CN211474014U - 一种电液执行控制远程智能钻探机器人 - Google Patents

Abstract

本发明内容主要提供了一种电液执行控制远程智能钻探机器人，其主要分为智能控制钻探系统和电液执行控制智能钻杆车，智能控制钻探系统与电液执行控制智能钻杆车进行结合使用并可以独立操作布局，智能控制钻探系统采用远程控制方式，利用互联网及无线网络控制技术对智能控制钻探系统进行远程控制，利用智能感知系统定位设计钻孔布局、钻进地层特性、钻压匹配等，采用人机交互模式对智能控制钻探系统动态进行实时掌控，智能控制钻探系统采用双夹持设计结构，其中一个夹持结构作为自动上卸钻杆的自动换杆系统，较大程度上节约空间，不需要外跨另外辅助机械手臂。

Description

一种电液执行控制远程智能钻探机器人

技术领域

本发明主要涉及一种电液执行控制远程智能钻探机器人，其主要用于煤矿井下无人化或少人化巷道工作面钻孔施工使用，用于井下安全防护作业，尤其对于防冲、防突、探水等施工中的钻探施工。

背景技术

随着科技发展的不断创新，5G时代的来临，极大推动了智能化生产作业的进程，在地面工程机械作业已进行成熟试验，并取得成功，结合当前形势，煤矿矿山也已经踏上进行智能化生产的道路，经过与多个煤矿了解，智能化钻探设备是每个煤矿迫切需求的，实现煤矿的智能化钻探作业可减少井下灾害事故对矿工的人员安全威胁，保障井下施工的高效运行。

针对智能化钻探设备，现阶段在市场应用中较为少见，一般矿方采用的已传统履带式煤矿用液压架柱钻机为主或矿用坑道钻机，每台钻机一般需有两到三个矿工进行操作，由于工作场地的不断改变，钻机在钻孔后会进行不断移动，初期上卸钻杆需要矿工步行一段距离后人工搬运钻杆然后进行钻孔作业，这样十分浪费工作时间，造成的诸多人工成本，并且根据有关数据统计，现多数矿难事故造成的人员伤亡率居高不下，多数矿难事故甚至造成无人生还，在众多矿难事故中以瓦斯突出灾害事故、冲击地压冒顶灾害事故、井下水突出灾害事故占有很大比例，通过智能化钻探设备实现井下无人化作业，减少井下事故对人员安全的威胁势在必行。

发明内容

本发明内容是提供一种电液执行控制远程智能钻探机器人，其主要分为智能控制钻探系统和电液执行控制智能钻杆车，智能控制钻探系统与电液执行控制智能钻杆车进行结合使用并可以独立操作布局，智能控制钻探系统采用远程控制方式，利用互联网及无线网络控制技术对智能控制钻探系统进行远程控制，利用智能感知系统定位设计钻孔布局、钻进地层特性、钻压匹配等，采用人机交互模式对智能控制钻探系统动态进行实时掌控，智能控制钻探系统采用双夹持设计结构，其中一个夹持结构作为自动上卸钻杆的自动换杆系统，较大程度上节约空间，不需要外跨另外辅助机械手臂。

电液执行控制智能钻杆车作为智能控制钻探系统所需钻杆的存储、自动上卸料系统，与智能控制钻探系统进行等列布置并保持可供传递钻杆的间距，通过电液执行控制智能钻杆车上的钻杆循环存储箱对钻杆进行大量的存储，通过钻杆循环存储箱下端的往复钻杆传送机构将钻杆进行输出至自动举升机构，在自动举升机构上通过电液执行控制机械手对钻杆进行抓取，并传递至智能控制钻探系统中的自动上卸钻杆机械臂，电液执行控制智能钻杆车采用多点信号感控进行节点控制，采用PLC编程、视觉感控、自主学习等方式进行多点控制的程序录入，实现钻杆上卸的无人化操作同时具有自行走功能无需进行拖拽，自动识别智能控制钻探系统姿态并进行自身姿态调整。

智能控制钻探系统分别设置有感控回转钻进系统、钻孔定位识别系统、自动换杆系统、行走系统、防抱死泵站系统及终端控制系统等组成。

感控回转钻进系统为主动式钻进设计结构，连接有变量回转马达，内部设置有减速机构，通过减速机构与传动主轴连接，在传动主轴尾部，减速机构的后侧设置有集成数据采集装置，利用集成数据采集装置对钻进参数进行实时采集，包括转速、转矩、钻杆钻温、推进力等，在减速机构下方设置有推进轨道，推进轨道与支撑回转臂进行连接，推进轨道上布置有位移信号感控，可以对钻杆的推进位移距离进行检测，并反馈至控制终端。

钻孔定位识别系统基于井下环境感知及预判开发的钻孔定位设计系统，利用井下地图模拟、红外探测、超声波探测等技术手段对井下钻孔的施工作业环境进行数据生成，并计算所需钻进角度及推进力、钻杆切削转速的匹配，将数据反馈至终端控制系统，由终端控制系统对相关指令进行各部件系统的动作姿态分配，完成钻孔作业的目的，钻孔定位识别系统通过终端控制系统执行整理的钻进参数可以进行钻进地层特性分析，从而对地层压力可以进行实时掌握，同时设置有瓦斯检测系统，可以有效对孔内瓦斯含量进行监测，也可通过远程成像系统进行人为干预，对钻孔定位识别系统进行人为操作，通过成像界面人为判断钻孔定位、钻进系统姿态等，钻孔定位是被系统在多个执行部位设置有远程成像系统，可以多角度、多方位观测施工作业状态及工作现场监测。

自动换杆系统采用智能控制钻探系统中的夹持机构作为机械臂进行钻杆的上卸更换，采用对开夹持式设计结构对钻杆进行装夹，夹持机构内腔为中空结构可以放置夹持钻杆的夹具，夹持机构内部两端设置有内置式油缸用于推动夹具进行线性运动，夹持机构为折叠架构，其运动节拍是：当进行打钻时，夹持机构与推进轨道平行，一端用锁紧油缸进行固定锁紧，在拆卸孔内钻杆时可以水平夹持钻杆实现拆钻；钻杆拆卸完成后，锁紧油缸进行锁紧回撤，夹持机构一侧的回转马达进行顺时针旋转，当旋转至90°与推进轨道垂直时，通过信号感控夹持机构中的内置式油缸带动夹具进行松开，同时电液执行控制智能钻杆车中的电液控制执行机械手对钻杆进行抓取；当进行打钻时夹持机构旋转到与推进导轨的90°位置，电液控制执行机械手将钻杆放置在夹具中，内置式油缸带动夹具进行钻杆加紧，然后夹持机构反转至于推进轨道平行，并利用锁紧油缸进行锁紧，当钻机输出轴与钻杆连接后夹具松开并辅助钻杆与前一根钻杆进行顺序连接。

行走系统采用履带驱动结构，设置有履带底盘并利用液压马达进行整体行走驱动，整体行走距离按照钻孔设计布局进行自动控制。

防抱死泵站系统主要由液压油箱、防爆电机组、泵组、防抱死阀组等部分组成，通过防抱死泵站系统向全部驱动部位进行液压油的供给，在与感控回转钻进系统连接之间安装有防抱死阀组，防抱死阀组是在已申报专利“一种矿用钻机的液控自动化防抱死技术”（专利号：201910873127.7）的基础上研发的用于钻进系统的负载控制机构，对泵站及感控回转钻进系统进行有效保护，实现感控回转钻进系统在负载压力超限后带动钻杆进行回退，防止孔内压钻造成的钻杆断裂。

终端控制系统是对于智能控制钻探系统进行整体操控、数据收集整理运算、指令编写输出的集成化操纵平台，由PLC控制系统或防爆计算机进行控制，并通过网络进行远程传输，远程传输端口设置有手持式操控仪及地面终端控制平台，通过远程成像进行实时监控并通过操控系统进行远程钻进操作，终端控制系统设置有液控阀台，通过液控阀台可对智能控制钻探系统进行人为干预操控。

电液执行控制智能钻杆车主要负责钻杆的存储及搬运码垛、对智能控制钻探系统上卸钻杆的抓取，其主要由电液执行控制机械手、钻杆存储输送机构、钻杆车泵站系统、钻杆车控制终端、钻杆车行走系统组成。

电液执行控制机械手采用液压控制系统，利用伸缩油缸进行各关节机械臂的动作调整，底部利用回转支承进行整体角度旋转调整，能够灵活伸缩臂展，采用对夹式钻杆装夹方式，方便钻杆的一次性夹取。

钻杆存储输送机构为钻杆的存放系统及底部循环输送系统，存放系统为箱式设计结构，内部设置有多个分层栅板用于对钻杆的分列摆放，分层栅板底部按照循环输送系统旋转方向进行一定角度的倾斜，防止钻杆卡死，循环输送系统采用链轮链板原理进行设计，链板之间通过铰接板进行相互连接并能灵活进行转动，链板为弧槽型结构，可以方便钻杆落入其中，链轮为双节距大圆弧结构与链板的弧槽外形一致，并利用液压回转马达进行链轮的驱动，通过链轮转动带动链板进行运动，从而实现对钻杆箱内钻杆的不断传送，当以椭圆圆周传送至一定位置后钻杆自由滚落脱离链板的弧槽，落入自动举升机构位置，自动举升机构感控到钻杆后自动进行举升，从而方便电液执行控制机械手的抓取。

钻杆车泵站系统负责整车液压油供给，利用防爆电机作为驱动，防爆电机连接泵站，通过泵站将液压油箱内的液压油进行多执行系统的输出，满足各职能部位需求。

钻杆车控制终端设置有PLC控制终端及手动控制终端，PLC控制终端采用多点信号感控对钻杆车的每个执行动作进行动作编辑录入及驱动信号感控，与智能控制钻探系统进行多点协调配合并集成进行远程终端控制，可以实时监控钻杆车运行状态，手动控制终端为液压阀控制结构，可以进行人为干预进行钻杆车操作。

钻杆车行走系统为电液执行控制智能钻杆车整体行走驱动系统，采用履带作为行走机构可以有效实现多角度的爬坡，利用液压马达进行履带驱动，并根据控制需求实现钻杆车的精准定位，从而使与智能控制钻探系统的配合距离可以进行有效调整定位，方便工程作业布局及操控。

附图说明：

图1是智能控制钻探系统的立体图

图2是电液执行控制智能钻杆车的立体图

图3是智能控制钻探系统中自动换杆系统的立体图

图4是电液执行控制智能钻杆车中循环输送系统的立体图

其中1—感控回转钻进系统，2—钻孔定位识别系统，3—自动换杆系统，4—行走系统，5—防抱死泵站系统，6—终端控制系统

其中A—电液执行控制机械手，B—钻杆存储输送机构，C—钻杆车泵站系统，D—钻杆车控制终端，E钻杆车行走系统，F—循环输送系统，G—自动举升机构

其中101—减速机构，102—变量回转马达，103—钻杆连接轴，104—回转支承，105—前端夹持器，106—回转驱动滑台，107—推进轨道，108—立柱护板，109—液压立柱，110—支撑座

其中301—夹持机构，302—夹持卡爪，303—自动换杆滑台，304—锁紧油缸，305—回转马达

其中401—履带，402—履带驱动轮，403—支撑底盘，404—底部支撑油缸

其中501—防爆电机，502—液压泵，503—防抱死阀组，504—液压油箱，505—冷凝器

其中601—手动控制平台，602—集成控制终端，603—人工驾驶位

其中A01—回转支承，A02—关节机械臂，A03—钻杆夹取机构

其中B01—钻杆箱围板，B02—钻杆箱栅板，B03—钻杆箱支脚

其中C01—防爆电机，C02—连接法兰盘，C03—液压泵，C04—液压油箱

其中D01—手动控制平台，D02—控制系统

其中E01—钻杆车履带，E02—钻杆车履带驱动轮，E03—钻杆车底盘

其中F01—支撑固定，F02—输送液压马达，F03—铰接板，F04—U型槽板，F05—U型槽，F06—固定轴，F07—驱动链轮，F08—铰接轴。

具体实施方式

参照附图中所涵盖的图形并具体实用说明如下：

依照图中所示，一种电液执行控制远程智能钻探机器人，其主要分为智能控制钻探系统和电液执行控制智能钻杆车。

智能控制钻探系统底部设置有行走系统4，在行走系统4上部一侧安装有感控回转钻进系统1，在感控回转钻进系统1顶部安装有钻孔定位识别系统2，在感控回转钻进系统1中的推进轨道107位置上安装有自动换杆系统3，在感控回转钻进系统1一侧放置有防抱死泵站系统5，在防抱死泵站系统5一侧设置有终端控制系统6.

回转钻进系统1利用立柱护板108作为支撑臂，在立柱护板108内部安装有液压立柱109，液压立柱109顶部设置有支撑座110，与立柱护板108一侧连接的有回转支承104，回转支承104与推进轨道107进行连接，在推进轨道107上安装有回转驱动滑台106，在回转驱动滑台106上安装有减速机构101,并在其上部一侧与变量回转马达102进行连接，在减速机构另一侧设置有输出端并通过钻杆连接轴103进行动力输出，在钻杆连接轴103另一侧可以加装用于信号感控的数据采集装置，用于孔内各种数据的采集，在推进轨道107前端设置有前端夹持器105。

自动换杆系统3与推进轨道107进行固定并可滑动配合，自动换系统3与推进轨道107通过自动换杆滑台303进行固定，在自动换杆滑台303上安装有夹持机构301，夹持架构301内部为中空并滑动设置有夹持卡爪302，夹持机构301利用回转马达305进行驱动进行相对幅度的运动，当进行反转时夹持机构301与自动换杆滑台303相对重合后利用锁紧油缸304进行锁紧固定。

行走系统4通过履带驱动轮402带动履带401进行运动从而进行整体行走，并在其上部布置有支撑底盘403，在支撑底盘403四个对角位置设置有底盘支撑油缸404。

防抱死泵站系统5设置有防爆电机501与支撑底盘403进行连接固定，并在一侧与液压泵502进行连接，在液压泵502一侧与防抱死阀组503连接，并通过液压油箱504提供液压油，利用冷凝器505进行油液的降温处理。

终端控制系统6设置有集成控制终端602，集成控制终端602通过PLC或防爆计算机进行数据汇总并进行指令控制，同时可以安装无线收发器，与手持式操控仪及地面终端控制平台进行互联进行实时控制，也可通过手动控制平台601进行人为干预控制，同时设置有人工驾驶位603。

电液执行控制智能钻杆车设置有钻杆车行走系统E，并在其上面一侧设置电液执行控制机械手A，与电液执行控制机械手A下方位置设置有自动举升机构G，在自动举升机构G另一侧设置有钻杆存储输送机构B，下侧设置有循环输送系统F，通过钻杆车泵站系统C提供整机运行液压动力，并利用钻杆车控制终端D进行整机运行控制及指令输出。

电液执行控制机械手A底部设置有回转支承A01，回转支承A01与关节机械臂A02进行连接，关节机械臂A02通过电液执行器A04的伸缩运动进行不同方向的运动控制，在关节机械臂A02尾端设置有钻杆夹取机构A03用于对钻杆的夹取。

钻杆存储输送机构B为箱体式结构，四周采用钻杆箱围板B01进行外围加装固定，在钻杆箱围板B01内部均匀布置有钻杆箱栅板B02用于对钻杆进行等距分列布置，钻杆存储输送机构B顶部与底部为通透结构，钻杆箱围板B01四角利用钻杆箱支脚B03进行支撑固定。

钻杆车泵站系统C利用连接法兰盘C02将防爆电机C01与液压泵C03进行连接，并同时固定在钻杆车底盘E03上，通过液压油箱C04提供液压油作为动力输出。

钻杆车控制终端D通过控制系统D02对整机进行整体调整控制，采用PLC控制终端采用多点信号感控对钻杆车的每个执行动作进行动作编辑录入及驱动信号感控，可以进行远程终端控制，是可以实时监控钻杆车运行状态，在控制系统D02一侧安装有手动控制平台D01，可以进行人为干预钻杆车的运行。

钻杆车行走系统E通过钻杆车履带驱动轮E02进行动力驱动钻杆车履带E01运动，在其上部设置有钻杆车底盘E03。

循环输送系统F是对钻杆进行循环运输的主要系统，用支撑固定F01对输送液压马达F02进行固定，输送液压马达F02与固定轴F06进行连接，用固定轴F06与驱动链轮F07进行连接，在驱动链轮F07外侧设置有U型槽板F04，U型槽板F04沿两个驱动链轮F07进行圆周阵列并通过铰接板F03进行相邻连接并利用铰接轴F08进行固定，U型槽板内部设置有U型槽F05用于承接落入的钻杆，通过驱动链轮F07保证U型槽板F04的循环运动。

任何人应得知在发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型的保护范围之内。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (5)

1.一种电液执行控制远程智能钻探机器人，其特征在于主要分为智能控制钻探系统和电液执行控制智能钻杆车，智能控制钻探系统与电液执行控制智能钻杆车进行结合使用并可以独立操作布局，智能控制钻探系统采用远程控制方式，利用互联网及无线网络控制技术对智能控制钻探系统进行远程控制，利用智能感知系统定位设计钻孔布局、钻进地层特性、钻压匹配，采用人机交互模式对智能控制钻探系统动态进行实时掌控，智能控制钻探系统采用双夹持设计结构。

2.根据权利要求1所述的一种电液执行控制远程智能钻探机器人，其特征是设置有感控回转钻进系统，变量回转马达，内部设置有减速机构，通过减速机构与传动主轴连接，在传动主轴尾部，减速机构的后侧设置有集成数据采集装置，利用集成数据采集装置对钻进参数进行实时采集，包括转速、转矩、钻杆钻温、推进力，在减速机构下方设置有推进轨道，推进轨道与支撑回转臂进行连接，推进轨道上布置有位移信号感控，可以对钻杆的推进位移距离进行检测。

3.根据权利要求1所述的一种电液执行控制远程智能钻探机器人，其特征是设置有自动换杆系统采用智能控制钻探系统中的夹持机构作为机械臂进行钻杆的上卸更换，采用对开夹持式设计结构对钻杆进行装夹，夹持机构内腔为中空结构可以放置夹持钻杆的夹具，夹持机构内部两端设置有内置式油缸用于推动夹具进行线性运动，夹持机构为折叠架构，其运动节拍是：当进行打钻事，夹持机构与推进轨道平行，一端用锁紧油缸进行固定锁紧，在拆卸孔内钻杆时可以水平夹持钻杆实现拆钻；钻杆拆卸完成后，锁紧油缸进行锁紧回撤，夹持机构一侧的回转马达进行顺时针旋转，当旋转至90°与推进轨道垂直时，通过信号感控夹持机构中的内置式油缸带动夹具进行松开，同时电液执行控制智能钻杆车中的电液控制执行机械手对钻杆进行抓取；当进行打钻时夹持机构旋转到与推进导轨的90°位置，电液控制执行机械手将钻杆放置在夹具中，内置式油缸带动夹具进行钻杆加紧，然后夹持机构反转至于推进轨道平行，并利用锁紧油缸进行锁紧，当钻机输出轴与钻杆连接后夹具松开并辅助钻杆与前一根钻杆进行顺序连接。

4.根据权利要求1所述的一种电液执行控制远程智能钻探机器人，其特征是电液执行控制机械手采用液压控制系统，利用伸缩油缸进行各关节机械臂的动作调整，底部利用回转支承进行整体角度旋转调整。

5.根据权利要求1所述的一种电液执行控制远程智能钻探机器人，其特征是钻杆存储输送机构的存放系统及底部循环输送系统，存放系统为箱式设计结构，内部设置有多个分层栅板用于对钻杆的分列摆放，分层栅板底部按照循环输送系统旋转方向进行一定角度的倾斜，循环输送系统采用链轮链板原理进行设计，链板之间通过铰接板进行相互连接并进行转动，链板为弧槽型结构，液压回转马达进行链轮的驱动，通过链轮转动带动链板进行运动。

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