、角位移传感器Ⅳ、距离传感器Ⅰ、距离传感器Ⅱ、距离传感器Ⅲ和距离传感器Ⅳ；角位移传感器Ⅰ用于采集大臂与底座之间的角度值；角位移传感器Ⅱ用于中间臂与大臂之间的角度值；角位移传感器Ⅲ用于采集小臂与中间臂之间的角度值；角位移传感器Ⅳ用于采集铣挖头与小臂之间的角度值；距离传感器Ⅰ用于采集大臂油缸的伸长量；距离传感器Ⅱ用于采集中间臂油缸的伸长量；距离传感器Ⅲ用于采集小臂油缸的伸长量；距离传感器Ⅳ采集铣挖头油缸的伸长量；智能截割控制系统在手动完成对刀后接收角位移传感器Ⅰ、角位移传感器Ⅱ、角位移传感器Ⅲ和角位移传感器Ⅳ的初始值θ 10 、 θ 20 、θ 30 、θ 40 ，根据公式计算铣挖头相对于机身坐标系的初始位置坐标（X 0 ,Y 0 ），通过查表读取大臂油缸、中间臂油缸、小臂油缸、铣挖头油缸的伸长量，根据向上、向下、向左、向右的截割指令，智能截割控制系统控制油缸自动伸缩，从而实现自动开槽；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
式中：L 1 为大臂长度；
L 2 为中间臂长度；
L 3 为小臂长度；
L 4 为铣挖头长度；
H为大臂与底座的铰点距离设备底面的高度；
X 0 和Y 0 四舍五入取非负整数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
表中，m为智能化巷道开槽机器人适应的最大巷道宽度的1/2，单位与X 0 相同；
n为智能化巷道开槽机器人适应的最大巷道断面高度，单位与Y 0 相同；
p=1，2，3，4，p=1时为大臂油缸的伸长量，p=2时为中间臂油缸的伸长量，p=3时为小臂油缸的伸长量，p=4时为铣挖头油缸的伸长量，表中Lp-m-n所代表的实际数据是智能化巷道开槽机器人的固有特性，由设计人员预先存储在控制系统中。
进一步地，智能截割控制系统集成在遥控发射机中。
本发明具有如下的有益效果：
1、采用多臂铰接形式的机械臂机构，作业范围覆盖了宽4.0米~6.0米，高3.0米~5米的所有巷道，实现了整机一次定位360°开全槽；
2、单台设备只需1名操作人员，最低开槽效率约5m3/h，约是人工开槽效率的30倍；
3、整机配备了智能截割控制系统，可控制铣挖头在水平、垂直方向上自动作业，操作人员只需在巷道拐角处完成相应的方向切换即可。
附图说明
图1为智能化巷道开槽机器人的立体图；
图2为主机架和稳定支撑系统的装配图；
图3为智能化巷道开槽机器人的主视图；
图4为智能化巷道开槽机器人的侧视图；
图5为遥控发射机的示意图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-主机架；1.1-前机架；1.2-中间架；1.3-后机架；2-行走部；3-截割部；3.1-底座；3.2-大臂；3.3-中间臂；3.4-小臂；3.5-铣挖头；3.6-大臂连杆Ⅰ；3.7-大臂连杆Ⅱ；3.8-铣挖头连杆Ⅰ；3.9-铣挖头连杆Ⅱ；3.10-大臂油缸；3.11-中间臂油缸；3.12-小臂油缸；3.13-铣挖头油缸；3.14-回转驱动；3.15-齿轮副；4-驾驶室；5-动力总成；6-稳定支撑系统；6.1-支撑腿；6.2-支撑腿座；6.3-支撑油缸；6.4-伸展油缸；7-遥控发射机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种智能化巷道开槽机器人，包括主机架1、行走部2、截割部3、驾驶室4、用于为所述智能化巷道开槽机器人提供动力的动力总成5以及用于开槽过程中稳定机身的稳定支撑系统6；截割部3、驾驶室4和动力总成5安装在主机架1上，构成机身。
主机架1包括通过螺栓连接的前机架1.1、中间架1.2和后机架1.3；截割部3设置在前机架1.1上；驾驶室4设置在中间架1.2上；动力总成5设置在后机架1.3上。
行走部2采用履带形式。
截割部3包括底座3.1、大臂3.2、中间臂3.3、小臂3.4、铣挖头3.5、大臂连杆Ⅰ3.6、大臂连杆Ⅱ3.7、铣挖头连杆Ⅰ3.8、铣挖头连杆Ⅱ3.9、大臂油缸3.10、中间臂油缸3.11、小臂油缸3.12、铣挖头油缸3.13和回转驱动3.14；底座3.1与前机架1.1铰接，铰链轴线与地面垂直；大臂3.2与底座3.1铰接，铰链轴线与地面平行；中间臂3.3与大臂3.2铰接，铰链轴线与地面平行；小臂3.4与中间臂3.3铰接，铰链轴线与地面平行；铣挖头3.5与小臂3.4铰接，铰链轴线与地面平行；大臂连杆Ⅰ3.6的一端与底座3.1铰接，大臂连杆Ⅱ3.7的一端与大臂3.2铰接，大臂连杆Ⅰ3.6和大臂连杆Ⅱ3.7铰接，底座3.1、大臂3.2、大臂连杆Ⅰ3.6和大臂连杆Ⅱ3.7构成双摇杆机构，使截割部3具备较大折展比，实现开槽过程中有较大的作业范围，掉机过程中机身外形尺寸较小；铣挖头连杆Ⅰ3.8与小臂3.4铰接，铣挖头连杆Ⅱ3.9与铣挖头3.5铰接，铣挖头连杆Ⅰ3.8和铣挖头连杆Ⅱ3.9铰接，小臂3.4、铣挖头3.5、铣挖头连杆Ⅰ3.8和铣挖头连杆Ⅱ3.9构成双摇杆机构；大臂油缸3.10的两端分别与底座3.1和大臂连杆Ⅰ3.8铰接；中间臂油缸3.11的两端分别与大臂3.2和中间臂3.3铰接；小臂油缸3.12的两端分别与中间臂3.3和小臂3.4铰接；铣挖头油缸3.13的一端与小臂3.4铰接，另一端与挖头连杆Ⅰ3.8和铣挖头连杆Ⅱ3.9的铰链铰接；回转驱动3.14通过螺栓与前机架1.1连接，通过齿轮副3.15驱动底座3.1相对于前机架1.1实现±90°回转。通过上述结构，智能化巷道开槽机器人具有较大的作业范围，可实现一次定位开全槽（顶槽、帮槽、底槽），同时掉机时整机具有较小的外形尺寸。
进一步地，大臂连杆Ⅰ3.6、大臂连杆Ⅱ3.7和大臂油缸3.10均为两套，分别布置于大臂3.2两侧；铣挖头连杆Ⅰ3.8为两个，分别布置于小臂3.4两侧。
进一步地，动力总成5包括防爆发动机系统和液压系统；防爆发动机输出动力，驱动液压泵，为液压系统提供动力；液压系统通过马达和减速机驱动行走部行走，为整机行走提供行走动力，同时为截割部3和稳定支撑系统6的油缸提供液压油源。
进一步地，稳定支撑系统6包括4个相同的支撑腿组件，分别安装在主机架1的四角；支撑腿组件包括支撑腿6.1、支撑腿座6.2、支撑油缸6.3和伸展油缸6.4；支撑腿6.1与支撑腿座6.2铰接，铰链轴线与地面平行；支撑腿座6.2与主机架1铰接，铰链轴线与地面垂直；支撑油缸6.3的两端分别与支撑腿座6.2和支撑腿6.1铰接；伸展油缸6.4的两端分别与主机架1和支撑腿座6.2铰接。伸展油缸6.4驱动支撑腿座6.2相对于主机架1转动，进而推动支撑腿6.1相对于主机架1展开，再通过支撑油缸6.3将整机撑起，确保开槽过程中整机保持稳定。
进一步地，上述智能化巷道开槽机器人，还包括智能截割控制系统、角位移传感器Ⅰ、角位移传感器Ⅱ、角位移传感器Ⅲ、角位移传感器Ⅳ、距离传感器Ⅰ、距离传感器Ⅱ、距离传感器Ⅲ和距离传感器Ⅳ；角位移传感器Ⅰ用于采集大臂3.2与底座3.1之间的角度值；角位移传感器Ⅱ用于中间臂3.3与大臂3.2之间的角度值；角位移传感器Ⅲ用于采集小臂3.4与中间臂3.3之间的角度值；角位移传感器Ⅳ用于采集铣挖头3.5与小臂3.4之间的角度值；距离传感器Ⅰ用于采集大臂油缸3.10的伸长量；距离传感器Ⅱ用于采集中间臂油缸3.11的伸长量；距离传感器Ⅲ用于采集小臂油缸3.12的伸长量；距离传感器Ⅳ采集铣挖头油缸3.13的伸长量；智能截割控制系统在手动完成对刀后接收角位移传感器Ⅰ、角位移传感器Ⅱ、角位移传感器Ⅲ和角位移传感器Ⅳ的初始值θ 10 、θ 20 、θ 30 、θ 40 ，根据公式计算出铣挖头3.5相对于机身坐标系（以图3中大臂3.2与底座3.1的铰点为原点，水平向右方向为X轴正方向，垂直向上方向为Y轴正方向）的初始位置坐标（X 0 ,Y 0 ），通过查表1、表2、表3、表4读取大臂油缸3.10、中间臂油缸3.11、小臂油缸3.12、铣挖头油缸3.13的伸长量，根据向上、向下、向左、向右的截割指令，智能截割控制系统控制油缸自动伸缩，从而实现自动开槽；
Figure 792736DEST_PATH_IMAGE002
式中： L 1 为大臂长度；
L 2 为中间臂长度；
L 3 为小臂长度；
L 4 为铣挖头长度；
H为大臂与底座的铰点距离设备底面的高度；
X 0 和Y 0 四舍五入取非负整数。
Figure DEST_PATH_IMAGE006
Figure DEST_PATH_IMAGE008
Figure DEST_PATH_IMAGE010
Figure DEST_PATH_IMAGE012
表中，m为智能化巷道开槽机器人适应的最大巷道宽度的1/2，单位与X 0 相同；
n为智能化巷道开槽机器人适应的最大巷道断面高度，单位与Y 0 相同；
例如，通过公式计算得到X 0 =3，Y 0 =3，当向左截割时，大臂油缸伸长量依次按照L 1 -3-3、L 1 -2-3、L 1 -1-3、L 1 -0-3中对应的实际数据自动伸缩，当向右截割时，大臂油缸伸长量依次按照L 1 -3-3、L 1 -4-3、L 1 -5-3‧‧‧‧‧‧中对应的实际数据自动伸缩，当向上截割时，大臂油缸伸长量依次按照L 1 -3-3、L 1 -3-4、L 1 -3-5‧‧‧‧‧‧中对应的实际数据自动伸缩，当向下截割时，大臂油缸伸长量依次按照L 1 -3-3、L 1 -3-2、L 1 -3-1、L 1 -3-0中对应的实际数据自动伸缩，中间臂油缸、小臂油缸和铣挖头油缸与此类似。
进一步地，智能截割控制系统集成在遥控发射机7中。
上述智能化巷道开槽机器人的部分参数为：
（1）整机重量（kg）：20000
（2）装机功率 (kW)：90 kw
（3）截割功率(kW)：45
（4）切割硬度：≤f4
（5）适应巷道高度（mm）：3000～5000
（6）适应巷道宽度（mm）：4000～6000
（7）最大适应坡度：±12°
（8）地隙：250 mm。
上述智能化巷道开槽机器人是为密闭巷道、安装风门而开发设计的专用切槽设备。适应巷道宽度：4.0～6.0米，适应巷道高度：3.0～5.0米，可沿巷道断面360°开槽，开槽效率不低于5m3/h，约是人工开槽效率的30倍，可实现在水平、垂直方向上自动作业。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种智能化巷道开槽机器人，其特征在于，包括主机架、行走部、截割部、驾驶室、智能截割控制系统、角位移传感器Ⅰ、角位移传感器Ⅱ、角位移传感器Ⅲ、角位移传感器Ⅳ、距离传感器Ⅰ、距离传感器Ⅱ、距离传感器Ⅲ、距离传感器Ⅳ、用于为所述智能化巷道开槽机器人提供动力的动力总成以及用于开槽过程中稳定机身的稳定支撑系统；
所述截割部、驾驶室和动力总成安装在主机架上，构成机身；
所述截割部包括底座、大臂、中间臂、小臂、铣挖头、大臂连杆Ⅰ、大臂连杆Ⅱ、铣挖头连杆Ⅰ、铣挖头连杆Ⅱ、大臂油缸、中间臂油缸、小臂油缸、铣挖头油缸和回转驱动；
所述底座与主机架铰接，铰链轴线与地面垂直；
所述大臂与底座铰接，铰链轴线与地面平行；
所述中间臂与大臂铰接，铰链轴线与地面平行；
所述小臂与中间臂铰接，铰链轴线与地面平行；
所述铣挖头与小臂铰接，铰链轴线与地面平行；
所述大臂连杆Ⅰ的一端与底座铰接，大臂连杆Ⅱ的一端与大臂铰接，大臂连杆Ⅰ和大臂连杆Ⅱ铰接，底座、大臂、大臂连杆Ⅰ和大臂连杆Ⅱ构成双摇杆机构；
所述铣挖头连杆Ⅰ与小臂铰接，铣挖头连杆Ⅱ与铣挖头铰接，铣挖头连杆Ⅰ和铣挖头连杆Ⅱ铰接，小臂、铣挖头、铣挖头连杆Ⅰ和铣挖头连杆Ⅱ构成双摇杆机构；
所述大臂油缸的两端分别与底座和大臂连杆Ⅰ铰接；
所述中间臂油缸的两端分别与大臂和中间臂铰接；
所述小臂油缸的两端分别与中间臂和小臂铰接；
所述铣挖头油缸的一端与小臂铰接，另一端与挖头连杆Ⅰ和铣挖头连杆Ⅱ的铰链铰接；
所述回转驱动固定在主机架上，通过齿轮副驱动底座相对于主机架实现±90°回转；
所述角位移传感器Ⅰ用于采集大臂与底座之间的角度值；
所述角位移传感器Ⅱ用于中间臂与大臂之间的角度值；
所述角位移传感器Ⅲ用于采集小臂与中间臂之间的角度值；
所述角位移传感器Ⅳ用于采集铣挖头与小臂之间的角度值；
所述距离传感器Ⅰ用于采集大臂油缸的伸长量；
所述距离传感器Ⅱ用于采集中间臂油缸的伸长量；
所述距离传感器Ⅲ用于采集小臂油缸的伸长量；
所述距离传感器Ⅳ采集铣挖头油缸的伸长量；
所述智能截割控制系统在手动完成对刀后接收角位移传感器Ⅰ、角位移传感器Ⅱ、角位移传感器Ⅲ和角位移传感器Ⅳ的初始值θ 10 、θ 20 、θ 30 、θ 40 ，根据公式计算铣挖头相对于机身坐标系的初始位置坐标（X 0 ,Y 0 ），通过查表读取大臂油缸、中间臂油缸、小臂油缸、铣挖头油缸的伸长量，根据向上、向下、向左、向右的截割指令，智能截割控制系统控制油缸自动伸缩，从而实现自动开槽；
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中：L 1 为大臂长度；
L 2 为中间臂长度；
L 3 为小臂长度；
L 4 为铣挖头长度；
H为大臂与底座的铰点距离设备底面的高度；
X 0 和Y 0 四舍五入取非负整数；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表中，m为智能化巷道开槽机器人适应的最大巷道宽度的1/2，单位与X 0 相同；
n为智能化巷道开槽机器人适应的最大巷道断面高度，单位与Y 0 相同；
p=1，2，3，4，p=1时为大臂油缸的伸长量，p=2时为中间臂油缸的伸长量，p=3时为小臂油缸的伸长量，p=4时为铣挖头油缸的伸长量。
2.根据权利要求1所述的智能化巷道开槽机器人，其特征在于，所述大臂连杆Ⅰ、大臂连杆Ⅱ和大臂油缸均为两套，分别布置于大臂两侧；
所述铣挖头连杆Ⅰ为两个，分别布置于小臂两侧。
3.根据权利要求2所述的智能化巷道开槽机器人，其特征在于，稳定支撑系统包括4个相同的支撑腿组件，分别安装在主机架的四角；
所述支撑腿组件包括支撑腿、支撑腿座、支撑油缸和伸展油缸；
所述支撑腿与支撑腿座铰接，铰链轴线与地面平行；
所述支撑腿座与主机架铰接，铰链轴线与地面垂直；
所述支撑油缸的两端分别与支撑腿座和支撑腿铰接；
所述伸展油缸的两端分别与主机架和支撑腿座铰接。
4.根据权利要求3所述的智能化巷道开槽机器人，其特征在于，所述主机架包括通过螺栓连接的前机架、中间架和后机架；
所述截割部设置在前机架上；
所述驾驶室设置在中间架上
所述动力总成设置在后机架上。
5.根据权利要求4所述的智能化巷道开槽机器人，其特征在于，动力总成包括防爆发动机系统和液压系统；
所述防爆发动机输出动力，驱动液压泵，为液压系统提供动力；
所述液压系统通过马达和减速机驱动行走部行走，为整机行走提供行走动力，同时为截割部和稳定支撑系统的油缸提供液压油源。
6.根据权利要求1所述的智能化巷道开槽机器人，其特征在于， 所述智能截割控制系统集成在遥控发射机中。
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