CN209704625U - 一种煤矿井下掘进巷道地面运输机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种煤矿井下掘进巷道地面运输机器人，该设备包括行走器Ⅰ、行走器Ⅱ、旋转器、移动装置、外框架、移动小车、储料箱、检测系统、控制系统、液压系统和遥控器，本实用新型通过移动装置实现移动小车和外框架之间相对滑移，控制系统同时与遥控器联锁，实现远距离遥控操作，通过光缆，实现地面遥控。本对用新型的设备外型小、占用空间小、灵活性好、工作效率高，实现了无人值守或少人值守，符合国家安全要求和安全政策。

Description

一种煤矿井下掘进巷道地面运输机器人

技术领域

本实用新型涉及煤矿机械运输设备技术领域，特别是涉及一种煤矿井下掘进巷道地面运输机器人。

背景技术

国家煤矿安全监察局公告(2019年第1号)，《煤矿机器人重点研发目录》中明确了井下掘进巷道运输机器人的研发方向，井下巷道运输机械化、智能化、无人化是今后发展趋势，特别是人工成本的增加、煤矿安全的要求等因素，对智能化、机械化运输的要求也越来越高；如何减少安全隐患、无人值守或少人值守，是煤矿急需解决的技术难题；由于受防爆、光线、粉尘、地面条件等因素的限制，成功应用在煤矿井下掘进巷道内的运输机器人很少，正在处于研究阶段。

足式机器人国内外目前常用的驱动形式主要有电动和液压，由于液压驱动具有负载能力强、功率密度高、无级变速、能承受较大冲击、系统的刚度高和响应快等优点，成为高性能户外重载四足机器人的首要选择。美国波士顿动力公司研制的“BigDog”四足机器人，意大利技术研究院研制的“HYQ”四足机器人，国内山东大学研制的“SCalf”四足机器人等，都采用的是液压驱动方式，各关节处采用液压缸直线驱动实现足式机器人关节转动，然而，直线液压缸驱动关节转动，其安装与运动空间需求大，对应关节转动角度小，不能满足足式机器人关节大运动转角的特殊场合运动性能要求；其次，关节运动转速与直线液压缸移动速度的速比随运动位置不同而不同，同理直线液压缸输出力随运动位置不同也不同，这种速度与力不均衡的缺点，使得关节运动的力与速度控制难度增加，不利于足式机器人运动实现，也阻碍了液压驱动足式机器人关节设计思路；此外，传统的非对称直线型液压缸，液压伺服控制模型相对复杂，给控制算法增加了难度；这种机器人不适合于煤矿井下掘进巷道内的环境。

仿生机器人的发展是机器人发展的高级阶段，其采用的仿生物特性的设计不仅使

机器人的运动更灵活、控制更精确，而且其特定的结构可以更好的满足某些特殊的工作要求。目前，世界上很多国家的科研机构都在着力研究仿生机器人，仿生机器人己逐渐应用于抢险救灾、科研探索等领域，特别是在人类难以到达或很危险的作业环境下工作。仿生机器人的发展经历了原始探索、仿生仿型、机电与生物系统融合三个阶段。随着现代科技的快速发展，仿生机器人正迈向更加智能、更加符合生物结构特性的方向。但是，如今仿生机器人还存在很多问题，包括：结构模型相对简单、对生物机理揭示不足、驱动方式能量利用率较低、控制无法达到足够精确等，现有的运输机器人重量沉、体积大，且只能平地运输，很多场合不能应用，更不适合于煤矿井下掘进巷道内的环境。

目前工业运输机器人行走方式采用履带车，对于打地锚杆的掘进巷道不使用。

目前主要的运输方案为：

1)目前掘进迎头一段距离，约30000mm，大部分采用人工运输：在掘进迎头附近，掘进机宽度约3000mm至3800mm，长约8000mm至10000mm；皮带运输机最大外形宽度约1500mm，长约10000mm，而巷道宽度约 4000mm至5000mm；在巷道内，掘进机和皮带运输机两侧预留的空间狭窄，运输车辆很难通过，单轨吊虽然能从皮带运输机(偏一侧)的一侧通过，但很难从掘进机一侧通过，掘进机长度方向这段距离仍需要人工运输，锚杆需求量大，工人的劳动强度高。

2)专利号为201721426485.6的实用新型专利《一种四足机器人》，授权公告日2018年5月11日；专利号为201810675697.0的实用新型专利《一种新型仿生多足运输机器人及使用方法》，申请公布号 CN108995732A，申请公布日2018年12月14日；这两项专利主要存在不足：①四足自由度多，故障率高；②承载力小；③结构复杂，且不适用于空中抓锚杆迈步；④对于防爆、防尘、光线、检测等问题没有研究。

目前矿井施工由于矿物越挖越深，相对生产安全也越来越重要，特别是煤矿井下，煤炭内蕴涵的瓦斯与施工人员呼吸的氧气不可避免的混合，瓦斯浓度高了，容易发生爆炸，存在很大的安全隐患；由于煤矿井下瓦斯的存在，对井下设备、电器元件、控制系统、电源、电火花等有严格的防爆要求，但现有公开的井下机器人，并没有提及，也没有应对措施，不具备实用性；对于深井作业的渗水、塌方现象也经常发生，严重危险施工人员的生命安全，在危险的环境下采用机器人代替人工操作，是个发展趋势。

由于受煤矿井下瓦斯、光线、电源、防爆性、防尘、防水、地面凸凹不平、环境多变不规则等因素的影响，井下机器人研究的很少，是目前国内外难题，将机器人结构和功能简单化，解决某个单一的问题，投资少、故障率低、安全可靠，是本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处，公开了一种煤矿井下掘进巷道地面运输机器人。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种煤矿井下掘进巷道地面运输机器人，包括行走器Ⅰ、行走器Ⅱ、旋转器、移动装置、外框架、移动小车、储料箱、检测系统、控制系统、液压系统和遥控器，所述行走器Ⅰ的上端法兰与外框架的底部四角处螺栓连接，所述行走器Ⅱ的上端法兰与移动小车的底部四角处螺栓连接，所述旋转器的上端法兰与移动小车的底部中心处螺栓连接，所述移动装置包括轴承座、液压马达、减速器、丝杠和丝母座，移动装置的丝母座固定在移动小车的两侧的中部，移动装置的轴承座固定在外框架两侧的端部，所述移动小车安装在外框架的内侧，移动小车与外框架通过燕尾结构联接，移动小车和外框架通过移动装置实现两者之间的相对滑移，所述储料箱与移动小车的上部螺栓联接，所述检测系统安装在储料箱的左端上部，所述控制系统和液压系统安装在储料箱的内部，所述检测系统包括红外线距离检测仪、激光扫描仪、TOF相机和定位系统，检测系统用于检测周围环境、检测障碍物的位置及距离，便于控制行走器Ⅰ、行走器Ⅱ、旋转器和移动装置，激光扫描仪和TOF相机具有记录和记忆功能，并可以优化路径，对于相同条件下的位置，动作可以一步到位，效率高；控制系统类似机器人智能大脑，精确计算、抓紧、定位，独立实现整个过程的控制；控制系统同时与遥控器联锁实现远距离遥控操作，通过光缆，实现地面遥控，减少井下人员，做到无人或少人值守，符合国家安全要求和安全政策。

优选的，所述行走器Ⅰ和行走器Ⅱ为特殊设计的工程多级缸，能够承受径向力，适合于越过500mm的障碍物，行走器Ⅰ和行走器Ⅱ的活塞杆头端设有锯齿形凹槽，增大与地面的摩擦力。

优选的，所述旋转器包括螺旋式摆动油缸和伸缩油缸，旋转器的伸缩油缸为特殊设计的工程多级缸，能够承受径向力，适合于越过500mm 的障碍物，所述旋转器的伸缩油缸的活塞杆头端设有锯齿形凹槽，增大与地面的摩擦力。

优选的，所述液压系统包括液压泵站、电机、叶片泵、电接触比例阀和管路系统。

本实用新型的有益效果是：

(1)国内首创，符合国家政策，符合国家煤矿安全的要求，井下掘进巷道采用运输机器人，实现远距离遥控操作，通过光缆，实现地面遥控，实现无人值守或少人值守，减少安全隐患。

(2)占用空间小、设备外型小、灵活性好、工作效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型所述的一种煤矿井下掘进巷道地面运输机器人的主视图。

图2是本实用新型所述的一种煤矿井下掘进巷道地面运输机器人的俯视视图；

图3是本实用新型所述的一种煤矿井下掘进巷道地面运输机器人的左视图。

图4是本实用新型所述的一种煤矿井下掘进巷道地面运输机器人迈步左端位置示意图。

图5是本实用新型所述的一种煤矿井下掘进巷道地面运输机器人迈步右端位置示意图。

图中：01—行走器Ⅰ，02—行走器Ⅱ，03—旋转器，04—移动装置，05—外框架，06—移动小车，07—储料箱，08—检测系统，09—控制系统，10—液压系统，11—遥控器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一些实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本具体实施例中提供的煤矿井下掘进巷道地面运输机器人包括设有行走器Ⅰ01、行走器Ⅱ02、旋转器03、移动装置04、外框架05、移动小车06、储料箱07、检测系统 08、控制系统09、液压系统10和遥控器11，行走器Ⅰ01的上端法兰与外框架05的底部四角处螺栓连接；行走器Ⅱ02的上端法兰与移动小车 06的底部四角处螺栓连接，旋转器03的上端法兰与移动小车06的底部中心处螺栓连接，移动装置04包括轴承座、液压马达、减速器、丝杠和丝母座，移动装置04的丝母座固定在移动小车06的两侧的中部，移动装置04的轴承座固定在外框架05两侧的端部，移动小车06安装在外框架05的内侧，移动小车06与外框架05通过燕尾结构联接，移动小车06和外框架05通过移动装置04实现两者之间的相对滑移，储料箱07与移动小车06的上部螺栓联接，检测系统08安装在储料箱07的左端上部，控制系统09和液压系统10安装在储料箱07的内部；检测系统08包括红外线距离检测仪、激光扫描仪、TOF相机和定位系统，检测系统08检测周围环境、检测障碍物的位置及距离，便于控制行走器Ⅰ01、行走器Ⅱ02、旋转器03、移动装置04，激光扫描仪和TOF相机具有记录和记忆功能，并可以优化路径，对于相同条件下的位置，动作可以一步到位，效率高；控制系统09类似机器人智能大脑，精确计算、抓紧、定位，独立实现整个过程的控制。

行走器Ⅰ01和行走器Ⅱ02为特殊设计的工程多级缸，能够承受径向力，适合于越过500mm的障碍物，行走器Ⅰ01和行走器Ⅱ02的活塞杆头端设有锯齿形凹槽，增大与地面的摩擦力。

旋转器03包括螺旋式摆动油缸和伸缩油缸，旋转器03的伸缩油缸为特殊设计的工程多级缸，能够承受径向力，适合于越过500mm的障碍物，所述旋转器03的伸缩油缸的活塞杆头端设有锯齿形凹槽，增大与地面的摩擦力。旋转器03的主要作用为当检测系统08检测到移动小车 06前端有障碍物、出现直线行走偏移或需要拐弯时，移动小车06移动到外框架05的中间位置，将旋转器03的伸缩油缸伸出，行走器Ⅰ01 和行走器Ⅱ02的油缸缩回，通过旋转器03的液螺旋式摆动油缸进行旋转，实现拐弯，另外也可以实现越过障碍物。液压系统10包括液压泵站、电机、叶片泵、电接触比例阀和管路系统。

如图4所示，移动小车06通过移动装置04移动到前端位置，行走器Ⅱ02的活塞杆伸出，行走器Ⅱ01的活塞杆缩回，通过移动装置04将外框架05向后滑移，到达图5位置，循环进行。

控制系统09同时与遥控器11联锁，实现远距离遥控操作，通过光缆，实现地面遥控，减少井下人员，做到无人或少人值守，符合国家安全要求和安全政策。

本实用新型的煤矿井下掘进巷道地面运输机器人采用液压系统，也可以采用风动或水压系统，本实用新型的所有电器元件和控制系统等均有严格的防爆要求。

本实用新型的煤矿井下掘进巷道地面运输机器人中的电源采用直接接电源线或自带蓄电池。

本实用新型的煤矿井下掘进巷道地面运输机器人中的丝杠和活塞杆外漏部分采用折叠式的套进行防护，整机外表面进行二次防护，防止灰尘，延长整机的使用寿命。对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种煤矿井下掘进巷道地面运输机器人，其特征是：包括行走器Ⅰ(01)、行走器Ⅱ(02)、旋转器(03)、移动装置(04)、外框架(05)、移动小车(06)、储料箱(07)、检测系统(08)、控制系统(09)、液压系统(10)和遥控器(11)，所述行走器Ⅰ(01)的上端法兰与外框架(05)的底部四角处螺栓连接，所述行走器Ⅱ(02)的上端法兰与移动小车(06)的底部四角处螺栓连接，所述旋转器(03)的上端法兰与移动小车(06)的底部中心处螺栓连接，所述移动装置(04)包括轴承座、液压马达、减速器、丝杠和丝母座，移动装置(04)的丝母座固定在移动小车(06)的两侧的中部，移动装置(04)的轴承座固定在外框架(05)两侧的端部，所述移动小车(06)安装在外框架(05)的内侧，移动小车(06)与外框架(05)通过燕尾结构联接，移动小车(06)和外框架(05)通过移动装置(04)实现两者之间的相对滑移，所述储料箱(07)与移动小车(06)的上部螺栓联接，所述检测系统(08)安装在储料箱(07)的左端上部，所述控制系统(09)和液压系统(10)安装在储料箱(07)的内部，所述检测系统(08)包括红外线距离检测仪、激光扫描仪、TOF相机和定位系统所述控制系统(09)同时与遥控器(11)联锁实现远距离遥控操作。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下掘进巷道地面运输机器人，其特征是：所述行走器Ⅰ(01)和行走器Ⅱ(02)的活塞杆头端均设有锯齿形凹槽。

3.根据权利要求1所述的煤矿井下掘进巷道地面运输机器人，其特征是：所述旋转器(03)设有螺旋式摆动油缸和伸缩油缸，所述旋转器(03)的伸缩油缸的活塞杆头端设有锯齿形凹槽。

4.根据权利要求1所述的煤矿井下掘进巷道地面运输机器人，其特征是：所述液压系统(10)设有液压泵站、电机、叶片泵、电接触比例阀和管路系统。