CN116104415A - 具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人及控制方法，包括安装在履带车体上的三自由度主机、钻杆箱、六自由度机械臂及末端手爪、常闭式防喷系统和主控制器；六自由度机械臂可将钻杆从钻杆箱中取出或送回，并依据三自由度主机的空间定位坐标，将钻杆从主机夹持中心放置或取出，完成自动加卸杆作业，钻机实现自动钻进；常闭式防喷系统在钻进施工时，常闭式孔口防喷装置迅速打开，不影响正常钻进，停钻时，孔口防喷装置自动关闭，防止孔内瓦斯泄露。本发明实现了全自动钻进与常闭式孔口防喷，系统简洁，适用性广。

Description

具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人及控制方法

技术领域

本发明属于瓦斯抽采防治设备技术领域，涉及一种具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人及控制方法。

背景技术

在突出矿井中，煤矿瓦斯事故是一种普遍存在的灾害，在瓦斯治理过程中，采取的最主要措施就是钻孔施工后抽采煤层中的瓦斯，减少煤层中的瓦斯含量，但是由于煤层中过大的瓦斯压力和煤层松软的煤质，常常会导致钻孔施工过程中发生喷孔现象，喷孔时会从钻孔中涌出大量的煤渣、水、瓦斯，产生巨大的动力现象，造成瓦斯超限事故，严重威胁到作业地点钻孔施工人员的安全。

传统液压钻机存在钻机行走、施工时，操作人员距离钻孔近、易卡钻、钻进施工过程中易松动及人工装卸钻杆劳动强度大等问题。国内自动化钻机的研究还不是很多，只有少部分应用，目前现有的全自动钻机，主要实现了在钻进运输或施工过程中，钻机的自动化流程，如自动装卸钻杆、自动变幅稳固，自动开孔定位及自主导航等，提高了钻机机械化效率，消除了运动机械与施工人员直接接触的潜在隐患，但在钻孔施工过程中对于孔口的自动防喷控制，研究及应用甚少，对于无人或少人控制的钻孔机器人，喷孔及瓦斯超限等安全隐患依然存在，亟待解决。

由于井下地质条件复杂，瓦斯抽采钻孔施工过程中的瓦斯超限及喷孔事故时有发生，轻则影响钻机传感器及精密元器件性能，重则对钻场施工人员生命安全造成损害，现有的瓦斯抽采钻机孔口防喷系统，一种是简易的孔口多通装置，人工将孔口多通前端孔口管插入孔内，孔内煤粉与瓦斯从孔口管内进入孔口多通，瓦斯通过负压管吸入过滤装置并送入负压管路，煤粉通过下方开孔自然落下；但在实际钻孔施工中，由于钻杆与孔口管间留有环空间隙以便排渣，不能对瓦斯气体完全密封，同时瓦斯瞬时涌出时，气体与煤粉、岩粉涌出量大，无法及时抽采，造成施工钻机附近瓦斯超限；另一种是常开式孔口防喷系统，当钻场瓦斯超限，需要瓦斯传感器报警传输信号给防喷控制中心，防喷控制中心再控制水阀或气阀等动力源对孔口装置提供动能，关闭孔口实现防喷，其控制流程复杂且存在滞后效应，不能及时封堵孔口，控制系统复杂，性价比低，同时由于孔口装置是常开式结构，在每个钻进回次间隔等待时，无法实现孔口与外界的实时隔断，安全性不高。现有的孔口防喷系统均与钻机独立控制，孔口装置常挂装于孔口，无法与钻机实时钻进工况联动，防喷效果不佳，且移动不灵活，不同工况适应性差，当瓦斯超限，而操作人员未察觉或钻机无法自动停机时，易引发安全事故。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人及控制方法，实现与煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工设备的电液控系统联动，可实现停钻、瓦斯超限及钻机急停时三种状态的孔口迅速自动闭锁功能，防止煤与瓦斯突出事故的发生，显著提高井下瓦斯抽采钻孔施工的安全性。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人，包括安装在履带车体上的三自由度主机、钻杆箱、六自由度机械臂及末端手爪、常闭式防喷系统和主控制器；

所述三自由度主机包括给进机身、卸扣器和前夹持器、后夹持器、动力头、给进油缸、拖板、平移油缸、平移卡板、给进位移拉绳传感器组件、平移位移拉绳传感器组件、变幅稳固装置；所述变幅稳固装置通过举升油缸安装在履带车体平台上，变幅稳固装置的回转支撑连接给进机身一侧；所述平移油缸平移、变幅稳固装置的举升油缸举升及回转支撑旋转能实现钻杆三个自由度的调节；

所述钻杆箱包括箱体支架、钻杆限位架、挡杆、垫板、前仓门、挡板组件和后仓门；杆箱具有多层、多列容纳钻杆的空间，并通过调整侧面垫板和底面钻杆限位架能适应不同直径的钻杆；

所述六自由度机械臂包括底座、臂体和伺服电机；臂体在底座上的旋转角度范围-180°～+180°，伺服电机能控制臂体顺序或同步动作，实现末端位置的变化，用于将钻杆从杆箱中抓取到三自由度主机的钻杆放置位置；

所述常闭式防喷系统包括孔口防喷装置和瓦斯传感器；孔口防喷装置安装在三自由度主机前端，包括转接支架、钻杆密封单元、孔口多通、孔壁密封筒和漏渣密封单元；所述转接支架后端通过连接件与前夹持器螺接且转接支架上的中心孔与前夹持器同轴，转接支架前端至孔口方向依次设有与中心孔同轴并相互连接的钻杆密封单元、孔口多通和孔壁密封筒，转接支架通过其平推油缸与孔口多通连接，通过平推油缸控制钻杆密封单元、孔口多通和孔壁密封筒的轴向位置以使孔壁密封筒紧贴在孔壁上，所述漏渣密封单元设在孔口多通下端；所述瓦斯传感器装于钻孔孔口旁以能监测钻场瓦斯浓度；

所述主控制器安装在履带车体后方的托架上，与履带车体平台通过螺栓连接，能控制履带车体自调平、自稳固和自动加卸钻杆、自动调节开孔姿态和自动钻进。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述履带车体包括履带车体平台及其两侧的行走履带总成；还包括安装在履带车体平台上的矿用本安双轴倾角传感器、吊装索具、操纵台阀组、压力变送器组件和接线盒组件；所述矿用本安双轴倾角传感器能实现履带车体的自动定位和自动稳固；所述吊装索具焊接在履带车体平台侧面，满足钻机在装配或运输中的吊装；所述操纵台阀组通过螺栓与履带车体平台相连，通过防爆遥控器控制实现钻机各动作的控制和执行；所述压力变送器组件用以实时检测钻机给进、起拔、正转、反转和回油工作压力，同时显示在防爆遥控器控制界面上以方便施工操作人员观察；接线盒组件螺接在履带车体平台上。

具体的，所述三自由度主机的卸扣器和前夹持器以及后夹持器螺接在给进机身的安装板上，并与动力头配合实现钻杆的自动装卸；动力头与拖板通过销轴连接，拖板与给进油缸的缸筒连接并随给进油缸的缸筒运动，动力头与拖板随着给进油缸的伸出与缩回在给进机身上滑移，实现钻机的下钻与起钻；给进油缸一端连接在给进机身前端，另一端固定在给进机身后端；给进位移拉绳传感器组件一端固定在给进机身上，另一端固定在拖板上，实时检测及反馈给进油缸的行程位置；平移油缸一端铰接在给进机身前端，另一端铰接在给进机身后端，缸筒与平移卡板连接，通过平移油缸的伸缩带动给进机身前后移动，调节给进机身与钻孔孔口距离；平移位移拉绳传感器组件一端固定在给进机身上，另一端固定在平移卡板上，检测及反馈平移油缸的平移量。

具体的，所述变幅稳固装置包括立柱油缸滑轨组件、回转支撑、编码器、举升油缸、举升位移拉绳传感器组件、立柱下稳固组件和旋转式上稳固组件；

所述立柱油缸滑轨组件套装在两个立柱下稳固组件上，立柱油缸滑轨组件的前壁安装回转支撑，回转支撑与主机的给进机身之间通过L形支撑板连接，回转支撑的旋转涡轮能带动L形支撑板及给进机身转动；回转支撑内装有制动件，制动件能对旋转涡轮进行液力制动锁死；编码器通过安装座连接在制动件上，编码器的内轴通过传动轴与L形支撑板连接，实现对钻孔倾角的直接测量；

所述举升油缸下端螺接在履带车体平台上，举升油缸上端与立柱油缸滑轨组件的后壁螺接，通过举升油缸的伸缩使给进机身沿立柱油缸运动，实现钻机开孔高度调节；

所述举升位移拉绳传感器组件一端螺接在立柱油缸滑轨组件上，另一端螺接在履带车体平台上，用以检测及反馈举升油缸的位移量。

具体的，所述立柱下稳固组件有两个且相互平行，立柱下稳固组件包括下立柱及其内部下方的下顶液压油缸，该下顶液压油缸的活塞杆内设有磁致位移伸缩传感器；

所述旋转式上稳固组件有两个且均与立柱下稳固组件平行，旋转式上稳固组件通过其下部的旋转套与立柱下稳固组件连接，旋转式上稳固组件包括上立柱及其内部上方的上顶液压油缸，在旋转式上稳固组件下端设有限位销；运输时旋转式上稳固组件利用限位销与履带车体平台固定，使上稳固组件收回，与车体宽度保持一致；

在施工稳固状态时，拔出限位销将两个旋转式上稳固组件均向外旋转90°至车体外即立柱下稳固组件两侧以增大稳固间距，提高稳固可靠性；运输时旋转式上稳固组件的上顶液压油缸活塞杆向上和立柱下稳固组件的下顶液压油缸活塞杆向下分别伸出，对钻机进行稳固操作。

具体的，所述钻杆箱的箱体支架包括方形底架和四角位置的四个侧板，方形底架包括两条相互平行的侧梁和两条相互平行的端梁，每条侧梁上设有两个竖向的所述侧板以围挡钻杆；钻杆限位架有两个且相互平行并均垂直连接在两个侧梁之间，钻杆限位架上设有等间距排布的弧形槽以码放钻杆保证钻杆按照固定的间距码放排列，钻杆垂直于钻杆限位架放置；挡杆可拆卸设在两个相对的侧板之间并与钻杆限位架平行以防止整箱钻杆运输时震动引起钻杆掉落，钻机工作时将挡杆拆除放到箱体支架后的两组支座通孔内；垫板螺接在侧板上，通过调整垫板厚度及更换钻杆限位架可满足不同直径钻杆并适应不同形式的手抓；前仓门和后仓门平行相对且分别设在两个端梁上方的两个侧板之间，前仓门与挡板组件螺接在一起后再螺接到两个平行相对的侧板上，在钻机工作时从箱体支架上拆除，用以限定钻杆箱内钻杆在钻机行走时轴向限位。

具体的，所述六自由度机械臂的臂体能以底座为中心水平转动，底座设有0基准；臂体包括依次相连的肩部、大臂、小臂和手腕，肩部下端与底座连接，肩部上端通过伺服电机控制的肩关节与大臂一端连接，大臂另一端通过伺服电机控制的肘关节与小臂一端连接，小臂另一端通过伺服电机控制的腕关节与手腕上部连接，手腕下端连接手爪。

具体的，所述转接支架包括支架、连接件、安装垫组件、平推油缸、斜撑撑杆和制动阀组件；所述支架上部中心设有所述中心孔用以使钻杆穿过，平推油缸有两个且位于中心孔两侧，平推油缸垂直于支架且平推油缸的缸筒贯穿支架并与支架固连，平推油缸的缸杆端位于支架前方并与所述孔口多通两端的耳座连接；连接件固定在支架后端面上并与中心孔同轴，连接件能与前夹持器螺接；安装垫组件固定在支架后端面下部且能与三自由度主机前端相连；所述制动阀组件设在支架上用以控制平推油缸、钻杆密封单元的夹紧液压油缸以及漏渣密封单元的开闭液压油缸；所述斜撑撑杆两端铰接在平推油缸前部和平推油缸下方的支架上。

具体的，所述钻杆密封单元包括端环、安装筒、端盖、夹紧液压油缸、弧形夹板、弧形密封胶筒及端盖；所述端环和端盖设在安装筒两端且三者的中心通孔同轴相通，多个夹紧液压油缸沿安装筒周向均布且每个夹紧液压油缸沿安装筒径向设置，每个夹紧液压油缸的推杆贯穿安装筒且其端部连接一个弧形夹板，弧形夹板内壁贴有弧形密封胶筒，多个弧形夹板围成的筒状夹持空间与安装筒同轴；所述端环前壁贴设有环形密封垫以与孔口多通后端密封连接。

具体的，所述孔口多通包括筒形的多通腔体、抽气口和漏渣口；多通腔体为筒形结构，抽气口位于多通腔体上端并沿多通腔体径向贯通，漏渣口位于多通腔体下端并沿多通腔体径向贯通；多通腔体前端面设有用于与孔壁密封筒连接的安装孔，多通腔体后端面设有用于与钻杆密封单元连接的安装孔，漏渣口下端面设有能与漏渣密封单元连接的安装孔。

具体的，所述孔壁密封筒包括锥形波纹密封筒、设在锥形波纹密封筒小口端的连接端以及设在锥形波纹密封筒大口端的软橡胶筒；连接端能与孔口多通前端连接，软橡胶筒能抵在孔壁上。

具体的，所述漏渣密封单元包括一级排渣管、二级排渣管、门板、开闭液压油缸和自锁型弹簧锁具；所述一级排渣管上端口与孔口多通的漏渣口密封连通，一级排渣管下端与二级排渣管上端密封连通且一级排渣管和二级排渣管之间通过自锁型弹簧锁具连接，门板封堵在一级排渣管内上部，开闭液压油缸设在一级排渣管外部且能控制门板开闭。

具体的，所述开闭液压油缸的缸筒与一级排渣管外壁铰接，开闭液压油缸的缸杆与连杆一端铰接，连杆另一端套装在腰型长轴一端，腰型长轴另一端贯穿至一级排渣管内且与门板相连，在门板和腰型长轴之间设有扭簧；开闭液压油缸能推动门板开闭，当开闭液压油缸无动作时，门板在扭簧作用下能实现关闭。

具体的，在门板上设有橡胶板以在门板关闭时起密封缓冲作用，阻断瓦斯从一级排渣管向二级排渣管泄露；一级排渣管和二级排渣管之间设有密封垫；在一级排渣管外壁安装有淋水管且淋水管靠近一级排渣管侧壁透水孔，以起到降低粉尘作用。

具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人的防喷方法，该方法通过所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人实现，包括以下步骤：

(1)在正常钻进状态下，每个单次钻进回次间隔，装填钻杆时，夹持器夹紧孔内钻杆，孔口防喷装置同样抱紧钻杆进行密封，漏渣密封单元的门板关闭，防止临时停钻时瓦斯喷出；

(2)当孔口或钻场瓦斯超限时，瓦斯传感器会对动力电源发出中断指令，动力电源失电急停，钻机所有动作停止，孔口防喷装置立刻抱紧钻杆以防孔内瓦斯继续泄露，此时仅从孔口防喷装置的孔口多通上端抽气口进行抽气，待瓦斯浓度达标，动力电源才可恢复供电，否则无法启动，孔口防喷装置始终维持抱紧钻杆密封状态；

(3)当施工中出现紧急情况，操作人员按下遥控器急停按键，钻机处于待机卸荷状态，孔口防喷装置同时立刻关闭，封堵孔口与孔口多通的漏渣口，实现待机状态下孔口闭锁功能。

所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人的控制方法，该方法的钻进过程包括以下步骤：

步骤a1：初始化六自由度机械臂和三自由度主机，六自由度机械臂、三自由度主机均回到标定零点，卸扣器闭合、后夹持器张开，动力头在标定位置；

步骤a2：防爆遥控器给三自由度主机输入施工目标孔参数；

步骤a3：三自由度主机按计算结果运动到指定位置，并将坐标位置反馈给控制器；

步骤a4：防爆遥控器发送加杆指令给三自由度主机和六自由度机械臂；

步骤a5：三自由度主机等待加杆，六自由度机械臂及其末端的手爪取杆；

步骤a6：六自由度机械臂根据三自由度主机反馈的坐标值，抓取钻杆放入夹持器设定位置；

步骤a7：夹持器夹紧，并发送信息给手爪控制手爪松开；

步骤a8：六自由度机械臂运动到指定安全位置，并发送信息给三自由度主机；

步骤a9：动力头回转给进至压力达到设定值；

步骤a10：通过压力突变判断上扣完成，夹持器松开；

步骤a11：全自动自适应钻进：设定参数钻进或设定档位钻进，根据钻进参数，实施自动增减给进压力、回转压力；

步骤a12：检测到动力头给进至标定位置，三自由度主机停止动作，卸扣器夹紧，卸后端扣；

步骤a13：通过压力突变判断卸扣完毕后，判断钻杆数量是否达到要求设计孔深，则停止作业，若未达到设计孔深，则回到步骤a4进行下一个循环。

所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人的控制方法，该方法的起钻过程包括以下步骤：

步骤b1：六自由度机械臂初始化，同时检测三自由度主机状态，在主动钻杆与钻杆分离、前夹持器夹住钻杆闭合、后夹持器张开的待卸杆状态；

步骤b2：动力头给进至标定位置，上后端扣；

步骤b3：动力头回转给进，通过压力突变判断上扣完毕后，前夹持器松开；

步骤b4：动力头起拔至标定位置，前夹持器夹紧，卸前端扣；

步骤b5：动力头回转起拔，通过压力突变判断卸扣完毕后，动力头起拔至标定位置；

步骤b6：后夹持器夹紧，卸后端扣；

步骤b7：动力头回转起拔，通过压力突变判断卸扣完毕后，动力头起拔至标定位置，发送当前位置坐标给主控制器，同时给六自由度机械臂发送等待卸杆信号；

步骤b8：六自由度机械臂及其末端手爪夹紧钻杆，后夹持器松开，六自由度机械臂将钻杆放入杆箱设定位置，六自由度机械臂运动到指定安全位置并发送信息给三自由度主机；

步骤b9：判断起钻钻杆数量是否达到要求，若起钻完毕，则停止作业，若未起钻完毕，则回到步骤b1进行下一次循环。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人及控制方法，适用井下瓦斯抽采钻孔施工，基于三自由度主机、防爆六自由度机器人装卸系统和钻杆箱，以及自动控制系统与常闭式防喷系统，实现了全自动钻进与常闭式防喷，达到钻机施工效率与安全性“双控双增”的成效。

本发明防爆六自由度机械臂装卸系统可将钻杆从钻杆箱中取出或送回，并依据三自由度主机的空间定位坐标，将钻杆从主机夹持装置中心放置或取出，完成自动加卸杆作业，钻机按设定程序开始自动钻进；钻机钻进系统与防爆六自由度机械臂装卸系统为液驱与电驱分控系统，可交错作业施工，提高动作效率。

本发明常闭式防喷系统与钻机钻进液压系统联动，动作响应快，防喷效果显著，施工安全性显著提高；其可与电源动力系统联动，实现瓦斯超限时的孔口断电闭锁，阻断瓦斯喷出；其亦可与钻机自动控制系统联动，实现钻机待机情况下的自动或手动孔口闭锁。钻机施工时，常闭式孔口防喷装置固定于钻机主机正前方，且与回转器中心重合，孔口防喷装置自身具备前后移动功能，可将自身推至孔口进行密封；其中钻杆密封装置为常闭式结构，常态下夹紧钻杆，防止孔内瓦斯从钻杆与常闭式孔口防喷装置间隙泄露，具备密封钻杆环空的作用；孔口多通下腔排渣装置同样为常闭式结构，其内设有封门，常态下封门关闭，防止瓦斯气体从排渣口泄露，具备密封排渣管的作用；孔口多通上端设有抽气口，抽放瓦斯进入负压管；孔口防喷装置前端设有孔壁密封筒，与孔壁在平推液压油缸作用下贴紧，防止瓦斯从其缝隙泄露。

本发明控制方法采用与钻机液压系统联动控制，实现钻进施工时，常闭式孔口防喷装置迅速打开，不影响正常钻进，停钻时常闭式孔口防喷装置自动关闭，防止孔内瓦斯泄露。当钻场瓦斯传感器监测瓦斯浓度超标，立即发出指令给钻机动力电源，使其对钻机断电，常闭式孔口防喷装置亦可立刻自动关闭，待钻场瓦斯浓度抽放达标后继续施工，可有效避免井下瓦斯超限事故的发生。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明三自由度主机及常闭式防喷系统安装示意图；

图3是本发明变幅稳固装置结构示意图；

图4是本发明履带车体结构示意图；

图5是本发明钻杆箱结构示意图；

图6是本发明六自由度机械臂及其末端手爪结构示意图；

图7是本发明孔口防喷装置结构示意图；

图8是图7的左视图；

图9是本发明转接支架结构示意图；

图10是图9的左视图；

图11是本发明钻杆密封单元结构示意图；

图12是图11的A-A剖视图；

图13是本发明孔口多通结构示意图；

图14是图13的左视图；

图15是本发明漏渣密封单元结构示意图；

图16是图15的左视图；

图17是本发明孔壁密封筒结构示意图；

图18是图17的左视图；

图19是本发明孔口防喷装置的制动阀组件工作原理图；

图20是本发明防喷方法示意图。

附图标号含义：

1.三自由度主机，2.履带车体，3.压力表组件，4.阀组，5.杆箱，6.油箱总装，7.冷却器总装，8.矿用隔爆型急停按钮，9.电机泵组，10.主控制器，11.六自由度机械臂，12.手爪；13.给进机身，14.卸扣器和前夹持器，15.后夹持器，16.变幅稳固装置，17.动力头，18.给进油缸，19.拖板，20.平移油缸，21.平移卡板，22.给进位移拉绳传感器组件，23.平移位移拉绳传感器组件；24.回转支撑，25.编码器，26.举升位移拉绳传感器组件，27.举升油缸，28.立柱油缸滑轨组件，29.立柱下稳固组件，30.旋转式上稳固组件；31.履带车体平台，32.行走履带总成，33.矿用本安双轴倾角传感器，34.吊装索具，35.操纵台阀组，36.压力变送器组件，37.接线盒组件；38.箱体支架，39.钻杆限位架，40.挡杆，41.垫板，42.前仓门，43.挡板组件，44.后仓门；45.底座，46.臂体，47.伺服电机；48.常闭式防喷系统，49.孔口防喷装置，50.瓦斯传感器，51.转接支架，52.钻杆密封单元，53.孔口多通，54.孔壁密封筒，55.漏渣密封单元；56.支架，57.连接件，58.安装垫组件，59.平推油缸，60.斜撑撑杆，61.制动阀组件，611.减压阀，612.液控换向阀，613.截止阀，62.中心孔；63.端环，64.安装筒，65.端盖，66.夹紧液压油缸，67.弧形夹板，68.弧形密封胶筒；70.多通腔体，71.抽气口，72.漏渣口；73.锥形波纹密封筒，74.连接端，75.软橡胶筒；76.一级排渣管，77.二级排渣管，78.门板，79.开闭液压油缸，791.连杆，80.自锁型弹簧锁具；81动力电源。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例提供一种具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人，如图1至图20所示，包括安装在履带车体2上的三自由度主机1、钻杆箱5、六自由度机械臂11及末端手爪12、常闭式防喷系统48、主控制器10；

三自由度主机1包括给进机身13、卸扣器和前夹持器14、后夹持器15、动力头17、给进油缸18、拖板19、平移油缸20、平移卡板21、给进位移拉绳传感器组件22、平移位移拉绳传感器组件23、变幅稳固装置16；所述变幅稳固装置16通过举升油缸27安装在履带车体平台31上，变幅稳固装置16的回转支撑24连接给进机身13一侧；平移油缸20平移、变幅稳固装置16的举升油缸27举升及回转支撑24旋转能实现钻杆三个自由度的调节；

钻杆箱5包括箱体支架38、钻杆限位架39、挡杆40、垫板41、前仓门42、挡板组件43和后仓门44；杆箱5具有多层、多列容纳钻杆的空间，并通过调整侧面垫板41和底面钻杆限位架39能适应不同直径的钻杆；

六自由度机械臂11包括底座45、臂体46和伺服电机47；臂体46在底座45上的旋转角度范围-180°～+180°，伺服电机47能控制臂体46顺序或同步动作，实现末端位置的变化，用于将钻杆从杆箱5中抓取到三自由度主机1的钻杆放置位置；

常闭式防喷系统48包括孔口防喷装置49和瓦斯传感器50；孔口防喷装置49安装在三自由度主机1前端，包括转接支架51、钻杆密封单元52、孔口多通53、孔壁密封筒54和漏渣密封单元55；转接支架51后端通过连接件与前夹持器螺接且转接支架51上的中心孔与前夹持器同轴，转接支架51前端至孔口方向依次设有与中心孔同轴并相互连接的钻杆密封单元52、孔口多通53和孔壁密封筒54，转接支架51通过其平推油缸与孔口多通53连接，通过平推油缸控制钻杆密封单元52、孔口多通53和孔壁密封筒54的轴向位置以使孔壁密封筒54紧贴在孔壁上，漏渣密封单元55设在孔口多通53下端；瓦斯传感器50装于钻孔孔口旁以能监测钻场瓦斯浓度。

主控制器10安装在履带车体平台31后方的托架上，与履带车体平台31通过螺栓连接，能控制履带车体2自调平、自稳固和自动加卸钻杆、自动调节开孔姿态和自动钻进。

履带车体2包括履带车体平台31、行走履带总成32、矿用本安双轴倾角传感器33、吊装索具34、操纵台阀组35、压力变送器组件36和接线盒组件37；行走履带总成32设在履带车体平台31左右两侧；矿用本安双轴倾角传感器33设在履带车体平台31上，并与履带车体2控制部分一起组成自调平和自稳固系统，实现履带车体2的自动定位和自动稳固，稳定的履带车体平台31是钻机进行工作的前提保证，使安装于履带平台上的三自由度主机1能够稳定、准确的按照设定要求工作；吊装索具34焊接在履带车体平台31侧面，满足钻机在装配或运输中的吊装；操纵台阀组35通过螺栓与车体平台相连，应用阀类组合，通过防爆遥控器控制，实现钻机各个动作的控制和执行机构之间的联动功能，保护罩将操纵阀组4台包裹在内，保证钻机整齐美观、防止误操作，在维修、调试或控制系统出现故障时，需先安装电磁阀手柄，再进行手动操作；压力变送器组件36用以实时检测钻机主泵、副泵、给进、起拔、正转、反转和回油工作压力，同时显示在压力表组件3和防爆遥控器控制界面上，方便施工操作人员观察。接线盒组件37螺接在履带车体平台31上，用于连接主控制器10和压力变送器组件36。

六自由度机械臂11可满足加卸钻杆所需的臂展和末端负载，通过控制实现三自由度主机1工作空间内加卸钻杆；手爪12是一种结构简单、适用性强、用于煤矿机器人抓取钻杆时多方向被动柔顺装置，保护刚性机械臂；杆箱5具有多层、多列容纳钻杆的空间，并通过调整能适应不同直径的钻杆；通过控制六自由度机械臂11和手爪12，完成从杆箱5与三自由度主机1之间的加卸钻杆任务；由于各部件是安装在同一车体平台上，则六自由度机械臂11与杆箱5和三自由度主机1之间的距离是相对固定的；调试时对机械手标零，三自由度主机1标零，并测出钻杆箱5与机械手之间、零点主机与机械手的相对坐标值，在工作中，三自由度主机1坐标值的变化通过主机上的三个传感器传递给控制器，则控制器发送命令给机械手，机械手把钻杆送入指定位置；机械手从钻杆箱5抓取钻杆时，因为钻杆是按照固定行距和列距排列的，每次会根据上一次的坐标值通过码垛算法计算出当前的抓取坐标值，从而能准确的抓取；并在指定的装卸钻杆次数内，应用均值法得到误差均值，并自动补偿。

三自由度主机1的卸扣器和前夹持器14以及后夹持器15螺接在给进机身13的安装板上，并与动力头17配合实现钻杆的自动装卸；动力头17与拖板19通过销轴连接，拖板19与给进油缸18的缸筒连接并随给进油缸18的缸筒运动，动力头17与拖板19随着给进油缸18的伸出与缩回在给进机身13上滑移，实现钻机的下钻与起钻；动力头17后端盖装有转速传感器，用于实时检测回转速度；给进油缸18一端连接在给进机身13前端，另一端固定在给进机身13后端；给进位移拉绳传感器组件22一端固定在给进机身13上，另一端固定在拖板19上，实时检测及反馈给进油缸18的行程位置；双作用平移油缸20一端铰接在给进机身13前端，另一端铰接在给进机身13后端，缸筒与平移卡板21连接，通过平移油缸20的伸缩带动给进机身13前后移动，调节给进机身13与钻孔孔口距离；平移位移拉绳传感器组件23一端固定在给进机身13上，另一端固定在平移卡板21上，检测及反馈平移油缸20的平移量；变幅稳固装置16通过举升油缸27安装在履带车体平台31上，变幅稳固装置16的回转支撑24连接给进机身13一侧；平移油缸20平移、变幅稳固装置16的举升油缸27举升及回转支撑24旋转能实现钻杆三个自由度的调节及全断面钻进。

变幅稳固装置16包括立柱油缸滑轨组件28、回转支撑24、编码器25、举升油缸27、举升位移拉绳传感器组件26、立柱下稳固组件29和旋转式上稳固组件30；

立柱油缸滑轨组件28套装在两个立柱下稳固组件29上，立柱油缸滑轨组件28的前壁安装回转支撑24(实现给进机身13倾角调节范围-90°～+90°，各种调节方便可靠)，回转支撑24与主机的给进机身13之间通过L形支撑板连接，回转支撑24的旋转涡轮能带动L形支撑板及给进机身13转动；回转支撑24内装有制动件，制动件能对旋转涡轮进行液力制动锁死；编码器25通过安装座连接在制动件上，编码器25的内轴通过传动轴与L形支撑板连接，实现对钻孔倾角的直接测量；该结构设置能显著提升主机作业的稳定性和作业的安全系数；

举升油缸27下端螺接在履带车体平台31上，举升油缸27上端与立柱油缸滑轨组件28的后壁螺接，通过举升油缸27的伸缩使给进机身13沿立柱油缸运动，实现钻机开孔高度调节；

举升位移拉绳传感器组件26一端螺接在立柱油缸滑轨组件28上，另一端螺接在履带车体平台31上，用以检测及反馈举升油缸27的位移量；

立柱下稳固组件29有两个且相互平行，立柱下稳固组件29包括下立柱及其内部下方的下顶液压油缸，该下顶液压油缸的活塞杆内设有磁致位移伸缩传感器，可实时监测钻机本体平台前端的升高量，立柱下稳固组件29内部上半部分为空心结构，在保证结构强度的前提下可以减轻该立柱本身质量，磁致位移伸缩传感器信号线从立柱空心部分穿出至顶部端盖，立柱侧面设置有安装顶丝的通孔，用于固定位移传感器；

旋转式上稳固组件30有两个且均与立柱下稳固组件29平行，旋转式上稳固组件30通过其下部的旋转套与立柱下稳固组件29连接，旋转式上稳固组件30包括上立柱及其内部上方的上顶液压油缸，在旋转式上稳固组件30下端设有限位销；运输时旋转式上稳固组件30利用限位销与履带车体平台31固定，使上稳固组件收回，与车体宽度保持一致；

在施工稳固状态时，拔出限位销将两个旋转式上稳固组件30均向外旋转90°至车体外即立柱下稳固组件29两侧(通过限位块限位)，并将连接板两端销孔与旋转式上稳固组件30及车体平台销孔对齐，分别插入销轴，限制其自由度，增大稳固间距，提高稳固可靠性，同时更易于机械手抓着钻杆从两个稳固立柱之间穿过；运输时旋转式上稳固组件30的上顶液压油缸活塞杆向上和立柱下稳固组件29的下顶液压油缸活塞杆向下分别伸出，对钻机进行稳固操作，增大了上稳固之间的距离，为钻杆自动装卸系统留出了足够的空间，同时增大了下稳固范围，增大稳固区域，从而增强了钻孔施工的稳定性。

钻杆箱5的箱体支架38包括方形底架和四角位置的四个侧板，方形底架包括两条相互平行的侧梁和两条相互平行的端梁，每条侧梁上设有两个竖向的侧板以围挡钻杆；钻杆限位架39有两个且相互平行并均垂直连接在两个侧梁之间，钻杆限位架39上设有等间距排布的弧形槽以码放钻杆保证钻杆按照固定的间距码放排列，钻杆垂直于钻杆限位架39放置；挡杆40可拆卸设在两个相对的侧板之间并与钻杆限位架39平行以防止整箱钻杆运输时震动引起钻杆掉落，钻机工作时将挡杆40拆除放到箱体支架38后的两组支座通孔内；垫板41螺接在侧板上，通过调整垫板41厚度及更换钻杆限位架39可以满足不同直径钻杆，并适应不同形式的手抓；前仓门42和后仓门44平行相对且分别设在两个端梁上方的两个侧板之间，前仓门42与挡板组件43螺接在一起后再螺接到两个平行相对的侧板上，在钻机工作时从箱体支架38上拆除，用以限定钻杆箱5内钻杆在钻机行走时轴向限位。钻杆箱5具有多层、多列容纳钻杆的空间，并通过调整侧面垫板41和底面钻杆限位架39适应不同直径的钻杆。

六自由度机械臂11的臂体46能以底座45为中心水平转动，底座45设有0基准，臂体46旋转角度范围-180°～+180°；臂体46包括依次相连的肩部、大臂、小臂和手腕，肩部下端与底座45连接，肩部上端通过伺服电机47控制的肩关节与大臂一端连接，大臂另一端通过伺服电机47控制的肘关节与小臂一端连接，小臂另一端通过伺服电机47控制的腕关节与手腕上部连接，手腕下端连接手爪12；六个矿用隔爆型伺服电机47用于关节部位的控制，使机械手六个串联轴顺序或同步动作，实现末端手爪55位置的变化，用于将钻杆从杆仓中抓取到主机的钻杆放置位置。防爆六自由度机械手整机防护等级为IP54，适应煤矿井下潮湿、多粉尘等复杂环境下的作业要求。

转接支架51包括支架56、连接件57、安装垫组件58、平推油缸59、斜撑撑杆60和制动阀组件61；支架56上部中心设有中心孔62用以使钻杆穿过，平推油缸59有两个且位于中心孔62两侧，平推油缸59垂直于支架56且平推油缸59的缸筒贯穿支架56并与支架56固连，平推油缸59的缸杆端位于支架56前方并与孔口多通53两端的耳座连接；连接件57固定在支架56后端面上并与中心孔62同轴，连接件57能与前夹持器螺接；安装垫组件58固定在支架56后端面下部且能与三自由度主机1前端相连；制动阀组件61设在支架56上用以控制平推油缸59、钻杆密封单元52的夹紧液压油缸以及漏渣密封单元55的开闭液压油缸；斜撑撑杆60两端铰接在平推油缸59前部和平推油缸59下方的支架56上。

钻杆密封单元52包括端环63、安装筒64、端盖65、夹紧液压油缸66、弧形夹板67、弧形密封胶筒68；端环63和端盖65设在安装筒64两端且三者的中心通孔同轴相通，多个夹紧液压油缸66沿安装筒64周向均布且每个夹紧液压油缸66沿安装筒64径向设置，每个夹紧液压油缸66的推杆贯穿安装筒64且其端部连接一个弧形夹板67，弧形夹板67内壁贴有弧形密封胶筒68，多个弧形夹板67围成的筒状夹持空间与安装筒64同轴；端环63前壁贴设有环形密封垫以与孔口多通53后端密封连接。常态下夹紧液压油缸在其内部弹簧作用力下沿三个方向夹紧弧形夹板，可保证夹紧状态下弧形密封胶筒四周受力均匀，不出现个别点漏气现象；工作时夹紧液压油缸在液压油作用下迅速打开，弧形密封胶筒依靠自身弹性变形复原，不影响正常钻进施工。

孔口多通53包括筒形的多通腔体70、抽气口71和漏渣口72；多通腔体70为筒形结构，抽气口71位于多通腔体70上端并沿多通腔体70径向贯通，漏渣口72位于多通腔体70下端并沿多通腔体70径向贯通；多通腔体70前端面设有用于与孔壁密封筒54连接的安装孔，多通腔体70后端面设有用于与钻杆密封单元52连接的安装孔，漏渣口72下端面设有能与漏渣密封单元55连接的安装孔。

孔壁密封筒54包括锥形波纹密封筒73、设在锥形波纹密封筒73小口端的连接端74以及设在锥形波纹密封筒73大口端的软橡胶筒75；连接端74能与孔口多通53前端连接，软橡胶筒75能抵在孔壁上。

漏渣密封单元55包括一级排渣管76、二级排渣管77、门板78、开闭液压油缸79和自锁型弹簧锁具80；一级排渣管76上端口与孔口多通53的漏渣口73密封连通，一级排渣管76下端与二级排渣管77上端密封连通且一级排渣管76和二级排渣管77之间通过自锁型弹簧锁具80连接(可迅速拆装并调转二级排渣管方向，适应不同工况下排渣口朝向，便于排渣)，门板78封堵在一级排渣管76内上部，开闭液压油缸79设在一级排渣管76外部且能控制门板78开闭。

开闭液压油缸79的缸筒与一级排渣管76外壁铰接，开闭液压油缸79的缸杆与连杆791一端铰接，连杆791另一端套装在腰型长轴一端，腰型长轴另一端贯穿至一级排渣管76内且与门板78相连，在门板78和腰型长轴之间设有扭簧；开闭液压油缸79能推动门板78开闭，当开闭液压油缸79无动作时，门板78在扭簧作用下能实现关闭。

在门板78上设有橡胶板以在门板78关闭时起密封缓冲作用，阻断瓦斯从一级排渣管76向二级排渣管77泄露；一级排渣管76和二级排渣管77之间设有密封垫；在一级排渣管76外壁安装有淋水管且淋水管靠近一级排渣管76侧壁透水孔，以起到降低粉尘作用。

主控制器10安装在履带车体平台31后方的托架上，与履带车体平台31通过螺栓连接；运输时可拆除托架及主控制器10，减少履带车体平台31的长度尺寸；控制器是钻机的控制中枢和操作指令的集成处理中心，接收并处理传感器组发出的各种信号，根据通讯协议将需要进行显示的信息打包后通过无线网收发模块向外传输；控制器还接收并处理无线网收发模块收到的控制信号，通过程序控制操纵台阀组35的各类防爆电控阀组4、液压阀组4、传感器系统、数字阀和防爆伺服电机47的电流值，进而控制比例电磁阀的换向与阀口开度、数字阀以及防爆伺服电机47的旋转速度和旋转方向，达到控制履带车体2自调平、自稳固和自动加卸钻杆、自动调节开孔姿态、自动钻进的目的。

本发明具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人还包括油箱总装6、冷却器总装7、矿用隔爆型急停按钮8、电机泵组9、主控制器10和防爆遥控器，主控制器10和防爆遥控器通过无线网络模块连接。

油箱总装6与履带车体平台31螺接，包括回油滤油器、空气滤清器、与防爆遥控器通讯的无线网络模块、矿用本质安全型温度变送器、本安型液位传感器、自封式吸油滤油器、高压滤油器，可实时将油箱内油液温度及油箱液位高度传输到主控制器10；自封式吸油滤油器，无须排出液压油，油路自动密封，可直接拔出滤芯更换。

冷却器总装7与油箱总装6连接，包括冷却器安装壳体、手把、冷却器芯和接头，冷却器芯固定在壳体中，壳体通过螺接方式连接到油箱总装6上，方便维修和更换；冷却器总装7连接系统多路阀回油、齿轮箱回油，为液压回油降温，保持油温在正常工作范围之内，起到减少液压元件的老化和磨损。

矿用隔爆型急停按钮8，当发生紧急异常情况时，可通过快速按下此按钮使钻机停止工作，起到保护作用。

电机泵组9是钻机的动力源，包括防爆电动机、Ⅰ泵、Ⅱ泵；Ⅰ泵、Ⅱ泵采用串联方式连接，为充分合理利用空间，电机采用内轴式，直接与Ⅰ泵通过花键连接，通过泵座竖直螺接到履带车体平台31上，电机泵组9嵌于履带车体平台31内，这种安装方式大大增加了钻机的紧凑性。

防爆遥控器与主控制器10连接，包括PLC模块，无线网收发模块Ⅱ，液晶显示屏和操作面板；操作面板、液晶显示屏和无线网收发模块Ⅱ分别与PLC模块连接；PLC模块接收操作面板发出的指令，按照通信协议将指令打包后传给无线网收发模块Ⅱ发出；无线网收发模块Ⅱ接收无线网收发模块发出的信号，并将信号传送给PLC模块进行处理；液晶显示屏用于显示履带车体2和钻进机器人的运动状态，液压系统压力、钻孔深度、钻杆回转转速、油液温度、钻孔方位角和调角角度、钻杆直径和相关警告提示信息；操作面板包括左右履带行走控制手柄，自调平、自稳固启动/停止按钮，一键钻进按钮，各执行机构单动按钮，功能选择按钮，数字输入键盘等。其中，对左右履带控制手柄处理值进行了油门曲线优化，增强了履带行走速度的可控性。

本发明钻孔机器人能实现自动控制的功能，传感器组能否稳定可靠工作是决定该系统能否稳定可靠工作的关键因素；传感器组包括安装在稳固油缸(即下顶液压油缸)内，用于检测稳固油缸伸出长度的磁致伸缩传感器；连接在液压管路中，用于检测油压压力的压力变送器；安装在履带平台上，用于检测履带平台倾角的双轴倾角传感器；安装在三自由度主机1上，用于检测给进油缸18、平移油缸20和举升油缸27位移的拉绳传感器；安装在调角装置(即变幅稳固装置16)，用于检测主机倾角的多圈绝对值编码器25；安装在动力头17后端，用于检测动力头17转速的转速传感器；安装在油箱上，用于检测油温的温度传感器和油箱油液高度的液位传感器；安装在手抓末端，用于检测手抓是否接近钻杆的接近传感器；这些传感器采用CAN总线的方式，将数据传送给主控站；传感器组还包括安装在防爆伺服电机47内部，起反馈作用的绝对值编码器25，工况智能识别模块。

标定工作包括机器人标零、三自由度主机1标零(调角装置主机倾角多圈绝对值编码器25标零，举升油缸27初始位置标零，平移油缸20初始位置标零)、给进油缸18位移拉绳传感器位置标定Z1、Z2、Z3、Z4(位置Z1：动力头17运动的最前端，给进油缸18最小行程，用于钻进时上后端扣；位置Z2：自动钻进时上前端扣(中间钻杆与孔口钻杆之间的丝扣)及自动起钻时卸前端扣；位置Z3：自动钻进时上后端扣位置及自动起钻时卸后端扣；位置Z4：动力头17运动的最后端，给进油缸18最大行程，等待加杆位置，加杆时避让钻杆。)

常闭式防喷系统控制原理：孔口防喷装置与煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工用坑道钻机配套使用，分析其使用工况，并结合钻机常闭式夹持器特点与钻机联动式液压控制原理，将孔口防喷装置的钻杆密封夹紧液压油缸、控制漏渣管开闭的开闭液压油缸与夹持器打开油路相通，夹持器打开高压油液进入常闭式孔口防喷装置的制动阀组件(即控制集成阀)，控制集成阀内设有减压阀、液控换向阀及截止阀。钻机联动控制原理主要控制回转器、卡盘及夹持器联动，当钻机钻进时，回转器及卡盘需带动孔内钻杆转动，钻机液控联动系统高压油液进入夹持器主油缸，打开夹持器，同时分出一路高压油进入孔口防喷装置控制集成阀，高压油经过减压阀，将出口减至适当压力，且不影响夹持器打开主油路压力，减压后的压力分两路，一路去向液控换向阀进口，另一路去推动换向阀阀芯换向，换向后换向阀进出口联通，高压油通过常开的截止阀进入并联的夹紧油缸和开闭油缸，由于夹持器与孔口装置都设于钻机给进装置前端，具有距离近、压损小及动作行程小的特点，可实现孔口防喷装置与夹持器快速联动打开；反之当钻机停钻，需要卡盘松开钻杆，夹持器关闭夹住孔内钻杆，夹持器打开油路卸荷，由于夹持器卸荷油路需经过液压系统中的联动逻辑阀组及换向阀等回油，系统背压会造成存在一定延迟，但卡盘卸荷也存在延迟，两者配合夹紧与松开钻杆，不会造成钻杆滑落事故的发生，但孔口防喷装置如存在延迟，瓦斯气体可瞬间喷出引发安全事故。而设计的孔口防喷装置控制集成阀，停钻时其液控换向阀在弹簧力作用下换向回初始位，夹紧液压油缸和开闭液压油缸高压腔与油箱相通，不受背压影响的情况下，可在弹簧作用力下迅速复位，实现孔口防喷装置的钻杆密封装置与漏渣密封装置快速关闭，将瓦斯密封在孔内及孔口多通腔体内。截止阀常态下开启，可在常闭式孔口防喷装置打开时关闭，使装置处于常开状态，便于满足调试、维护保养等不同工况的使用需求。

实施例2：

本实施例提供一种具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人的防喷方法，该方法通过实施例1中的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人实现，包括以下步骤：

(1)在正常钻进状态下，每个单次钻进回次间隔，装填钻杆时，夹持器夹紧孔内钻杆，孔口防喷装置同样抱紧钻杆进行密封，漏渣密封单元的门板关闭，防止临时停钻时瓦斯喷出；

(2)当孔口或钻场瓦斯超限时，瓦斯传感器会对动力电源发出中断指令，动力电源失电急停，钻机所有动作停止，孔口防喷装置立刻抱紧钻杆以防孔内瓦斯继续泄露，此时仅从孔口防喷装置的孔口多通上端抽气口进行抽气，待瓦斯浓度达标，动力电源才可恢复供电，否则无法启动，孔口防喷装置始终维持抱紧钻杆密封状态；

(3)当施工中出现紧急情况，操作人员按下遥控器急停按键，所有电控阀回到中位，钻机处于待机卸荷状态，孔口防喷装置同时立刻关闭，封堵孔口与孔口多通的漏渣口，实现待机状态下孔口闭锁功能。

实施例3：

本实施例提供一种具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人的控制方法，包括钻进过程和起钻过程；

钻进过程包括以下步骤：

步骤a1：初始化六自由度机械臂和三自由度主机，六自由度机械臂、三自由度主机均回到标定零点，卸扣器闭合、后夹持器张开，动力头在标定位置；

步骤a2：防爆遥控器给三自由度主机输入施工目标孔参数；

步骤a3：三自由度主机按计算结果运动到指定位置，并将坐标位置反馈给控制器；

步骤a4：防爆遥控器发送加杆指令给三自由度主机和六自由度机械臂；

步骤a5：三自由度主机等待加杆，六自由度机械臂及其末端的手爪取杆，六自由度机械臂及其末端的手爪按照钻杆之间的距离及钻杆排布规律编写的码垛程序抓取钻杆；

步骤a6：六自由度机械臂根据三自由度主机反馈的坐标值，应用多项式插值算法规划的运动轨迹抓取钻杆放入夹持器设定位置；

步骤a7：夹持器夹紧，并发送信息给手爪控制手爪松开，同时手爪控制程序调用被动柔顺控制程序，避免钻杆装卸作业过程中，夹持器夹持钻杆时对六自由度机械臂及其末端的手爪产生的冲击破坏；

步骤a8：六自由度机械臂根据多项式插值算法规划的运动轨迹运动到指定安全位置，并发送信息给三自由度主机；

步骤a9：动力头回转给进至压力达到设定值；

步骤a10：通过压力突变判断上扣完成，夹持器松开；

步骤a11：全自动自适应钻进：设定参数钻进或设定档位钻进，根据钻进参数，实施自动增减给进压力、回转压力；

步骤a12：检测到动力头给进至标定位置，三自由度主机停止动作，卸扣器夹紧，卸后端扣；

步骤a13：通过压力突变判断卸扣完毕后，判断钻杆数量是否达到要求设计孔深，则停止作业，若未达到设计孔深，则回到步骤a4进行下一个循环；

起钻过程包括以下步骤：

步骤b1：六自由度机械臂初始化，同时检测三自由度主机状态，在主动钻杆与钻杆分离、前夹持器夹住钻杆闭合、后夹持器张开的待卸杆状态；

步骤b2：动力头给进至标定位置，上后端扣；

步骤b3：动力头回转给进，通过压力突变判断上扣完毕后，前夹持器松开；

步骤b4：动力头起拔至标定位置，前夹持器夹紧，卸前端扣；

步骤b5：动力头回转起拔，通过压力突变判断卸扣完毕后，动力头起拔至标定位置Z3；

步骤b6：后夹持器夹紧，卸后端扣；

步骤b7：动力头回转起拔，通过压力突变判断卸扣完毕后，动力头起拔至标定位置，发送当前位置坐标给主控制器，同时给六自由度机械臂发送等待卸杆信号；

步骤b8：六自由度机械臂及其末端手爪夹紧钻杆，后夹持器松开，六自由度机械臂按照多项式插值算法规划的设定路径轨迹将钻杆放入杆箱设定位置，六自由度机械臂运动到指定安全位置并发送信息给三自由度主机；

步骤b9：判断起钻钻杆数量是否达到要求，若起钻完毕，则停止作业，若未起钻完毕，则回到步骤b1进行下一次循环。

Claims (17)

1.具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人，其特征在于，包括安装在履带车体上的三自由度主机、钻杆箱、六自由度机械臂及末端手爪、常闭式防喷系统和主控制器；

所述三自由度主机包括给进机身、卸扣器和前夹持器、后夹持器、动力头、给进油缸、拖板、平移油缸、平移卡板、给进位移拉绳传感器组件、平移位移拉绳传感器组件、变幅稳固装置；所述变幅稳固装置通过举升油缸安装在履带车体平台上，变幅稳固装置的回转支撑连接给进机身一侧；所述平移油缸平移、变幅稳固装置的举升油缸举升及回转支撑旋转能实现钻杆三个自由度的调节；

所述钻杆箱包括箱体支架、钻杆限位架、挡杆、垫板、前仓门、挡板组件和后仓门；杆箱具有多层、多列容纳钻杆的空间，并通过调整侧面垫板和底面钻杆限位架能适应不同直径的钻杆；

所述六自由度机械臂包括底座、臂体和伺服电机；臂体在底座上的旋转角度范围-180°～+180°，伺服电机能控制臂体顺序或同步动作，实现末端位置的变化，用于将钻杆从杆箱中抓取到三自由度主机的钻杆放置位置；

所述常闭式防喷系统包括孔口防喷装置和瓦斯传感器；孔口防喷装置安装在三自由度主机前端，包括转接支架、钻杆密封单元、孔口多通、孔壁密封筒和漏渣密封单元；所述转接支架后端通过连接件与前夹持器螺接且转接支架上的中心孔与前夹持器同轴，转接支架前端至孔口方向依次设有与中心孔同轴并相互连接的钻杆密封单元、孔口多通和孔壁密封筒，转接支架通过其平推油缸与孔口多通连接，通过平推油缸控制钻杆密封单元、孔口多通和孔壁密封筒的轴向位置以使孔壁密封筒紧贴在孔壁上，所述漏渣密封单元设在孔口多通下端；所述瓦斯传感器装于钻孔孔口旁以能监测钻场瓦斯浓度；

所述主控制器安装在履带车体后方的托架上，与履带车体平台通过螺栓连接，能控制履带车体自调平、自稳固和自动加卸钻杆、自动调节开孔姿态和自动钻进。

2.如权利要求1所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人，其特征在于，所述履带车体包括履带车体平台及其两侧的行走履带总成；还包括安装在履带车体平台上的矿用本安双轴倾角传感器、吊装索具、操纵台阀组、压力变送器组件和接线盒组件；所述矿用本安双轴倾角传感器能实现履带车体的自动定位和自动稳固；所述吊装索具焊接在履带车体平台侧面，满足钻机在装配或运输中的吊装；所述操纵台阀组通过螺栓与履带车体平台相连，通过防爆遥控器控制实现钻机各动作的控制和执行；所述压力变送器组件用以实时检测钻机给进、起拔、正转、反转和回油工作压力，同时显示在防爆遥控器控制界面上以方便施工操作人员观察；接线盒组件螺接在履带车体平台上。

3.如权利要求1所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人，其特征在于，所述三自由度主机的卸扣器和前夹持器以及后夹持器螺接在给进机身的安装板上，并与动力头配合实现钻杆的自动装卸；动力头与拖板通过销轴连接，拖板与给进油缸的缸筒连接并随给进油缸的缸筒运动，动力头与拖板随着给进油缸的伸出与缩回在给进机身上滑移，实现钻机的下钻与起钻；给进油缸一端连接在给进机身前端，另一端固定在给进机身后端；给进位移拉绳传感器组件一端固定在给进机身上，另一端固定在拖板上，实时检测及反馈给进油缸的行程位置；平移油缸一端铰接在给进机身前端，另一端铰接在给进机身后端，缸筒与平移卡板连接，通过平移油缸的伸缩带动给进机身前后移动，调节给进机身与钻孔孔口距离；平移位移拉绳传感器组件一端固定在给进机身上，另一端固定在平移卡板上，检测及反馈平移油缸的平移量。

4.如权利要求3所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人，其特征在于，所述变幅稳固装置包括立柱油缸滑轨组件、回转支撑、编码器、举升油缸、举升位移拉绳传感器组件、立柱下稳固组件和旋转式上稳固组件；

所述立柱油缸滑轨组件套装在两个立柱下稳固组件上，立柱油缸滑轨组件的前壁安装回转支撑，回转支撑与主机的给进机身之间通过L形支撑板连接，回转支撑的旋转涡轮能带动L形支撑板及给进机身转动；回转支撑内装有制动件，制动件能对旋转涡轮进行液力制动锁死；编码器通过安装座连接在制动件上，编码器的内轴通过传动轴与L形支撑板连接，实现对钻孔倾角的直接测量；

所述举升油缸下端螺接在履带车体平台上，举升油缸上端与立柱油缸滑轨组件的后壁螺接，通过举升油缸的伸缩使给进机身沿立柱油缸运动，实现钻机开孔高度调节；

所述举升位移拉绳传感器组件一端螺接在立柱油缸滑轨组件上，另一端螺接在履带车体平台上，用以检测及反馈举升油缸的位移量。

5.如权利要求4所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人，其特征在于，所述立柱下稳固组件有两个且相互平行，立柱下稳固组件包括下立柱及其内部下方的下顶液压油缸，该下顶液压油缸的活塞杆内设有磁致位移伸缩传感器；

所述旋转式上稳固组件有两个且均与立柱下稳固组件平行，旋转式上稳固组件通过其下部的旋转套与立柱下稳固组件连接，旋转式上稳固组件包括上立柱及其内部上方的上顶液压油缸，在旋转式上稳固组件下端设有限位销；运输时旋转式上稳固组件利用限位销与履带车体平台固定，使上稳固组件收回，与车体宽度保持一致；

在施工稳固状态时，拔出限位销将两个旋转式上稳固组件均向外旋转90°至车体外即立柱下稳固组件两侧以增大稳固间距，提高稳固可靠性；运输时旋转式上稳固组件的上顶液压油缸活塞杆向上和立柱下稳固组件的下顶液压油缸活塞杆向下分别伸出，对钻机进行稳固操作。

6.如权利要求1所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人，其特征在于，所述钻杆箱的箱体支架包括方形底架和四角位置的四个侧板，方形底架包括两条相互平行的侧梁和两条相互平行的端梁，每条侧梁上设有两个竖向的所述侧板以围挡钻杆；钻杆限位架有两个且相互平行并均垂直连接在两个侧梁之间，钻杆限位架上设有等间距排布的弧形槽以码放钻杆保证钻杆按照固定的间距码放排列，钻杆垂直于钻杆限位架放置；挡杆可拆卸设在两个相对的侧板之间并与钻杆限位架平行以防止整箱钻杆运输时震动引起钻杆掉落，钻机工作时将挡杆拆除放到箱体支架后的两组支座通孔内；垫板螺接在侧板上，通过调整垫板厚度及更换钻杆限位架可满足不同直径钻杆并适应不同形式的手抓；前仓门和后仓门平行相对且分别设在两个端梁上方的两个侧板之间，前仓门与挡板组件螺接在一起后再螺接到两个平行相对的侧板上，在钻机工作时从箱体支架上拆除，用以限定钻杆箱内钻杆在钻机行走时轴向限位。

7.如权利要求1所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人，其特征在于，所述六自由度机械臂的臂体能以底座为中心水平转动，底座设有0基准；臂体包括依次相连的肩部、大臂、小臂和手腕，肩部下端与底座连接，肩部上端通过伺服电机控制的肩关节与大臂一端连接，大臂另一端通过伺服电机控制的肘关节与小臂一端连接，小臂另一端通过伺服电机控制的腕关节与手腕上部连接，手腕下端连接手爪。

8.如权利要求1所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人，其特征在于，所述转接支架包括支架、连接件、安装垫组件、平推油缸、斜撑撑杆和制动阀组件；所述支架上部中心设有所述中心孔用以使钻杆穿过，平推油缸有两个且位于中心孔两侧，平推油缸垂直于支架且平推油缸的缸筒贯穿支架并与支架固连，平推油缸的缸杆端位于支架前方并与所述孔口多通两端的耳座连接；连接件固定在支架后端面上并与中心孔同轴，连接件能与前夹持器螺接；安装垫组件固定在支架后端面下部且能与三自由度主机前端相连；所述制动阀组件设在支架上用以控制平推油缸、钻杆密封单元的夹紧液压油缸以及漏渣密封单元的开闭液压油缸；所述斜撑撑杆两端铰接在平推油缸前部和平推油缸下方的支架上。

9.如权利要求8所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人，其特征在于，所述钻杆密封单元包括端环、安装筒、端盖、夹紧液压油缸、弧形夹板、弧形密封胶筒及端盖；所述端环和端盖设在安装筒两端且三者的中心通孔同轴相通，多个夹紧液压油缸沿安装筒周向均布且每个夹紧液压油缸沿安装筒径向设置，每个夹紧液压油缸的推杆贯穿安装筒且其端部连接一个弧形夹板，弧形夹板内壁贴有弧形密封胶筒，多个弧形夹板围成的筒状夹持空间与安装筒同轴；所述端环前壁贴设有环形密封垫以与孔口多通后端密封连接。

10.如权利要求9所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人，其特征在于，所述孔口多通包括筒形的多通腔体、抽气口和漏渣口；多通腔体为筒形结构，抽气口位于多通腔体上端并沿多通腔体径向贯通，漏渣口位于多通腔体下端并沿多通腔体径向贯通；多通腔体前端面设有用于与孔壁密封筒连接的安装孔，多通腔体后端面设有用于与钻杆密封单元连接的安装孔，漏渣口下端面设有能与漏渣密封单元连接的安装孔。

11.如权利要求10所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人，其特征在于，所述孔壁密封筒包括锥形波纹密封筒、设在锥形波纹密封筒小口端的连接端以及设在锥形波纹密封筒大口端的软橡胶筒；连接端能与孔口多通前端连接，软橡胶筒能抵在孔壁上。

12.如权利要求10所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人，其特征在于，所述漏渣密封单元包括一级排渣管、二级排渣管、门板、开闭液压油缸和自锁型弹簧锁具；所述一级排渣管上端口与孔口多通的漏渣口密封连通，一级排渣管下端与二级排渣管上端密封连通且一级排渣管和二级排渣管之间通过自锁型弹簧锁具连接，门板封堵在一级排渣管内上部，开闭液压油缸设在一级排渣管外部且能控制门板开闭。

13.如权利要求12所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人，其特征在于，所述开闭液压油缸的缸筒与一级排渣管外壁铰接，开闭液压油缸的缸杆与连杆一端铰接，连杆另一端套装在腰型长轴一端，腰型长轴另一端贯穿至一级排渣管内且与门板相连，在门板和腰型长轴之间设有扭簧；开闭液压油缸能推动门板开闭，当开闭液压油缸无动作时，门板在扭簧作用下能实现关闭。

14.如权利要求13所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人，其特征在于，在门板上设有橡胶板以在门板关闭时起密封缓冲作用，阻断瓦斯从一级排渣管向二级排渣管泄露；一级排渣管和二级排渣管之间设有密封垫；在一级排渣管外壁安装有淋水管且淋水管靠近一级排渣管侧壁透水孔，以起到降低粉尘作用。

15.具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人的防喷方法，其特征在于，该方法通过权利要求1至14任一权利要求所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人实现，包括以下步骤：

(1)在正常钻进状态下，每个单次钻进回次间隔，装填钻杆时，夹持器夹紧孔内钻杆，孔口防喷装置同样抱紧钻杆进行密封，漏渣密封单元的门板关闭，防止临时停钻时瓦斯喷出；

(2)当孔口或钻场瓦斯超限时，瓦斯传感器会对动力电源发出中断指令，动力电源失电急停，钻机所有动作停止，孔口防喷装置立刻抱紧钻杆以防孔内瓦斯继续泄露，此时仅从孔口防喷装置的孔口多通上端抽气口进行抽气，待瓦斯浓度达标，动力电源才可恢复供电，否则无法启动，孔口防喷装置始终维持抱紧钻杆密封状态；

(3)当施工中出现紧急情况，操作人员按下遥控器急停按键，钻机处于待机卸荷状态，孔口防喷装置同时立刻关闭，封堵孔口与孔口多通的漏渣口，实现待机状态下孔口闭锁功能。

16.权利要求1至14任一权利要求所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人的控制方法，其特征在于，该方法的钻进过程包括以下步骤：

步骤a1：初始化六自由度机械臂和三自由度主机，六自由度机械臂、三自由度主机均回到标定零点，卸扣器闭合、后夹持器张开，动力头在标定位置；

步骤a2：防爆遥控器给三自由度主机输入施工目标孔参数；

步骤a3：三自由度主机按计算结果运动到指定位置，并将坐标位置反馈给控制器；

步骤a4：防爆遥控器发送加杆指令给三自由度主机和六自由度机械臂；

步骤a5：三自由度主机等待加杆，六自由度机械臂及其末端的手爪取杆；

步骤a6：六自由度机械臂根据三自由度主机反馈的坐标值，抓取钻杆放入夹持器设定位置；

步骤a7：夹持器夹紧，并发送信息给手爪控制手爪松开；

步骤a8：六自由度机械臂运动到指定安全位置，并发送信息给三自由度主机；

步骤a9：动力头回转给进至压力达到设定值；

步骤a10：通过压力突变判断上扣完成，夹持器松开；

步骤a11：全自动自适应钻进：设定参数钻进或设定档位钻进，根据钻进参数，实施自动增减给进压力、回转压力；

步骤a12：检测到动力头给进至标定位置，三自由度主机停止动作，卸扣器夹紧，卸后端扣；

步骤a13：通过压力突变判断卸扣完毕后，判断钻杆数量是否达到要求设计孔深，则停止作业，若未达到设计孔深，则回到步骤a4进行下一个循环。

17.权利要求1至14任一权利要求所述的具备自动防喷系统的一体式钻孔机器人的控制方法，其特征在于，该方法的起钻过程包括以下步骤：

步骤b1：六自由度机械臂初始化，同时检测三自由度主机状态，在主动钻杆与钻杆分离、前夹持器夹住钻杆闭合、后夹持器张开的待卸杆状态；

步骤b2：动力头给进至标定位置，上后端扣；

步骤b3：动力头回转给进，通过压力突变判断上扣完毕后，前夹持器松开；

步骤b4：动力头起拔至标定位置，前夹持器夹紧，卸前端扣；

步骤b5：动力头回转起拔，通过压力突变判断卸扣完毕后，动力头起拔至标定位置；

步骤b6：后夹持器夹紧，卸后端扣；

步骤b7：动力头回转起拔，通过压力突变判断卸扣完毕后，动力头起拔至标定位置，发送当前位置坐标给主控制器，同时给六自由度机械臂发送等待卸杆信号；

步骤b8：六自由度机械臂及其末端手爪夹紧钻杆，后夹持器松开，六自由度机械臂将钻杆放入杆箱设定位置，六自由度机械臂运动到指定安全位置并发送信息给三自由度主机；

步骤b9：判断起钻钻杆数量是否达到要求，若起钻完毕，则停止作业，若未起钻完毕，则回到步骤b1进行下一次循环。

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