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煤矿井下掘进巷道地面运输机器人的设计说课材料

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煤矿井下掘进巷道地面运输机器人的设计

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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；
        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。
        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。
        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）