[發明專利]基于六軸機械手加卸鉆桿的一體式鉆孔機器人及控制方法

有效

• 申請號: 202211514964.9
• 申請日: 2022-11-30
• 公開（公告）號: CN115538934B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發明（設計）人: 宋海濤;姚亞峰;沙翠翠;彭濤;彭光宇;馬斌;張剛;徐勇智
• 申請（專利權）人: 中煤科工西安研究院（集團）有限公司
• 主分類號: E21B7/02
• 分類號: E21B7/02;E21B19/16;E21B19/10;E21B19/02;E21B19/14;E21B15/04;E21B44/00
• 代理公司: 西安恒泰知識產權代理事務所 61216
• 代理人: 趙中霞

本發明公開了一種基于六軸機械手加卸鉆桿的一體式鉆孔機器人及控制方法，包括履帶車體、安裝在履帶車體上的加卸鉆桿系統和主控制器；加卸鉆桿系統包括三自由度主機、桿箱、位于三自由度主機和桿箱之間的六軸串聯機械手以及六軸串聯機械手末端的鉆桿抓取柔順構件；通過核心控制器智能控制，實現了全自動鉆進施工。本發明在提高鉆機施工安全性、鉆孔效率和減少勞動強度的同時，更促進了鉆探裝備技術自動化、智能化的發展。

技術領域

本發明屬于煤礦井下鉆探裝備領域，涉及一種基于防爆六軸串聯機械手加卸鉆桿的液壓數字控制煤礦用鉆孔機器人系統及其控制方法。

背景技術

我國煤礦多為地下開采，煤礦開采的過程中常伴隨著多種自然災害，如水害、沖擊地壓災害、瓦斯突出災害等，而解決這些災害的主要手段是施工探放水孔、防沖孔及瓦斯抽放孔。隨著煤礦井下開采的進一步深入，井下安全問題日益突出，用于探放水孔、瓦斯抽采孔、防突卸壓孔等各種鉆探施工的自動化和智能化鉆機發展迫在眉睫。面對以信息化、智能化為特征的新一輪能源科技革命，為實現井下“機械化換人、自動化減人、智能化無人”的目標，減人增效驅動技術創新，發展智能鉆探技術裝備是大勢所趨。2020年，八部委聯合印發的《關于推進煤礦智能化發展的指導意見》中指出要推動智能化技術與煤炭產業融合發展，提升煤礦智能化水平，促進我國煤炭工業高質量發展。提高煤炭開采機械化、智能化水平，提升先進產能占比，通過創新驅動轉型發展。

作為煤礦安全領域關鍵裝備——鉆機，其自動化程度的提升，顯得尤為重要。在智能化鉆進技術與裝備方面，國外先進的鉆探技術手段主要運用于地面油氣勘探開發領域，有關煤礦井下坑道鉆探方面的研究相對較少。要將地面先進的技術裝備應用于煤礦井下坑道鉆探施工還存在極大困難，煤礦井下特殊的生產作業環境決定了不可能照搬地面成熟的鉆探技術裝備。

傳統液壓鉆機具有行走、施工距離鉆機近、不能自動防卡、鉆進施工過程中穩固松動導致鉆機移位，造成鉆桿損傷及孔內事故等安全隱患。人工裝卸鉆桿、半自動調節開孔姿態，未實現鉆進過程自動化，一鍵鉆進、一鍵起鉆，勞動強度大、施工效率低。但由于國內對礦用電氣設備具有獨立的認證體系，與國外自動化設備缺乏相互認證，工業基礎較弱，國內自動化鉆機的研究還不是很多，只有少部分應用。

洛陽礦山機械工程設計研究院研發的KY-310高鉆架式全液壓驅動鉆機，利用微電子技術與自動控制技術，使用CAN總線系統對鉆機的工作狀態進行監視與以及對執行機構進行控制，司機室內的監控裝置可對當前鉆孔深度、鉆孔總深度、系統壓力等工作狀態進行實時監控。重慶研究院最早將遙控鉆機投入井下實驗，將鉆機液壓閥改為電磁閥，用PLC作為控制器，以計算機作為操縱終端，實現了鉆機的遙控操作。以上兩種鉆機的共同缺陷均為未實現履帶車體自動調平、自動支撐穩固，防止鉆進施工過程中穩固松動導致鉆機移位，造成鉆桿損傷及孔內事故；未實現鉆進過程自動化，一鍵鉆進、一鍵起鉆；未實現基于網絡進行遠程監測診斷與交互。

鉆桿輸送分為從鉆桿儲存箱到鉆桿輔助定位構件的階段一和鉆桿輔助定位構件到鉆機的階段二。在階段一過程中需要鉆桿輔助定位，將鉆桿放至鉆桿輔助定位構件，待鉆桿在重力作用下滑向導向槽底部，非接觸式限位開關檢測到鉆桿位置，實現鉆桿精確定位后，鉆桿裝卸臂再抓取鉆桿，進行送桿。階段二借助單目相機與安裝在鉆機上的合作目標，利用視覺伺服控制方法，鉆桿裝卸臂將鉆桿準確運送至鉆機給進裝置處于一定角度的夾持器卡瓦中軸線處；兩個階段過程較為復雜，所需時間長；并且階段二所使用的機器視覺合作目標，受鉆進機器人煤礦井下施工環境及光線干擾大，推廣應用還需要繼續研究優化。

發明內容

針對現有技術中存在的不足，本發明的目的在于，提供一種基于六軸機械手加卸鉆桿的一體式鉆孔機器人及控制方法，目的在于克服現有技術中存在的施工效率低、工作空間需求大、機器視覺合作目標受鉆進機器人煤礦井下施工環境及光線干擾大等問題，本發明通過核心控制器智能控制，實現了全自動鉆進施工；在提高鉆機施工安全性、鉆孔效率和減少勞動強度的同時，更促進了鉆探裝備技術自動化、智能化的發展。

為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案予以實現：