煤矿井下掘进巷道地面运输机器人的设计

龙源期刊网煤矿井下掘进巷道地面运输机器人的设计作者：梁吉军高慧祝海涛来源：《科学导报·科学工程与电力》2019年第12期【摘要】本文重点介绍煤矿井下掘进巷道地面运输现状，地面运输机器人的结构、特点，以及推广应用价值。【关键词】现状；机器人；结构；特点；价值。1引言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、无极变速、能承受较大冲击、系统的刚度高和响应快等优点，成為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、控制无龙源期刊网法达到足够精确等，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。2.煤矿井下掘进巷道地面运输现状2.1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。2.2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。2.3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。2.4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，是个很好的研发方向。3掘进巷道地面运输机器人的设计3.1掘进巷道地面运输机器人的结构掘进巷道地面运输机器人的结构如图1所示。掘进巷道地面运输机器人结构包括：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、遥控器；行走器Ⅰ的上端法兰与外框架的底部四角处螺栓连接；行走器Ⅱ的上端法兰与移动小车的底部四角处螺栓连接；旋转器的上端法兰与移动小车的底部中心处螺栓连接；移动装置包括轴承座、液压马达、减速器、丝杠、丝母座等，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；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，通过移动装置实现移动小车和外框架之间相对滑移；储料箱与移动小车的上部螺栓联接；检测系统安装在储料箱的左端上部；控制系统和液压系统安装在储料箱的内部。01—行走器Ⅰ；02—行走器Ⅱ；03—旋转器；04—移动装置；05—外框架；龙源期刊网—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。图1掘进巷道地面运输机器人的主视图3.2掘进巷道地面运输机器人的特点3.2.1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。3.2.2旋转器包括螺旋式摆动油缸、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；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；旋转器的主要作用：当检测系统检测到移动小车前端有障碍物、出现直线行走偏移、或需要拐弯时，移动小车移动到外框架的中间位置，将旋转器的伸缩油缸伸出，行走器Ⅰ和行走器Ⅱ的油缸缩回，通过旋转器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。3.2.3检测系统由红外线距离检测仪、激光扫描仪、TOF相机、定位系统等组成，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、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。3.2.4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。3.2.5采用液压系统，另一种方案采用风动或水压系统；所有电器元件、控制系统等有严格的防爆要求。3.2.6电源采用直接接电源线、或自带蓄电池，控制系统等有严格的防爆要求。3.2.7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。4掘进巷道地面运输机器人的推广应用价值井下掘进巷道采用运输机器人，占用空间小、设备外型小、灵活性好、工作效率高；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；符合国家政策，符合国家煤矿安全的要求，具有广阔的推广应用前景。龙源期刊网参考文献：[1]高健，江丽琴，掘进巷道辅助运输研究，河北煤炭，2013年第6期23-25页。[2]申少波，掘进巷道运输系统集中控制改造的方法，煤炭与化工，2008年第9期80-82页。作者简介：梁吉军（1973-），男，山东泰安人，1998年毕业于哈尔滨理工大学机械设计专业，高级工程师，现在山东莱芜煤矿机械有限公司技术开发中心从事选煤、选矿工艺系统设计及产品开发设计。（作者单位：山东莱芜煤矿机械有限公司）