CN112012775A - 一种履带式龙门钻锚机器人 - Google Patents

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CN112012775A CN202010690932.9A CN202010690932A CN112012775A CN 112012775 A CN112012775 A CN 112012775A CN 202010690932 A CN202010690932 A CN 202010690932A CN 112012775 A CN112012775 A CN 112012775A
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薛旭升
王川伟
赵昊
梁林
高佳晨
姚阳
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Abstract

本发明涉及机械技术领域，具体涉及一种履带式龙门钻锚机器人，包括机器人机体、侧帮钻锚机构及顶板钻锚机构；所述机器人机体包括履带行走机构、液压升降机构、清浮煤机构、辅助折叠踏板机构、顶锚网机构、机架及相关配套部件；所述侧帮钻锚机构包括左帮锚钻机和右帮锚钻机，分别安装于煤矿钻锚机器人前端的左右两侧；所述顶板钻锚机构包括左顶钻机组件和右顶钻机组件；本发明的钻锚机器人集钻、锚于一体，能够在最短的工时，完成钻锚作业，提高钻锚效率。

Description

一种履带式龙门钻锚机器人
技术领域
本发明涉及机械领域，具体涉及一种履带式龙门钻锚机器人。
背景技术
当今矿业研究的热点和难点是具有智能化的快速的井下快速钻锚支护设备。其中，保证钻锚机器人能够在具有多个设备的巷道中间穿梭，并且不碰触到煤壁，并能进行精确实时的定位，并打钻实现自动化钻孔，是煤矿行业研究的一个重要方向。因此，对钻锚机器人进行研究具有非常重要的现实意义。
锚杆钻机是地面锚固工程中的关键设备，直接影响着巷道掘进的进度和质量。现如今煤矿井下钻锚设备大多是单腿气动式、单腿液压式、机载液压锚杆钻机以及掘锚一体机等等，这些种类的钻锚设备存在很多缺陷，制约着锚杆支护效率。本专利介绍了目前煤矿井下锚杆支护设备的发展现状，在此基础上，研究煤矿井下自动钻锚系统，实现煤矿井下钻锚系统的自动化，这对提高煤矿井下掘进、支护效率以及煤炭的供应量有非常重要的意义。
主流的三种钻锚设备均为开放式，工人始终受到冒顶的风险，因此研究一种框架式经济型的钻锚机器人就非常有意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种履带式龙门钻锚机器人，其集钻、锚于一体，能够在最短的工时，完成钻锚作业，提高钻锚效率。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种履带式龙门钻锚机器人，包括机器人机体、侧帮钻锚机构及顶板钻锚机构；
所述机器人机体包括履带行走机构、液压升降机构、清浮煤机构、辅助折叠踏板机构、顶锚网机构、机架及相关配套部件；
履带行走机构安装于机架的最底端，左、右两侧各一个，用于为机器人提供行驶动力；
液压升降机构安装于履带行走机构的前后两端，用于顶起整个机器人机身；
清浮煤机构通过螺栓安装与机架的两侧，位于履带行走机构前端，可根据需要通过互换改变排煤方向，默认成内八字排布，把刮下的煤导向外侧，若地板起伏较大，浮煤较则改为外八字安装，可把浮煤导向内侧，方便清理，包括L形支架和通过沉孔螺栓安装在L形支架前端的硬质合金铲刃；
顶锚网机构采用镂空井字形结构，通过弹簧和支架安装于机架上顶端，用于实现对顶板的自适应压紧贴合，且进过校核满足结构强度，不影响打锚杆和锚索；
所述侧帮钻锚机构包括左帮锚钻机和右帮锚钻机，分别安装于煤矿钻锚机器人前端的左右两侧；
左帮锚钻机包括上下滑轨、旋转机构、钻锚机，上下滑轨位于机架内侧壁，通过沉孔螺栓固定，通过链传动和轨道引导钻机上下移动；旋转机构一端通过液压马达与上下滑轨上的滑块相连，另一端与钻锚机连接，可以绕液压马达180度旋转，在待机或停机时，可以将侧帮钻机竖直放置，节省空间，防止碰撞；
所述顶板钻锚机构包括左顶钻机组件和右顶钻机组件；
左顶钻机组件包括上左右滑轨架、上滑块、左旋转机构和左钻机，上左右滑轨架位于机体的前端，起到连接左钻机和机体的作用，同时为左钻机左右移动提供轨道，两端为开放式，端面有限位卡扣，防止滑块完全脱离轨道；上滑块卡在上左右滑轨架内，通过链传动带动左钻机左右移动；左旋转机构连接上滑块和左钻机，安装在上滑块的外侧，用于带动左钻机绕旋转中心90度旋转，以完成一些带倾斜的顶部锚杆和锚索；
右顶钻机组件包括下左右滑轨架、下滑块、右旋转机构和右钻机，下左右滑轨架位于机体的前端，起到连接右钻机和机体的作用，同时为右钻机左右移动提供轨道，两端为开放式，端面有限位卡扣，防止滑块完全脱离轨道；下滑块卡在下左右滑轨架内，通过链传动带动右钻机左右移动；右旋转机构连接下滑块和右钻机，安装在下滑块的外侧，用于带动右钻机绕旋转中心90度旋转，以完成一些带倾斜的顶部锚杆和锚索。
进一步地，相关配套部件包含液压泵站、电液控集成箱、控制器、传感器、遥控器和线管耗材等，液压泵站的数量为两台，两侧的履带行走机构上方各一台，通过电机带动，为机器人带来液压动力；电液控集成箱位于左侧液压泵站旁，接入后方电缆，进行分压给各个用电器供电并提供安全保护；控制器和传感器、遥控器共同完成机器人的智能控制和系统状态监视。
进一步地，所述机架为龙门型，为机器人主体框架。
进一步地，所述机架两侧对称开设有用于安装清浮煤机构的螺栓孔，通过对接的螺栓孔的改变，可以实现清浮煤机构高度的调节。
进一步地，所述上左右滑轨架、下左右滑轨架平行设置。
进一步地，左钻机旋转中心偏上，右钻机旋转中心偏下，以错开轨道，通过坐标系变换和正逆运动求解调整两台钻机的控制量。
进一步地，所述传感器包括压力传感器、旋转编码器、双目视觉传感器和行程限位开关，电液控集成箱内集成压力传感器、变频器、液压泵、数字电磁阀和油箱，旋转编码器两侧对称，左侧同样位置也布置3个，共6个；行程限位开关为对称分布，共10个；双目视觉摄像头布置在钻机扶钻器上，每个钻机各1个，共4个，用于自动对钻。
进一步地，所述控制器内载机器人控制系统，包括设备操控模块、环境监测模块、上位机监控模块、导航导向模块、故障监测模块、液压驱动模块、传感检测模块、通讯模块以及液压阀组；其中设备操控由本地机载控制、遥控控制和远程控制组成，通过通讯模块工业IPC可将控制信息、环境信息、导航信息以及机器人本身状态信息实时显示以供工人监控，同时搭配故障诊断系统保证机器工作安全并延长生命周期。
本发明的钻锚机器人集钻、锚于一体，能够在最短的工时，完成钻锚作业，提高钻锚效率；
该钻锚机器人能够与传统悬臂式掘进机协同作业，发挥各自最大优势，提高掘进效率，并且具有自主行走、精确定位、远程控制等功能，同时具有人机协同掘进、布网、钻孔、锚固等功能。
运用了计算机、传感器和新材料等诸多新技术，对有效解决复杂地质条件下掘锚不平衡的难题具有重要意义，可促进掘锚设备的快速发展。
附图说明
图1为本发明实施例一种履带式龙门钻锚机器人的整体结构示意图。
图2为本发明实施例中机器人机体的结构示意图。
图3为本发明实施例中侧帮钻锚机构的结构示意图。
图4为本发明实施例中顶板钻锚机构的结构示意图。
图5为本发明实施例中传感器的安装位置示意图。
图6为本发明实施例中的传感器、旋转编码器等与控制器的连接框图。
图7为本发明实施例中的控制系统的控制原理图。
图8为本发明实施例的钻锚流程图。
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-图4所示，本发明实施例提供了一种履带式龙门钻锚机器人，包括机器人机体1、侧帮钻锚机构2及顶板钻锚机构3；
所述机器人机体1包括履带行走机构101、液压升降机构102、清浮煤机构103、辅助折叠踏板机构104、顶锚网机构105、机架106及相关配套部件；
履带行走机构101安装于机架106的最底端，左、右两侧各一个，用于为机器人提供行驶动力；
液压升降机构102安装于履带行走机构101的前后两端，用于顶起整个机器人机身；当钻锚机器人工作时，液压升降机构把机器人整个机身顶起，使机架106顶部与煤矿巷道顶板接触，形成一个稳定框架，为钻锚做准备；
清浮煤机构103通过螺栓安装与机架106的两侧，位于履带行走机构101前端，可根据需要通过互换改变排煤方向，默认成内八字排布，把刮下的煤导向外侧，若地板起伏较大，浮煤较多则改为外八字安装，可把浮煤导向内侧，方便清理，括L形支架和通过沉孔螺栓安装在L形支架前端的硬质合金铲刃；硬质合金铲刃磨损后可更换，一般铲刃与履带高度平齐，通过履带行走带动，清理不平底板，将多余的浮煤导向两边，来避免钻锚机器人倾斜；
顶锚网机构105采用镂空井字形结构，通过弹簧和支架安装于机架106上顶端，用于实现对顶板的自适应压紧贴合，且进过校核满足结构强度，不影响打锚杆和锚索；
所述侧帮钻锚机构2包括左帮锚钻机21和右帮锚钻机22，分别安装于煤矿钻锚机器人前端的左右两侧；
左帮锚钻机21包括上下滑轨211、旋转机构212、钻锚机213，上下滑轨211位于机架内侧壁，通过沉孔螺栓固定，通过链传动和轨道引导钻机上下移动；旋转机构212一端通过液压马达与上下滑轨211上的滑块相连，另一端与钻锚机213连接，可以绕液压马达180度旋转，在待机或停机时，可以将侧帮钻机竖直放置，节省空间，防止碰撞；
所述顶板钻锚机构3包括左顶钻机组件31和右顶钻机组件32；
左顶钻机组件31包括上左右滑轨架310、上滑块311、左旋转机构312和左钻机313，上左右滑轨架310位于机体的前端，起到连接左钻机和机体的作用，同时为左钻机左右移动提供轨道，两端为开放式，端面有限位卡扣，防止滑块完全脱离轨道；上滑块311卡在上左右滑轨架310内，通过链传动带动左钻机左右移动；左旋转机构312连接上滑块311和左钻机313，安装在上滑块311的外侧，用于带动左钻机313绕旋转中心90度旋转，以完成一些带倾斜的顶部锚杆和锚索；
右顶钻机组件32包括下左右滑轨架、下滑块、右旋转机构和右钻机，上左右滑轨架310、下左右滑轨架平行设置，下左右滑轨架位于机体的前端，起到连接右钻机和机体的作用，同时为右钻机左右移动提供轨道，两端为开放式，端面有限位卡扣，防止滑块完全脱离轨道；下滑块卡在下左右滑轨架内，通过链传动带动右钻机左右移动；右旋转机构连接下滑块和右钻机，安装在下滑块的外侧，用于带动右钻机绕旋转中心90度旋转，以完成一些带倾斜的顶部锚杆和锚索。
本实施例中，相关配套部件包含液压泵站、电液控集成箱、控制器、传感器、遥控器和线管耗材等，液压泵站的数量为两台，两侧的履带行走机构101上方各一台，通过电机带动，为机器人带来液压动力；电液控集成箱位于左侧液压泵站旁，接入后方电缆，进行分压给各个用电器供电并提供安全保护；控制器和传感器、遥控器共同完成机器人的智能控制和系统状态监视。
本实施例中，所述机架106为龙门型，为机器人主体框架。
本实施例中，所述机架106两侧对称开设有用于安装清浮煤机构103的螺栓孔，通过对接的螺栓孔的改变，可以实现清浮煤机构103高度的调节。
本实施例中，左钻机313旋转中心偏上，右钻机旋转中心偏下，以错开轨道，通过坐标系变换和正逆运动求解调整两台钻机的控制量。
如图5-6所示，本实施例中，所述传感器包括压力传感器、旋转编码器、双目视觉传感器、行程限位开关和测距传感器，电液控集成箱内集成压力传感器、变频器、液压泵、数字电磁阀和油箱，压力传感器共2组，1组包含4个传感器，其中1组安装在支地柱的液压管路上，另外1组在4台钻机的液压管路上，以上传感器均分安装在两侧电液控集成箱内，左右各一半。旋转编码器分别安装在履带的旋转马达上、顶部钻机的旋转马达上及侧帮钻机的旋转马达上，两侧对称，左侧同样位置也布置3个，共6个；行程限位开关为对称分布，共10个，图中标出的5个分别在侧帮钻机轨道底端、侧帮钻机头滑动轨道上底端的扶钻器上、顶部钻机与右端顶部钻机相对的面上、顶部钻机头滑动轨道上底端的扶钻器上、侧帮钻机头滑动轨道上底端的扶钻器上、顶部钻机滑动轨道末端；双目视觉摄像头布置在钻机扶钻器底座上，每个钻机各1个，共4个，用于自动对钻；测距传感器共有4组，每组2个，各分布于机体2侧，分别位于2侧踏板下方(检测前方距离)、2侧踏板下方(检测外侧煤壁距离)、后方立柱正上方机体外侧(检测外侧煤壁距离)、后方立柱正上方机体外侧(检测后方距离)。
如图7所示，本实施例中，所述控制器内载机器人控制系统，包括设备操控模块、环境监测模块、上位机监控模块、导航导向模块、故障监测模块、液压驱动模块、传感检测模块、通讯模块以及液压阀组；其中设备操控由本地机载控制、遥控控制和远程控制组成，通过通讯模块工业IPC可将控制信息、环境信息、导航信息以及机器人本身状态信息实时显示以供工人监控，同时搭配故障诊断系统保证机器工作安全并延长生命周期。
如图8所示，本具体实施钻锚时，将原本一个工位的支护分为两个工位进行临时支护和永久支护，每个进尺的支护流程方法均相同；对任一个进尺进行支护时，包括以下步骤：
步骤一、煤矿钻锚机器人钻机装置的检查及初始化：通过控制器判断与各传感器信号均正常时，煤矿钻锚机器人检查及初始化完毕；
步骤二、钻锚机器人的前移：通过控制器驱动履带行走机构前进，通过2个旋转编码器计算前进的位置，到达预定的第一工位，同时8个测距传感器控制钻锚机器人与两侧煤壁和掘进机的相对位置，避免碰撞；
步骤三、人工将锚网架到钻锚机器人顶上；
步骤四、钻杆和锚杆的安装：
步骤401、机器人的4个钻机在控制器的控制下通过链条传动到达预定钻孔位置，通过系统自带的液压马达伺服系统停在预先计算的位置，4个钻机的的打孔步骤都相同，且同时工作，在收到行程限位开关信号时也停止移动，防止碰撞造成损坏，根据控制器2设定的角度驱动钻机上的液压马达旋转到指定角度；
步骤402、人工装上的钻杆后，控制器2控制钻机的进给机构带动钻机和钻杆进给完成打孔。
步骤403、人工装上的锚杆后，控制器2控制钻机的进给机构带动钻机和锚杆进给完成锚杆安装；
步骤404、人工装上的螺母后，控制器2控制钻机的进给机构带动钻机和螺母进给拧紧锚杆。
步骤五、各钻机多次完成步骤四，完成该支护位置的锚网支护；
步骤六、多次重复完成步骤二至步骤四，完成下一待支护位置的锚网支护。
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 (8)

1.一种履带式龙门钻锚机器人，包括机器人机体(1)、侧帮钻锚机构(2)及顶板钻锚机构(3)；其特征在于：
所述机器人机体(1)包括履带行走机构(101)、液压升降机构(102)、清浮煤机构(103)、辅助折叠踏板机构(104)、顶锚网机构(105)、机架(106)及相关配套部件；
履带行走机构(101)安装于机架(106)的最底端，左、右两侧各一个，用于为机器人提供行驶动力；
液压升降机构(102)安装于履带行走机构(101)的前后两端，用于顶起整个机器人机身；
清浮煤机构(103)通过螺栓安装与机架(106)的两侧，位于履带行走机构(101)前端，包括L形支架和通过沉孔螺栓安装在L形支架前端的硬质合金铲刃；
顶锚网机构(105)采用镂空井字形结构，通过弹簧和支架安装于机架(106)上顶端，用于实现对顶板的自适应压紧贴合，且进过校核满足结构强度，不影响打锚杆和锚索；
所述侧帮钻锚机构(2)包括左帮锚钻机(21)和右帮锚钻机(22)，分别安装于煤矿钻锚机器人前端的左右两侧；
左帮锚钻机(21)包括上下滑轨(211)、旋转机构(212)、钻锚机(213)，上下滑轨(211)位于机架内侧壁，通过沉孔螺栓固定，通过链传动和轨道引导钻机上下移动；旋转机构(212)一端通过液压马达与上下滑轨(211)上的滑块相连，另一端与钻锚机(213)连接，可以绕液压马达180度旋转，在待机或停机时，可以将侧帮钻机竖直放置，节省空间，防止碰撞；
所述顶板钻锚机构(3)包括左顶钻机组件(31)和右顶钻机组件(32)；
左顶钻机组件(31)包括上左右滑轨架(310)、上滑块(311)、左旋转机构(312)和左钻机(313)，上左右滑轨架(310)位于机体的前端，起到连接左钻机和机体的作用，同时为左钻机左右移动提供轨道，两端为开放式，端面有限位卡扣，防止滑块完全脱离轨道；上滑块(311)卡在上左右滑轨架(310)内，通过链传动带动左钻机左右移动；左旋转机构(312)连接上滑块(311)和左钻机(313)，安装在上滑块(311)的外侧，用于带动左钻机(313)绕旋转中心90度旋转，以完成一些带倾斜的顶部锚杆和锚索；
右顶钻机组件(32)包括下左右滑轨架、下滑块、右旋转机构和右钻机，下左右滑轨架位于机体的前端，起到连接右钻机和机体的作用，同时为右钻机左右移动提供轨道，两端为开放式，端面有限位卡扣，防止滑块完全脱离轨道；下滑块卡在下左右滑轨架内，通过链传动带动右钻机左右移动；右旋转机构连接下滑块和右钻机，安装在下滑块的外侧，用于带动右钻机绕旋转中心90度旋转，以完成一些带倾斜的顶部锚杆和锚索。
2.如权利要求1所述的一种履带式龙门钻锚机器人，其特征在于：相关配套部件包含液压泵站、电液控集成箱、控制器、传感器、遥控器和线管耗材，液压泵站的数量为两台，两侧的履带行走机构(101)上方各一台，通过电机带动，为机器人带来液压动力；电液控集成箱位于左侧液压泵站旁，接入后方电缆，进行分压给各个用电器供电并提供安全保护；控制器和传感器、遥控器共同完成机器人的智能控制和系统状态监视。
3.如权利要求1所述的一种履带式龙门钻锚机器人，其特征在于：所述机架(106)为龙门型，为机器人主体框架。
4.如权利要求1所述的一种履带式龙门钻锚机器人，其特征在于：所述机架(106)两侧对称开设有用于安装清浮煤机构(103)的螺栓孔，通过对接的螺栓孔的改变，可以实现清浮煤机构(103)高度的调节。
5.如权利要求1所述的一种履带式龙门钻锚机器人，其特征在于：所述上左右滑轨架(310)、下左右滑轨架平行设置。
6.如权利要求1所述的一种履带式龙门钻锚机器人，其特征在于：左钻机(313)旋转中心偏上，右钻机旋转中心偏下，以错开轨道，通过坐标系变换和正逆运动求解调整两台钻机的控制量。
7.如权利要求2所述的一种履带式龙门钻锚机器人，其特征在于：所述传感器包括压力传感器、旋转编码器、双目视觉传感器和行程限位开关，电液控集成箱内集成压力传感器、变频器、液压泵、数字电磁阀和油箱，旋转编码器两侧对称，左侧同样位置也布置3个，共6个；行程限位开关为对称分布，共10个；双目视觉摄像头布置在钻机扶钻器上，每个钻机各1个，共4个，用于自动对钻。
8.如权利要求2所述的一种履带式龙门钻锚机器人，其特征在于：所述控制器内载一机器人控制系统，包括设备操控模块、环境监测模块、上位机监控模块、导航导向模块、故障监测模块、液压驱动模块、传感检测模块、通讯模块以及液压阀组；其中设备操控由本地机载控制、遥控控制和远程控制组成，通过通讯模块工业IPC可将控制信息、环境信息、导航信息以及机器人本身状态信息实时显示以供工人监控，同时搭配故障诊断系统保证机器工作安全并延长生命周期。
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