CN112012756B - 一种煤矿巷道智能掘进机器人控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿巷道智能掘进机器人控制系统，包括导航导向系统、状态感知系统、虚拟现实系统、环境监测系统、协同控制系统以及并行控制系统；机掘进器人系统启动后，通过电液控制平台启动各系统，并使所有机器人处于待工作状态，确定周围工作环境安全后，控制子机器人系统之间协同作业和并行作业，并实时采集设备及环境状态信息，建立伺服闭环控制系统，实现掘进机器人系统的智能掘进。本发明在提高煤矿设备机械化、智能化同时，减少井下综采工作面人员数量，结合人工干预的方式遥控或远程操控掘进机器人系统，能够真正实现各子机器人系统之间协同作业、并行作业以及快速高效开采的目标。
Description
技术领域
本发明涉及机器人智能控制领域，具体涉及一种煤矿巷道智能掘进机器人控制系统。
背景技术
煤矿巷道智能掘进机器人系统是近年发展起来的一种煤矿快速开采方法，目前，现有的掘进系统中依然采用人工操作的方式利用机器人完成相应的作业，由此造成的工人劳动强度大、工作环境对人影响严重以及工作效率低的缺点日益严重。
传统的掘进工艺一般由截割落煤、刮板运煤、临时支护、锚网运输、永久支护等工艺组成，且截割和支护通常以串行的方式进行，各工序之间往往需要多人协同作业，因此耗时较长，掘支工作压力大，而且自动化程度低，具有较大的施工危险性。
针对上述缺点，提出一种煤矿巷道智能掘进机器人控制系统，协同控制各子机器人系统之间有序进行掘、支、锚等作业，并且同时使机器人之间在不干涉的前提下并行作业，提高掘进效率的同时大大减少了对人员的劳动强度，改善了井下设备操作的规范性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种煤矿巷道智能掘进机器人控制系统。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种煤矿巷道智能掘进机器人控制系统，包括：
导航导向系统，由数字全站仪+惯性测量单元组成，首先利用惯性测量单元(AHRS、IMU)采集机器人系统位移信息及方向角的变化，实现基于航迹推理算法的相对定位，然后结合数字全站仪采集机器人系统位姿信息，对惯性测量单元所采集数据进行修正，将最终结果传输至电液控制平台并显示，以实时确定机器人系统位姿；
状态感知系统，用于实现掘进机器人系统工作状态检测和故障预测；
虚拟现实系统，用于实现掘进机器人系统掘进信息、姿态信息、位置信息等的虚实同步，并将巷道成巷情况、截割路线显示到远程监控系统截面，实现机器人工作运动状态的可视化监控；
环境监控系统，用于实现掘进机器人系统周围环境信息的实时采集；
协同控制系统，用于实现掘进机器人系统各子系统的协同作业、互不干涉，各子机器人系统的控制器均通过can总线连接到电液控平台，由电液控平台负责各机器人信息的接收和任务的协调，电液控平台首先通过总线通知临时支护机器人进行支护，然后通知截割机器人开始控制截割臂自主截割并实时接收各机器人的工作状态，检测机器人工作进度以及异常；各子机器人系统之间通过总线通讯，当截割机器人和钻机器人工作时，使推进系统只起到支撑不推进的作用，截割工作完成后，推进系统方可开始推进，即形成相互约束的功能；当钻锚机器人正在进行做毛作业时，控制锚网运输机器人停止取网机械臂工作，待钻锚结束后，方可开始运输锚网；钻锚作业由顶板钻机和侧帮钻机完成，按照工艺，控制各钻机之间协同工作，避免干涉及碰撞；当监测到截割一个截距完成且复位时，通知临时支护机器人开始推进与姿态调整，并监测各机器人的状态，工作进度以及异常；
并行控制系统，用于实现掘进机器人系统部分子系统的并行作业，电液控平台首先通过总线通知临时支护机器人进行支护，同时控制截割机器人与钻锚机器人开始作业，并检测截割机器人是否完成一个截距的掘金任务和钻锚机器人是否完成一个截距的钻锚任务；钻锚时，按照工艺要求，在钻机互不干涉情况下，同时控制侧帮钻机和顶板钻机进行钻锚作业，提高掘进机器人系统工作效率。
进一步地，所述状态感知系统通过电流、功率等传感器对机器人工作安全参数信息进行检测，利用过压、过流等手段保护设备运行安全；通过转速、压力、编码器、限位开关等传感器检测设备的工作状态及运行参数信息，回传至电液控平台并显示，建立闭环控制系统，提高设备健康生命周期，避免井下危险事故的发生。
进一步地，所述虚拟现实系统包括地面监控设备、井下检测系统、通讯系统，通过电液控制平台控制掘进机器人系统的井下检测系统采集机器人系统相关位姿及状态信息，通过通讯系统采用有线+无线的方式将传感系统采集信息传输到地面监控设备，模拟井下巷道掘进情况，保证机器人工作运动状态的可视化监控。
进一步地，所述环境监控系统包括气体检测系统、风量检测系统和图像检测系统，气体检测系统包括瓦斯、一氧化碳、氧气等气体传感器，避免有害气体浓度过高造成事故；风量检测系统用于实现工作面风量、出风口和进风口风量的检测，改善工作面环境；图像检测系统通过摄像头监视巷道情况、掘进姿态及轨迹、钻机运行状态、锚网储存情况等，保证掘进工作快速高效的进行。
本发明在提高煤矿设备机械化同时，可以减少井下综采工作面人员数量，采用人工干预的方式操控掘进机器人系统，能够真正实现设备之间互补干涉、巷道快速高效开采的目标，在复杂巷道环境条件下依然能够满足工艺需求，安全完成掘进任务。
附图说明
图1为智能掘进机器人系统的机械本体结构图
图2为智能掘进机器人系统总体控制方案框图。
图3为截割机器人结构图。
图4为截割机器人控制系统框图。
图5为临时支护机器人控制系统框图。
图6为钻锚机器人结构图.
图7为钻锚机器人控制系统框图。
图8为锚网运输机器人的结构图。
图9为锚网运输机器人控制系统框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例中的智能掘进机器人系统包括截割机器人1、临时支护机器人2、钻锚机器人3、锚网运输机器人4、电液控制平台5、通风除尘系统6和运输系统7，其中，截割机器人1与临时支护机器人2的前部刚性连接，临时支护机器人2中包括支撑液压缸和推移液压缸，临时支护机器人2、钻锚机器人3、锚网运输机器人4、电液控制平台5采用万向节连接，其中钻锚机器人3、锚网运输机器人4、电液控制平台5底部为滑靴结构；智能掘进机器人系统工作时，首先控制临时支护机器人2中的支撑油缸增压，截割机器人1和钻锚机器人3同时开始工作，待工作完成后，临时支护机器人2中前部支撑油卸压，同时控制推移油缸工作，将截割机器人1和临时支护机器人2前部向前推进，其次，控制临时支护机器人2中前部支撑油缸再次增压，临时支护机器人2中后部支撑油缸卸压，并控制临时支护机器人2中推移油缸缩进，牵引临时支护机器人2后部及所剩设备前移，待缩进结束，控制临时支护机器人2后部支撑油缸增压，开始再一次的截割机器人1和钻锚机器人3作业，实现循环作业。
如图2所示，本实施例的一种煤矿巷道智能掘进机器人控制系统，包括导航导向系统、状态感知系统、虚拟现实系统、环境监测系统、协同控制系统以及并行控制系统，当机掘进器人系统启动后，通过电液控制平台启动导航导向系统、状态感知系统、虚拟现实系统、环境监测系统、协同控制系统以及并行控制系统，并使所有机器人处于待工作状态，确定周围工作环境安全后，控制子机器人系统之间协同作业和并行作业，并实时采集设备及环境状态信息，建立闭环伺服控制系统，实现机器人系统的智能掘进。其中：
导航导向系统：由数字全站仪+惯性测量单元组成，首先利用惯性测量单元(AHRS、IMU)采集机器人系统位移信息及方向角的变化，实现基于航迹推理算法的相对定位，然后结合数字全站仪采集机器人系统位姿信息，对惯性测量单元所采集数据进行修正，将最终结果传输至电液控制平台并显示，以实时确定机器人系统位姿；
状态感知系统：用于实现掘进机器人系统工作状态检测和故障预测，由电流、功率等传感器对机器人工作安全参数信息进行检测，并且利用过压、过流等手段保护设备运行安全；利用转速、压力、编码器、限位开关等传感器检测设备的工作状态及运行参数信息，回传至电液控平台并显示，建立闭环控制系统，提高设备健康生命周期，避免井下危险事故的发生；
虚拟现实系统：用于实现掘进机器人系统掘进信息、姿态信息、位置信息等的虚实同步，并将巷道成巷情况、截割路线显示到远程监控系统截面；主要包括地面监控设备、井下检测系统、通讯系统，通过电液控制平台控制掘进机器人系统的井下检测系统采集机器人系统相关位姿及状态信息，通过通讯系统采用有线+无线的方式将传感系统采集信息传输到地面监控设备，模拟井下巷道掘进情况，保证机器人工作运动状态的可视化监控。
环境监控系统：用于实现掘进机器人系统周围环境信息的实时采集，主要分为气体检测系统、风量检测系统、图像检测系统，气体检测系统包括瓦斯、一氧化碳、氧气等气体传感器，避免有害气体浓度过高造成事故；风量检测系统包括对工作面风量、出风口和进风口风量的检测，改善工作面环境；图像检测系统由摄像头等组成，通过摄像头监视巷道情况、掘进姿态及轨迹、钻机运行状态、锚网储存情况等，保证掘进工作快速高效的进行。
协同控制系统：用于实现掘进机器人系统各子系统的协同作业、互不干涉，各子机器人系统的控制器均通过can总线连接到电液控平台，由电液控平台负责各机器人信息的接收和任务的协调，电液控平台首先通过总线通知临时支护机器人进行支护，然后通知截割机器人开始控制截割臂自主截割并实时接收各机器人的工作状态，检测机器人工作进度以及异常；各子机器人系统之间通过总线通讯，当截割机器人和钻机器人工作时，使推进系统只起到支撑不推进的作用，截割工作完成后，推进系统方可开始推进，即形成相互约束的功能；当钻锚机器人正在进行做毛作业时，控制锚网运输机器人停止取网机械臂工作，待钻锚结束后，方可开始运输锚网；钻锚作业由顶板钻机和侧帮钻机完成，按照工艺，控制各钻机之间协同工作，避免干涉及碰撞；当监测到截割一个截距完成且复位时，通知临时支护机器人开始推进与姿态调整，并监测各机器人的状态，工作进度以及异常。
并行控制系统：用于实现掘进机器人系统部分子系统并行作业，各子机器人系统的控制器均通过can总线技术连接到电液控平台，由电液控平台负责各机器人信息的接收和任务的协调，电液控平台首先通过总线通知临时支护机器人进行支护，同时控制截割机器人与钻锚机器人开始作业，并检测截割机器人是否完成一个截距的掘金任务和钻锚机器人是否完成一个截距的钻锚任务；钻锚时，按照工艺要求，在钻机互不干涉情况下，同时控制侧帮钻机和顶板钻机进行钻锚作业，提高掘进机器人系统工作效率。
具体的：
如图4所示，本发明实施例的截割机器人控制系统以工业IPC为核心，包括传感检测系统、液压伺服控制系统、电控系统、通信系统等，具有本地控制、遥控和远程控制功能；控制指令通过电液控平台、本地控制等方式作用到截割机器人液压伺服系统，配合速度、电流、位移、视觉等传感器检测截割臂掘进工作状态，构成截割机器人截割部的闭环控制系统，同时利用瓦斯检测仪、风速检测仪以及透尘摄像头等装置对机器人工作环境进行采集，确保截割部截割工作的安全，且通过闭环控制能够实现定向掘进以及截割断面自动成形控制。
如图5所示，本实施例的临时支护机器人控制系统以工业IPC为核心，包括传感检测系统、液压伺服控制系统、电控系统、通信系统等；具有本地控制、遥控和远程控制功能；控制指令可通过电液控平台、本地控制等于IPC进行总线通讯，结合液压伺服系统是新临时支护机器人闭环支护控制和推进控制，同时利用传感设备、检测设备以及摄像头等装置对机器人工作状态和环境进行反馈，形成液压缸组的闭环控制系统，采用惯导+数字数全站仪实现快速掘进机器人系统精确定位，提供准确的行进信息，并且通过对推进液压缸的分区控制可实现掘进机器人系统的自主行走及纠偏功能。
如图6所示，所述钻锚机器人3上设有顶板钻机31、护盾机构32、滑靴结构33、侧帮钻机34、链条式送网机构35，如图7所示，钻锚机器人控制系统以工业IPC为核心，包括传感检测系统、液压伺服控制系统、电控系统、通信系统等；具有本地控制、遥控和远程控制功能；可通过电液控平台、本地操控与IPC进行总线通讯，实现单个钻机独立控制和钻机成组控制功能；同时利用传感设备、检测设备以及摄像头等装置对钻机工作时的状态和环境进行反馈，控制钻机伸缩、移动、旋转等，形成钻机的闭环控制系统，能够实现钻机位姿精确调整。还包括送往机构和护盾机构的闭环系统，对其顶部链条式送网机构进行启停控制，完成锚网前移工作，待锚网运输至工作位后，控制其顶部和侧帮的护盾机构将锚网顶死，防止滑动，最后控制各个钻机开始钻锚作业，保证钻锚作业的高精准性和高效性。
如图8所示，所述锚网运输机器人4上安装有双向取网机械臂41和锚网库42，如图9所示，锚网运输机器人控制系统以工业IPC为核心，包括传感检测系统、液压伺服控制系统、电控系统、通信系统等；具有本地控制、遥控和远程控制功能；可分别通过电液控平台、本地控制等方式与IPC进行总线通讯，基于液压伺服系统控制双向取网机械臂完成取网作业，同时利用传感设备、检测设备以及摄像头等装置对取网机械臂工作状态和环境进行反馈，建立取网机械臂的闭环控制系统，实现上网作业的智能化。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (4)
1.一种煤矿巷道智能掘进机器人控制系统，其特征在于：包括：
导航导向系统，由数字全站仪+惯性测量单元组成，首先利用惯性测量单元采集机器人系统位移信息及方向角的变化，实现基于航迹推理算法的相对定位，然后结合数字全站仪采集机器人系统位姿信息，对惯性测量单元所采集数据进行修正，将最终结果传输至电液控制平台并显示，以实时确定机器人系统位姿；
状态感知系统，用于实现掘进机器人系统工作状态检测和故障预测；
虚拟现实系统，用于实现掘进机器人系统掘进信息、姿态信息、位置信息的虚实同步，并将巷道成巷情况、截割路线显示到远程监控系统截面，实现机器人工作运动状态的可视化监控；
环境监控系统，用于实现掘进机器人系统周围环境信息的实时采集；
协同控制系统，用于实现掘进机器人系统各子系统的协同作业、互不干涉，各子机器人系统的控制器均通过can总线连接到电液控平台，由电液控平台负责各机器人信息的接收和任务的协调，电液控平台首先通过总线通知临时支护机器人进行支护，然后通知截割机器人开始控制截割臂自主截割并实时接收各机器人的工作状态，检测机器人工作进度以及异常；各子机器人系统之间通过总线通讯，当截割机器人和钻机器人工作时，使推进系统只起到支撑不推进的作用，截割工作完成后，推进系统方可开始推进，即形成相互约束的功能；当钻锚机器人正在进行做毛作业时，控制锚网运输机器人停止取网机械臂工作，待钻锚结束后，方可开始运输锚网；钻锚作业由顶板钻机和侧帮钻机完成，按照工艺，控制各钻机之间协同工作，避免干涉及碰撞；当监测到截割一个截距完成且复位时，通知临时支护机器人开始推进与姿态调整，并监测各机器人的状态，工作进度以及异常；
并行控制系统，用于实现掘进机器人系统部分子系统的并行作业，电液控平台首先通过总线通知临时支护机器人进行支护，同时控制截割机器人与钻锚机器人开始作业，并检测截割机器人是否完成一个截距的掘进任务和钻锚机器人是否完成一个截距的钻锚任务；钻锚时，按照工艺要求，在钻机互不干涉情况下，同时控制侧帮钻机和顶板钻机进行钻锚作业，提高掘进机器人系统工作效率。
2.如权利要求1所述的一种煤矿巷道智能掘进机器人控制系统，其特征在于：所述状态感知系统通过传感器对机器人工作安全参数信息进行检测，利用过压、过流手段保护设备运行安全；通过传感器检测设备的工作状态及运行参数信息，回传至电液控平台并显示，建立闭环控制系统，提高设备健康生命周期，避免井下危险事故的发生。
3.如权利要求1所述的一种煤矿巷道智能掘进机器人控制系统，其特征在于：所述虚拟现实系统包括地面监控设备、井下检测系统、通讯系统，通过电液控制平台控制掘进机器人系统的井下检测系统采集机器人系统相关位姿及状态信息，通过通讯系统采用有线+无线的方式将传感系统采集信息传输到地面监控设备，模拟井下巷道掘进情况，保证机器人工作运动状态的可视化监控。
4.如权利要求1所述的一种煤矿巷道智能掘进机器人控制系统，其特征在于：所述环境监控系统包括气体检测系统、风量检测系统和图像检测系统，气体检测系统包括气体传感器，避免有害气体浓度过高造成事故；风量检测系统用于实现工作面风量、出风口和进风口风量的检测，改善工作面环境；图像检测系统通过摄像头监视巷道情况、掘进姿态及轨迹、钻机运行状态、锚网储存情况，保证掘进工作快速高效的进行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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