CN113982662A - 一种煤矿井下智能锚固单元及其动态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锚固单元及控制方法，属于煤矿井下锚杆钻机技术领域，具体是涉及一种煤矿井下智能锚固单元及其动态控制方法。本发明的智能锚固单元主要由工作装置、变幅装置、上杆装置、行走驱动装置、智能感知系统、智能决策系统和动力系统组成。该设备可根据巷道施工图像信息和钻孔施工数据自主判断施工方位和角度，无需人工干预，能够独立完成全断面锚固施工作业，同时回转装置和锚固装置可自主切换，完成钻孔施工、锚固剂输送和锚杆安装全流程作业，设备的适用范围广，作业效率高。

Description

一种煤矿井下智能锚固单元及其动态控制方法

技术领域

本发明涉及一种锚固单元及控制方法，属于煤矿井下锚杆钻机技术领域，具体是涉及一种煤矿井下智能锚固单元及其动态控制方法。

背景技术

目前，随着煤矿井下开挖深度的增加，巷道围岩支护变得越来越重要，国内外工程经验表明，尽管陆续出现了许多新的支护技术，但是锚杆(索)支护仍然是最为经济有效的巷道支护方式，与此同时也是煤矿巷道的主要支护方式，是煤矿实现高产高效生产不可或缺的技术，锚杆(索)施工时孔径通常为30mm，锚杆孔深一般为1.8～2.4m，锚索孔深一般为8～10m，巷道断面通常设置顶板锚杆4～6根，帮部锚杆两侧共6～8根。目前，针对巷道顶板和侧帮的锚杆孔施工需求，国内煤矿普遍采用专用多臂锚杆钻机进行大批量锚杆钻孔施工，配套掘进机施工，施工效率高，能够满足大部分锚杆钻孔施工需求，但施工时需要人工操作，且钻孔方位需根据初始设置要求结合工程施工经验进行调整，人员劳动强度大；同时部分煤矿依靠人工使用单体式气动锚杆钻臂进行施工作业，虽然移动方便灵活，能够完成大部分钻孔施工，但其能力较小且施工范围有限，自动化程度低，安全性能差，同时需要接水、接风、搭设作业平台，且施工困难。

基于此，目前锚杆(索)孔施工主要面临钻孔施工，锚固剂安装和锚杆安装等各工序施工效率不高，无法实现全工序自动化，需要人工辅助操作，安全性能差，同时施工钻孔数量和位置通常依靠人工经验确定，导致部分岩层条件较好的区域施工锚杆密度过大，部分岩层条件较差区域施工密度过小，造成施工材料浪费，同时施工精度不够，不能满足煤矿井下安全高效的钻孔施工要求。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的技术问题，提供了一种智能锚固单元及其动态控制方法，该单元及控制方法可根据巷道施工图像信息和钻孔施工数据自主判断施工方位和角度，无需人工干预，能够独立完成全断面锚固施工作业，同时回转装置和锚固装置可自主切换，完成钻孔施工、锚固剂输送和锚杆安装全流程作业，设备的适用范围广，作业效率高。

为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种煤矿井下用智能锚固单元，包括工作装置、变幅装置、上杆装置、行走驱动装置、智能感知系统、智能决策系统、液压系统和动力系统。所述工作装置通过螺栓与变幅装置相连接，所述变幅装置、上杆装置、智能感知系统、智能决策系统均设置在行走驱动装置上，所述动力系统设置在行走驱动装置后方。其特征在于：

所述工作装置包括机体装置，回转装置、锚固装置、给进装置、齿轮传动装置和锚固剂安装装置；

所述变幅装置包括底座臂，伸缩臂、主推油缸、伺服电机、工作臂、回转减速器；

所述上杆装置包括回转减速器一、底座臂一、工作臂一、工作臂二、工作臂三、工作臂四、给进油缸一、给进油缸二、给进油缸三、伺服电机一和抓手组件。

所述行走驱动装置采用轮式传动，包括4组车轮、4组减速器、4组驱动电机、车体平台和工具仓。

所述智能感知系统包括视觉相机、三维激光雷达、测距传感器、扭矩传感器、转速传感器、拉力传感器、压力传感器、组合定位导航装置。

所述智能决策系统主要包括数据采集单元，数据分析单元和数据输出单元。

所述动力系统包括多个防爆电池、液压泵站、液压阀组。

其中，所述回转装置和锚固装置通过导轨条在机体装置上进行切换，所述给进装置通过链条与齿轮传动装置相连接，所述齿轮传动装置和锚固剂安装装置设置在机体装置上。

其中，所述机体装置包括机座体、4根导轨条、2组圆柱导轨、张紧装置、托板装置、侧推装置、二次给进装置和扶正器。所述机座体通过各连接板进行焊接组成；所述2组圆柱导轨两端通过螺栓固定连接在机座体内；所述4根导轨条通过螺栓安装在机座体上；所述张紧装置安装在机座体前端，并通过转轴与主动轮相连，用于齿轮传动装置的张紧；所述托板装置包括2个圆柱槽、2根导轨条、2个挡块和连接块组成，所述托板装置通过2个圆柱槽在圆柱导轨上来回滑动；所述连接块通过螺栓与齿轮传动装置的链条相连接，并传递动力；所述圆柱槽内设置有自润滑轴承、两端安装有端盖，用于阻挡油渍、颗粒物进入；所述侧推装置包括侧推油缸、防转杆和2组顶块，所述侧推油缸两端通过螺栓固定在机体装置上，缸筒沿缸杆可往复滑动，具有左侧和右侧2个工作位，所述防转杆与侧推油缸相连，可以承受推力，防止缸筒运动过程中转动，所述侧推油缸上设置有2组顶块，2组顶块分别与给2个定位装置保持同一方向上；所述二次给进装置包括底座体一和二次给进油缸，所述底座体一由各连接板焊接组成，主要用于固定机座体，所述二次给进油缸可保证机座体在机座体一上进行往复运动；所述扶正器主要包括主推油缸和扶手组件，所述主推油缸安装在机体装置前端，主推油缸的上下运动实现扶手组件的打开和闭合，并在施工过程中进行钻杆和锚杆的扶正。

其中，所述回转装置包括底座板一、2组导轨座、定位装置、力矩电机一、输出轴一。所述力矩电机一的底座通过螺栓与底座板一相连，同时与输出轴一相连；所述输出轴一通过螺纹固定连接钻杆，完成钻杆钻进施工；所述2组导轨座通过螺栓安装在底座板一下方，并与对应导轨条配合使用；所述定位装置通过弹簧与底座板一前端连接，可在槽内往复滑动并承受弹簧作用力。

其中，所述锚固装置包括底座板一、2组导轨座、定位装置、力矩电机二和输出轴二。所述力矩电机二的底座通过螺栓与底座板一相连，同时与输出轴二相连；所述输出轴二通过六方连接锚杆，完成锚杆钻进施工；所述2组导轨座通过螺栓安装在底座板一下方，并与导轨条配合使用；所述定位装置通过弹簧与底座板一(32)前端连接，可在槽内往复滑动并承受弹簧作用力。

其中，所述给进装置包括底座板二、力矩电机三、输出轴三。所述底座板二通过螺栓安装在机体装置前端下部；所述力矩电机三底座通过螺栓与底座板二相连，同时与输出轴三相连；所述输出轴三与主动轮通过链条相连，传递动力给齿轮传动装置。

其中，所述齿轮传动装置包括主动轮、从动轮、链条、转轴、2组轴承座、4个距离套。所述主动轮和从动轮通过转轴分别与2组轴承座相连并固定，所述链条与主动轮和从动轮相连，并通过主动轮带动进行传动，所述轴承座通过螺栓与机体装置相连，所述4个距离套分别设置在主动轮和从动轮两侧，保证主动轮和从动轮在同一平面，使链条可稳定传动。

其中，所述锚固剂安装装置主要用于锚固剂的输送和安装，首先完成孔位对孔设置，通过高压气缸周期性将锚固剂喷射入钻孔内，并在锚固剂尾部设置有防坠装置，保证锚固剂在孔内固定，不会掉落。

其中，所述底座臂通过螺栓安装在车体平台上；所述伸缩臂安装在底座臂内；所述上顶油缸一端安装在底座臂上，另一端安装在伸缩臂上，实现伸缩臂的上下运动；所述工作臂和伸缩臂相连接，并通过伺服电机进行驱动旋转；所述回转减速器安装在工作臂前端，实现工作装置的多自由度控制。

其中，所述回转减速器一一端安装在车体平台上，另一端与底座臂一相连接；所述工作臂一安装在底座臂一内；所述给进油缸一一端安装主在底座臂一上，另一端安装在工作臂一上，实现工作臂一的上下运动；所述工作臂二安装在工作臂一内；所述给进油缸二一端安装主在工作臂一上，另一端安装在工作臂二上，实现工作臂二的上下运动；所述工作臂三与工作臂二相连接，并通过伺服电机一进行驱动旋转；所述工作臂四安装在工作臂三内；所述给进油缸三一端安装主在工作臂三上，另一端安装在工作臂四上，实现工作臂四的前后运动；所述抓手组件安装在工作臂四前端，并可通过抓手油缸实现抓手组件的开合，主要用于装卸钻杆和锚杆。

其中，所述4组车轮分别与对应减速器相连；所述驱动电机与对应减速器相连，完成车轮的驱动，4组车轮独立驱动，通过性能好，效率高；所述车体平台设置在车轮上方，所述工具仓设置在车体平台(70)后方。

其中，所述视觉相机、三维激光雷达、测距传感器和组合定位导航装置设置车体平台前方，所述扭矩传感器、转速传感器、拉力传感器和压力传感器设置在工作装置上。

其中，所述视觉相机完成巷道施工区域巷帮和顶板图像信息的采集，以及返渣图像信息采集；所述三维激光雷达主要负责施工区域失效锚杆、锚网等障碍物的距离、方位、高度、姿态等参数信息的采集；所述测距传感器主要负责锚杆外露端长度测量；所述扭矩传感器主要负责钻进过程中扭矩的测量；所述转速传感器主要负责钻进过程中转速的测量；所述拉力传感器主要负责给进力的测量；所述压力传感器主要负责液压系统压力的测量；所述组合定位导航装置主要负责锚固单元的精准定位、姿态感知，包括惯性导航单元、UWB组合的多信息融合，基于环境感知，实现设备的路径规划和自主导航功能。

其中，所述数据采集单元采用无线传输设备，实时读取智能感知系统获得的数据，并进行数据传输；所述数据分析单元完成巷道施工区域巷帮和顶板的场景的构建和分析，根据钻孔数据和图形信息获取目标钻孔精准位置信息，根据目标位置实现锚固单元的自主导航，并实现工作装置的精准定位，也可与人机进行交互；所述数据输出单元主要输出多源决策控制和控制指令。

其中，所述防爆电池设置在车体平台后方；所述液压泵站和液压阀组均设置在车体平台上；所述防爆电池提供动力给液压泵站和驱动电机，液压泵站将动力通过液压阀组传递给整个锚固单元，驱动电机驱动行走驱动装置的传动。

一种煤矿用智能锚固单元的动态控制方法：

步骤一：提取待施工巷道的典型煤岩地层岩样，智能锚固单元进行钻孔试验，获得钻进参数和返渣图像信息，得到各典型岩样的钻进参数聚类中心和图像信息，作为智能决策系统的数据库。

步骤二：智能钻锚单元前往待施工巷道，通过智能感知系统得到巷道施工区域精准施工信息和障碍物信息，并通过变幅装置完成工作装置姿态的精准调整；

步骤三：当托板装置返回初始位置时，托板装置上的2条导轨条和机体装置的4条导轨条分别保证在同一直线上，侧推油缸克服弹簧力推动定位装置离开2个挡块位置，此时回转装置和锚固装置可进行左右平移，首先回转装置平移到托板装置上待命，通过上杆装置完成钻杆的抓取，回转装置在托板装置的带动下往前运动，此时定位装置在弹簧力的作用下恢复到原位置，通过2个挡块的固定，回转装置保持固定在托板装置上，跟随托板装置完成钻孔施工，同时扶正器将钻杆进行固定，回转装置随后退回初始位置后，平移到另一侧，同时锚固装置平移到托板装置上，保证锚固装置输出轴与钻孔同心；

步骤四：锚固剂安装装置将3支树脂锚固剂送入孔内并固定，同时上杆装置将锚杆送到锚固装置中心位置，锚固装置将锚杆送入孔中并搅拌，同时扶正器将锚杆进行固定，使锚杆在钻孔中充分混合，并达到设定的预紧力，锚固装置退回后完成锚杆施工，通过扭矩传感器和测距传感器检测和记录锚杆外漏端长度和预紧力；

步骤五：智能感知系统将得到的钻进参数和返渣图像信息实时传递给智能决策系统，对扭矩、转速、压力、给进力等参数和返渣图像信息进行模糊聚类，得出该钻孔的聚类中心，并与典型岩样钻孔数据进行判断分析，得出该钻孔煤岩可钻性等级。

步骤六：智能决策系统根据该钻孔可钻性特性和巷道图像信息，动态调整下一个钻孔施工方位和深度等参数，通过步骤2-5完成锚固施工。

因此，本发明相对于现有技术，具备以下优点：本发明的一种煤矿用智能锚固单元，改变了目前施工锚杆设备的施工精度差的问题，节省锚杆材料，可根据巷道施工图像信息和钻孔施工数据自主判断施工方位和角度，无需人工干预，能够独立完成全断面锚固施工作业，同时回转装置和锚固装置可自主切换，完成钻孔施工、锚固剂输送和锚杆安装全流程作业，设备的适用范围广，作业效率高。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1为本发明的一种煤矿井下智能锚固单元的结构示意图；

图2为本发明的工作装置的结构示意图；

图3为本发明的机体装置结构的主视图；

图4为本发明的机体装置结构的俯视图；

图5a)为本发明的回转装置的结构示意图；

图5b)为本发明的锚固装置的结构示意图；

图5c)为本发明的给进装置的结构示意图；

图6为本发明的齿轮传动装置的结构示意图；

图7为本发明的变幅装置的结构示意图；

图8为本发明的上杆装置的结构示意图；

图9为本发明的行走驱动装置和动力系统的结构示意图；

图中，1为智能感知系统、2为工作装置、3为变幅装置、4为行走驱动装置、5为上杆装置、6为智能决策系统、7为动力系统、8为锚固装置、9为回转装置、10为机体装置、11为齿轮传动装置、12为锚固剂安装装置、13为给进装置、14为侧推装置、15为顶块、16为挡块、17为连接块18为防转杆、19为侧推油缸、20为导轨条、21为托板装置、22为机座体、23为圆柱导轨、24为张紧装置、25为圆柱槽、26为二次给进装置、27为底座体一、28为二次给进油缸、29为扶正器、30为主推油缸、31为扶手组件、32为底座板一、33为定位装置、34为力矩电机一、35为导轨座、36为输出轴一、37力矩电机二、38为输出轴二、39为底座板二、40为力矩电机三、41为输出轴三、42为轴承座、43为距离套、44为从动轮、45为链条、46为主动轮、47为转轴、48为底座臂、49为上顶油缸、50为伸缩臂、51为伺服电机、52为工作臂、53为回转减速器、54为回转减速器一、55为底座臂一、56为给进油缸一、57为工作臂一、58为给进油缸二、59为工作臂二、60为伺服电机一、61为工作臂三、62为给进油缸三、63为工作臂四、64为抓手组件、65为车轮、66为减速器、67为驱动电机、68为液压阀组、69为液压泵站、70为车体平台、71为工具仓、72为防爆电池

将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示为一种煤矿井下智能锚固单元的结构示意图，智能锚固单元包括工作装置2、变幅装置3、上杆装置5、行走驱动装置4、智能感知系统1、智能决策系统6和动力系统7。所述工作装置2通过螺栓与变幅装置3相连接，所述变幅装置3、上杆装置5、智能感知系统1、智能决策系统6均设置在行走驱动装置4上，所述动力系统7设置在行走驱动装置4后方。

如图2所示为工作装置的结构示意图，所述工作装置2包括机体装置10，回转装置9、锚固装置8、给进装置13、齿轮传动装置11和锚固剂安装装置12；所述回转装置9和锚固装置8通过导轨条20在机体装置10上进行切换，所述给进装置13通过链条与齿轮传动装置11相连接，所述齿轮传动装置11和锚固剂安装装置12设置在机体装置10上，所述锚固剂安装装置12主要用于锚固剂的输送和安装，首先完成孔位对孔设置，通过高压气缸周期性将锚固剂喷射入钻孔内，并在锚固剂尾部设置有防坠装置，保证锚固剂在孔内固定，不会掉落。

如图3和4所示为机体装置的结构示意图，所述机体装置10包括机座体22、4根导轨条20、2组圆柱导轨23、张紧装置24、托板装置21、侧推装置14、二次给进装置26和扶正器29。所述机座体22通过各连接板进行焊接组成；所述2组圆柱导轨23两端通过螺栓固定连接在机座体22内；所述4根导轨条20通过螺栓安装在机座体22上；所述张紧装置24安装在机座体22前端，并通过转轴47与主动轮46相连，用于齿轮传动装置11的张紧；所述托板装置21包括2个圆柱槽25、2根导轨条20、2个挡块16和连接块17组成，所述托板装置21通过2个圆柱槽25在圆柱导轨23上来回滑动；所述连接块17通过螺栓与齿轮传动装置11的链条45相连接，并传递动力；所述圆柱槽25内设置有自润滑轴承、两端安装有端盖，用于阻挡油渍、颗粒物进入；所述侧推装置14包括侧推油缸19、防转杆18和2组顶块15，所述侧推油缸19两端通过螺栓固定在机体装置10上，缸筒沿缸杆可往复滑动，具有左侧和右侧2个工作位，所述防转杆18与侧推油缸19相连，可以承受推力，防止缸筒运动过程中转动，所述侧推油缸19上设置有2组顶块15，2组顶块15分别与给2个定位装置33保持同一方向上；所述二次给进装置26包括底座体一27和二次给进油缸28，所述底座体一27由各连接板焊接组成，主要用于固定机座体22，所述二次给进油缸28可保证机座体22在机座体一27上进行往复运动；所述扶正器29主要包括主推油缸30和扶手组件31，所述主推油缸30安装在机体装置10前端，主推油缸30的上下运动实现扶手组件31的打开和闭合，并在施工过程中进行钻杆和锚杆的扶正。

如图5a)所示为回转装置的结构示意图，所述回转装置9包括底座板一32、2组导轨座35、定位装置33、力矩电机一34、输出轴一36。所述力矩电机一34的底座通过螺栓与底座板一32输出轴一36相连；所述输出轴一36通过螺纹固定连接钻杆，完成钻杆钻进施工；所述2组导轨座35通过螺栓安装在底座板一32板下方，并与对应导轨条20配合使用；所述定位装置33通过弹簧与底座板一32前端连接，可在槽内往复滑动并承受弹簧作用力。

如图5b)所示为锚固装置的结构示意图，所述锚固装置8包括底座板一32、2组导轨座35、定位装置33、力矩电机二37和输出轴二38。所述力矩电机二37的底座通过螺栓与底座板一32相连，同时与输出轴二38相连；所述输出轴二38通过六方连接锚杆，完成锚杆钻进施工；所述2组导轨座35通过螺栓安装在底座板一32下方，并与导轨条20配合使用；所述定位装置33通过弹簧与底座板一32前端连接，可在槽内往复滑动并承受弹簧作用力。

如图5c)所示为给进装置的结构示意图，所述给进装置13包括底座板二39、力矩电机三40、输出轴三41。所述底座板二39通过螺栓安装在机体装置10前端下部；所述力矩电机三40底座通过螺栓与底座板二39相连，同时与输出轴三41相连；所述输出轴三41与主动轮46通过链条45相连，传递动力给齿轮传动装置11。

如图6所示为齿轮传动装置的结构示意图，所述齿轮传动装置11包括主动轮46、从动轮44、链条45、转轴47、2组轴承座42、4个距离套43。所述主动轮46和从动轮44通过转轴47分别与2组轴承座42相连并固定，所述链条45与主动轮46和从动轮44相连，并通过主动轮46带动进行传动，所述轴承座42通过螺栓与机体装置10相连，所述4个距离套43分别设置在主动轮46和从动轮44两侧，保证主动轮46和从动轮44在同一平面，使链条45可稳定传动；

如图7所示为变幅装置的结构示意图，所述变幅装置包括底座臂48，伸缩臂50、上顶油缸49、伺服电机51、工作臂52、回转减速器53；所述底座臂48通过螺栓安装在车体平台70上；所述伸缩臂50安装在底座臂48内；所述上顶油缸49一端安装在底座臂48上，另一端安装在伸缩臂50上，实现伸缩臂50的上下运动；所述工作臂52和伸缩臂50相连接，并通过伺服电机51进行驱动旋转；所述回转减速器53安装在工作臂52前端，实现工作装置2的多自由度控制。

如图8所示为上杆装置的结构示意图，所述上杆装置5包括回转减速器一54、底座臂一55、工作臂一57、工作臂二59、工作臂三61、工作臂四63、给进油缸一56、给进油缸二58、给进油缸三62、伺服电机一60和抓手组件64；所述回转减速器一54一端安装在车体平台70上，另一端与底座臂一55相连接；所述工作臂一57安装在底座臂一55内；所述给进油缸一56一端安装主在底座臂一55上，另一端安装在工作臂一57上，实现工作臂一57的上下运动；所述工作臂二59安装在工作臂一57内；所述给进油缸二58一端安装主在工作臂一57上，另一端安装在工作臂二59上，实现工作臂二59的上下运动；所述工作臂三61与工作臂二59相连接，并通过伺服电机一60进行驱动旋转；所述工作臂四63安装在工作臂三61内；所述给进油缸三62一端安装主在工作臂三61上，另一端安装在工作臂四63上，实现工作臂四63的前后运动；所述抓手组件64安装在工作臂四63前端，并可通过抓手油缸实现抓手组件64的开合，主要用于装卸钻杆和锚杆。

如图9所示为行走驱动装置和动力系统的结构示意图，所述行走驱动装置4采用轮式传动，包括4组车轮65、4组减速器66、4组驱动电机67、车体平台70和工具仓71；所述4组车轮65分别与对应减速器66相连；所述驱动电机67与对应减速器66相连，完成车轮65的驱动，4组车轮65独立驱动，通过性能好，效率高；所述车体平台70设置在车轮65上方，所述工具仓71设置在车体平台70后方。

所述动力系统7包括多个防爆电池72、液压泵站69、液压阀组68。所述防爆电池72设置在车体平台70后方；所述液压泵站69和液压阀组68均设置在车体平台70上；所述防爆电池72提供动力给液压泵站69和驱动电机67，液压泵站69将动力通过液压阀组68传递给整个锚固单元，驱动电机67驱动行走驱动装置4的传动。

所述智能感知系统1包括视觉相机、三维激光雷达、测距传感器、扭矩传感器、转速传感器、拉力传感器、压力传感器、组合定位导航装置；所述视觉相机、三维激光雷达、测距传感器和组合定位导航装置设置车体平台70前方，所述扭矩传感器、转速传感器、拉力传感器和压力传感器设置在工作装置2上。

所述视觉相机完成巷道施工区域巷帮和顶板图像信息的采集，以及返渣图像信息采集；所述三维激光雷达主要负责施工区域失效锚杆、锚网等障碍物的距离、方位、高度、姿态等参数信息的采集；所述测距传感器主要负责锚杆外露端长度测量；所述扭矩传感器主要负责钻进过程中扭矩的测量；所述转速传感器主要负责钻进过程中转速的测量；所述拉力传感器主要负责给进力的测量；所述压力传感器主要负责液压系统压力的测量；所述组合定位导航装置主要负责锚固单元的精准定位、姿态感知，包括惯性导航单元、UWB组合的多信息融合，基于环境感知，实现设备的路径规划和自主导航功能。

所述智能决策系统6主要包括数据采集单元、数据分析单元和数据输出单元；所述数据采集单元采用无线传输设备，实时读取智能感知系统1获得的数据，并进行数据传输；所述数据分析单元完成巷道施工区域巷帮和顶板的场景的构建和分析，根据钻孔数据和图形信息获取目标钻孔精准位置信息，根据目标位置实现锚固单元的自主导航，并实现工作装置6的精准定位，也可与人机进行交互；所述数据输出单元主要输出多源决策控制和控制指令。

如上所述的一种煤矿井下智能锚固单元的动态控制方法，其特征在于：

步骤一：提取待施工巷道的典型煤岩地层岩样，智能锚固单元进行钻孔试验，获得钻进参数和返渣图像信息，得到各典型岩样的的钻进参数聚类中心和图像信息，作为智能决策系统6的数据库。

步骤二：智能钻锚单元前往待施工巷道，通过智能感知系统1得到巷道施工区域精准施工信息和障碍物信息，并通过变幅装置3完成工作装置2姿态的精准调整；

步骤三：当托板装置21返回初始位置时，托板装置21上的2条导轨条20和机体装置10的4条导轨条20分别保证在同一直线上，侧推油缸19克服弹簧力推动定位装置33离开2个挡块16位置，此时回转装置9和锚固装置8可进行左右平移，首先回转装置9平移到托板装置21上待命，通过上杆装置5完成钻杆的抓取，回转装置9在托板装置21的带动下往前运动，此时定位装置33在弹簧力的作用下恢复到原位置，通过2个挡块16的固定，回转装置9保持固定在托板装置21上，跟随托板装置21完成钻孔施工，同时扶正器29将钻杆进行固定，回转装置9随后退回初始位置后，平移到另一侧，同时锚固装置8平移到托板装置21上，保证锚固装置8输出轴与钻孔同心；

步骤四：锚固剂安装装置12将3支树脂锚固剂送入孔内并固定，同时上杆装置5将锚杆送到锚固装置8中心位置，锚固装置8将锚杆送入孔中并搅拌，同时扶正器29将锚杆进行固定，使锚杆在钻孔中充分混合，并达到设定的预紧力，锚固装置8退回后完成锚杆施工，通过扭矩传感器和测距传感器检测和记录锚杆外漏端长度和预紧力；

步骤五：智能感知系统1将得到的钻进参数和返渣图像信息实时传递给智能决策系统6，对扭矩、转速、压力、给进力等参数和返渣图像信息进行模糊聚类，得出该钻孔的聚类中心，并与典型岩样钻孔数据进行判断分析，得出该钻孔煤岩可钻性等级。

步骤六：智能决策系统6根据该钻孔可钻性特性和巷道图像信息，动态调整下一个钻孔施工方位和深度等参数，通过步骤2-5完成锚固施工。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的范围内。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (10)

1.一种煤矿井下智能锚固单元，包括：

行走驱动装置(4)以及设置于所述行走驱动装置(4)上的变幅装置(3)、上杆装置(5)、智能感知系统(1)、智能决策系统(6)；所述变幅装置(3)上设置有工作装置(2)；所述工作装置(2)上设置有锚固装置；其中：

所述变变幅装置包括底座臂(48)，伸缩臂(50)、上顶油缸(49)、伺服电机(51)、工作臂(52)、回转减速器(53)；底座臂(48)通过螺栓安装在车体平台(70)上；所述伸缩臂(50)安装在底座臂(48)内；所述上顶油缸(49)一端安装在底座臂(48)上，另一端安装在伸缩臂(50)上，实现伸缩臂(50)的上下运动；所述工作臂(52)和伸缩臂(50)相连接，并通过伺服电机(51)进行驱动旋转；所述回转减速器(53)安装在工作臂(52)前端，所述工作装置(2)安装于所述回转减速器(53)上；

所述上杆装置(5)包括一高度可调节的抓手组件(64)，用于装卸钻杆和锚杆；

所述智能感知系统(1)包括信息采集装置；

所述智能决策系统(6)根据所述智能感知系统(1)采集到的信息驱动所述变幅装置(3)、所述工作装置(2)、上杆装置(5)工作。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下智能锚固单元，其特征在于，所述工作装置包括机体装置(10)；所述机体装置(10)包括一机座体(22)，所述机座体(22)上设置有圆柱导轨(23)，所述圆柱导轨(23)的一端设置有有一托板装置(21)，另一端设置有锚固剂安装装置(12)；所述托板装置(21)可沿所述圆柱导轨(23)滑动；所述托板装置(21)上设置有与所述圆柱导轨垂直的导轨条(20)；所述导轨条上设置有可沿导轨条滑动的回转装置(9)和锚固装置(8)。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下智能锚固单元，其特征在于，所述上杆装置(5)包括：所述回转装置(9)包括底座板一(32)、2组导轨座(35)、定位装置(33)、力矩电机一(34)、输出轴一(36)。所述力矩电机一(34)的底座通过螺栓与底座板一(32)输出轴一(36)相连；所述输出轴一(36)通过螺纹固定连接钻杆，完成钻杆钻进施工；所述2组导轨座(35)通过螺栓安装在底座板一(32)板下方，并与对应导轨条(20)相配合使用；所述定位装置(33)通过弹簧与底座板一(32)前端连接，可在槽内往复滑动并承受弹簧作用力。

4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下智能锚固单元，其特征在于，所述锚固装置(8)包括底座板一(32)、2组导轨座(35)、定位装置(33)、力矩电机二(37)和输出轴二(38)。所述力矩电机二(37)的底座通过螺栓与底座板一(32)相连，同时与输出轴二(38)相连；所述输出轴二(38)通过六方连接锚杆，完成锚杆钻进施工；所述2组导轨座(35)通过螺栓安装在底座板一(32)下方，并与导轨条(20)配合使用；所述定位装置(33)通过弹簧与底座板一(32)前端连接，可在槽内往复滑动并承受弹簧作用力。

5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下智能锚固单元，其特征在于，所述给进装置(13)包括底座板二(39)、力矩电机三(40)、输出轴三(41)。所述底座板二(39)通过螺栓安装在机体装置(10)前端下部；所述力矩电机三(40)底座通过螺栓与底座板二(39)相连，同时与输出轴三(41)相连；所述输出轴三(41)与主动轮(46)通过链条(45)相连，传递动力给齿轮传动装置(11)。

6.根据权利要求1所述的一种煤矿井下智能锚固单元，其特征在于，所述上杆装置(5)包括：回转减速器一(54)、底座臂一(55)、工作臂一(57)、工作臂二(59)、工作臂三(61)、工作臂四(63)、给进油缸一(56)、给进油缸二(58)、给进油缸三(62)、伺服电机一(60)和抓手组件(64)；所述回转减速器一(54)一端安装在车体平台(70)上，另一端与底座臂一(55)相连接；所述工作臂一(57)安装在底座臂一(55)内；所述给进油缸一(56)一端安装主在底座臂一(55)上，另一端安装在工作臂一(57)上，实现工作臂一(57)的上下运动；所述工作臂二(59)安装在工作臂一(57)内；所述给进油缸二(58)一端安装主在工作臂一(57)上，另一端安装在工作臂二(59)上，实现工作臂二(59)的上下运动；所述工作臂三(61)与工作臂二(59)相连接，并通过伺服电机一(60)进行驱动旋转；所述工作臂四(63)安装在工作臂三(61)内；所述给进油缸三(62)一端安装主在工作臂三(61)上，另一端安装在工作臂四(63)上，实现工作臂四(63)的前后运动；所述抓手组件(64)安装在工作臂四(63)前端，并可通过抓手油缸实现抓手组件(64)的开合，主要用于装卸钻杆和锚杆。

7.根据权利要求1所述的一种煤矿井下智能锚固单元，其特征在于，所述智能决策系统(6)包括：包括数据采集单元、数据分析单元和数据输出单元；所述数据采集单元采用无线传输设备，实时读取智能感知系统获得的数据，并进行数据传输；所述数据分析单元完成巷道施工区域巷帮和顶板的场景的构建和分析，根据钻孔数据和图形信息获取目标钻孔精准位置信息，根据目标位置实现锚固单元的自主导航，并实现工作装置的精准定位，也可与人机进行交互；所述数据输出单元主要输出多源决策控制和控制指令。

8.根据权利要求1所述的一种煤矿井下智能锚固单元，其特征在于，所述智能感知系统(1)的信息采集装置包括：视觉相机、三维激光雷达、测距传感器和组合定位导航装置；所述视觉相机完成巷道施工区域巷帮和顶板图像信息的采集，以及返渣图像信息采集；所述三维激光雷达主要负责施工区域失效锚杆、锚网等障碍物的距离、方位、高度、姿态等参数信息的采集；所述测距传感器主要负责锚杆外露端长度测量；所述扭矩传感器主要负责钻进过程中扭矩的测量；所述转速传感器主要负责钻进过程中转速的测量；所述拉力传感器主要负责给进力的测量；所述压力传感器主要负责液压系统压力的测量；所述组合定位导航装置主要负责锚固单元的精准定位、姿态感知，包括惯性导航单元、UWB组合的多信息融合，基于环境感知，实现设备的路径规划和自主导航功能。

9.如权利要求1-8中任一所述的煤矿井下智能锚固单元的动态控制方法，其特征在于，包括：

步骤一：提取待施工巷道的典型煤岩地层岩样，智能锚固单元进行钻孔试验，获得钻进参数和返渣图像信息，得到各典型岩样的钻进参数聚类中心和图像信息，作为智能决策系统(6)的数据库；

步骤二：智能钻锚单元前往待施工巷道，通过智能感知系统(1)得到巷道施工区域精准施工信息和障碍物信息，并通过变幅装置(3)完成工作装置(2)姿态的精准调整；

步骤三：当托板装置(21)返回初始位置时，首先回转装置(9)平移到托板装置(21)上待命，通过上杆装置(5)完成钻杆的抓取，回转装置(9)在托板装置(21)的带动下往前运动，跟随托板装置(21)完成钻孔施工，同时扶正器(29)将钻杆进行固定，回转装置(9)随后退回初始位置后，平移到另一侧，同时锚固装置(8)平移到托板装置(21)上，保证锚固装置(8)输出轴与钻孔同心；

步骤四：锚固剂安装装置(12)将3支树脂锚固剂送入孔内并固定，同时上杆装置(5)将锚杆送到锚固装置(8)中心位置，锚固装置(8)将锚杆送入孔中并搅拌，同时扶正器(29)将锚杆进行固定，使锚杆在钻孔中充分混合，并达到设定的预紧力，锚固装置(8)退回后完成锚杆施工，通过扭矩传感器和测距传感器检测和记录锚杆外漏端长度和预紧力。

10.如权利要求9所述的动态控制方法，其特征在于，包括：

步骤五：智能感知系统(1)将得到的钻进参数和返渣图像信息实时传递给智能决策系统(6)，对扭矩、转速、压力、给进力等参数和返渣图像信息进行模糊聚类，得出该钻孔的聚类中心，并与典型岩样钻孔数据进行判断分析，得出该钻孔煤岩可钻性等级。

步骤六：智能决策系统(6)根据该钻孔可钻性特性和巷道图像信息，动态调整下一个钻孔施工方位和深度等参数，通过步骤2-5完成锚固施工。

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