CN112922594B - 一种复杂工况下的采矿机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复杂工况下的采矿机器人，包括机体和行进机构，其特征在于，所述机体的内部设置PLC中央控制***和电源模块，机体上部设有开采机构、掘进清障机构和探测预警装置，所述开采机构和掘进清障机构上均设置有控制器，所述控制器分别通过通讯线路连接机身内部设置的PLC中央控制***。本发明解决了目前现有采矿机器人功能单一、采矿效率低且采矿过程容易引发煤层塌方的问题。它实现了空间较小、隧道崎岖的复杂工况下薄煤层无人化开采，减少煤矿井下高风险工况下的人工开采作业，提高了煤矿开采安全作业度和事故防控能力，降低煤矿开采风险等级，有利于煤矿减人增效，减轻工人劳动强度，大大提高了开采的效率。
Description
技术领域
本发明属于矿山机械技术领域，具体涉及一种复杂工况下的采矿机器人。
背景技术
长期以来，我国一直是世界第一大煤炭生产国和消费国，煤炭对我国经济的高速发展起到了举足轻重的作用。但由于矿井内部环境恶劣情况复杂，甲烷气体、一氧化碳、碳粉扬尘、塌方等问题时刻威胁着矿工和施工人员的安全，矿产开采工作一直是危险程度高、风险大的行业。
随着采矿技术的不断发展，矿产开采工作逐渐由传统主要依赖人工开采发展到机械化、半自动化开采。对于煤层较厚、矿产资源丰富的矿产开采，目前主要是采用大型采煤机机械化流水开采作业。但对于煤层相对较薄，空间较小、隧道崎岖的矿产开采区，则不适用大型采煤机械，目前主要还是依赖人工进行开采，风险程度很高。
为解决上述问题，公开号为CN109057790A公开了一种采矿机器人，包括下盘体，下盘体底部设有多个履带轮；所述下盘体的顶部连接有上盘体，上盘体的两端设有连杆机构，连杆机构连接有液压冲击机构，液压冲击机构的输出端连接有冲头；上盘体前部设有勾爪，在上盘体上设有主动轴和从动轴，支撑架的侧方设有第二驱动电机，第二驱动电机的电机轴连接有减速器，由驱动电机驱动传送带，将开采的煤炭传输至运输斗。
目前现有采矿机器人存在功能单一，开采效率低，且依赖冲击机构进行冲击开采很容易引发开采层塌方的问题。为了提高复杂工况下的开采效率，设计一种功能多，开采效率高，且能适应空间小，隧道崎岖工况下的采矿机器人成为目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种复杂工况下的采矿机器人，解决了目前现有采矿机器人功能单一、采矿效率低且采矿过程容易引发煤层塌方的问题。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：一种复杂工况下的采矿机器人，包括机体和行进机构，其特征在于，所述机体的内部设置PLC中央控制***和电源模块，机体上部设有开采机构、掘进清障机构和探测预警装置，所述开采机构和掘进清障机构上均设置有控制器，所述控制器分别通过通讯线路连接机身内部设置的PLC中央控制***。
作为进一步优化，本发明还在如下方面做了改进：
所述的行进机构包括驱动轮和行走辅助机构，所述驱动轮与机体之间设置有机架，驱动轮安装在机架的底部；所述机体与机架之间还设置有回转机构，所述机体安装在回转机构的上部；所述行走辅助机构安装在机体的两侧。
所述回转机构包括回转体和回转台，所述回转体和回转台的中心设置伸缩立柱，所述回转体安装在机架上，所述回转台安装在回转体的上部。
所述行走辅助机构包括多个仿生肢，所述的仿生肢对应安装在机体的两侧；所述的仿生肢包括腿部、內肢和外肢，腿部、內肢和外肢的连接处设置驱动腿部、內肢和外肢活动的驱动电机。
所述机体上部设置有梯形台，梯形台设置两级台阶，将梯形台分成一级梯形台面和二级梯形台面，所述的开采机构、掘进清障机构和探测预警装置安装在梯形台上。
所述的开采机构为滚筒采煤机，包括中间机体、左切割滚筒和右切割滚筒、左摇臂和右摇臂，所述的左切割滚筒和右切割滚筒分别对应安装在左摇臂和右摇臂上，所述的左摇臂和右摇臂与中间机体之间分别对应设置有左连接件和右连接件，所述的左摇臂和右摇臂分别通过连接件连接在中间机体上，所述左摇臂和右摇臂与左连接件和右连接件连接处设置驱动左摇臂和右摇臂转动的回转电机。
所述的左连接件和右连接件为人字形结构，所述左连接件和右连接件均包括三个连接端分别为第一连接端、第二连接端，第三连接端。
所述左连接件的第一连接端连接左摇臂，所述左连接件的第二连接端通过铰链连接在中间机体的左侧，所述左连接件的第三连接端与中间机体之间设置第一油缸，第一油缸的一端与第三连接端铰接，另一端连接在中间机体上。
所述右连接件的第一连接端连接右摇臂，所述右连接件的第二连接端通过铰链连接在中间机体的右侧，所述右连接件的第三连接端与中间机体之间设置第二油缸，第二油缸的一端与右连接件的第三连接端铰接，另一端连接在中间机体上。
所述的掘进清障机构包括第一驱动电机、动臂、斗杆和铲斗，所述动臂的一端连接在第一驱动电机的动力输出端上，动臂的另一端连接斗杆，动臂与斗杆的连接处设置回转轴和驱动斗杆相对动臂旋转的第二驱动电机，所述铲斗安装在斗杆远离动臂的一端上，所述铲斗和斗杆之间设置调节铲斗角度的角度调节杆。
所述的探测预警装置设置在梯形台的中部，所述的探测预警装置包括安装支架和防护壳体，所述防护壳体内部设置甲烷传感器、一氧化碳传感器、温度传感器、报警器和防尘摄像头，所述的甲烷传感器、一氧化碳传感器、温度传感器、报警器和防尘摄像头分别通过通讯线路连接PLC中央控制***。
所述的PLC中央控制***包括PLC中央控制器、信号发射模块和信号接收模块，信号发射模块和分别连接PLC中央控制器。
本发明的有益效果是：
(1)本发明一种复杂工况下的采矿机器人机体上部设有开采机构、掘进清障机构和探测预警装置实现了在安全工况下的自动化开采。
(2)本发明设置有探测预警装置可实时对开采区域的工况进行探测，并将所采集的数据信号传输至PLC中央控制***，当检测到采矿区域工况不适合作业时，PLC中央控制***可及时控制开采机构、掘进清障机构停止作业，保证采矿机器人在安全工况下进行开采作业，避免安全事故发生和因安全事故引发的不必要损失。
(3)本发明开采机构采用的是滚筒采煤机，采煤机的摇臂旋转采用了油缸和和回转电机相结合的控制方式，油缸实现了摇臂的小角度转动，回转电机可以实现摇臂的大角度旋转，可以根据具体煤层情况实现摇臂所及范围的多角度开采。
(4)本发明设置有掘进清障机构，掘进清障机构具有煤炭开采、清理隧道开采区障碍以及将开采的煤炭转移至运输车的功能，掘进清障机构的长臂和斗杆均采用驱动电机控制，实现了长臂和斗杆多角度大幅度转动，满足掘进清障机构不同情况的使用要求，另外，在紧急情况下，掘进清障机构还可以作为支撑装置使用。
(5)本发明采用了开采机构、掘进清障机构相配合的结构设计，满足了对低、中、高不同煤层的开采要求，由于本发明主要针对的是薄煤层的开采而设计的，受空间的限制滚筒采煤机摇臂长度的设计一般不会太长，滚筒采煤机采煤范围为摇臂所及的范围，对于采矿区出现的超过摇臂长度范围的一些低煤层和高煤层，掘进清障机构则可进行开采作业，有效弥补了开采机构的不足，实现了全方位无人化开采。
(6)本发明实现了空间较小、隧道崎岖的复杂工况下薄煤层无人化开采工作，减少煤矿井下高风险工况下的人工开采作业，提高了煤矿开采安全作业度和事故防控能力，降低煤矿开采风险等级，有利于煤矿减人增效，减轻工人劳动强度，大大提高了开采的效率。
附图说明
图1为本发明仿生肢展开时结构示意图。
图2为本发明仿生肢收起时结构示意图。
图3为图2的左视图。
图4为本发明中滚筒采煤机的结构示意图。
图5为本发明中掘进清障机构向上翻转后的工作状态图。
图6为本发明中掘进清障机构向右侧地面翻转后的工作状态图。
图7为本发明中掘进清障机构折叠状态图。
图8为本发明中掘进清障机构折叠后滚筒采煤机工作状态图。
图9为本发明中机架的结构示意图。
图10为本发明中伸缩立柱的结构示意图。
图中：1-机体、101-梯形台、2-滚筒采煤机、21-中间机体、22-左切割滚筒、23-右切割滚筒、24-左摇臂、25-右摇臂、26-左连接件、27-右连接件、28-第一油缸、29-第二油缸、3-掘进清障机构、31-第一驱动电机、32-动臂、33-斗杆、34-铲斗、35-第二驱动电机、4-探测预警装置、41-安装支架、42-防护壳体、5-履带轮、6-仿生肢、61-腿部、62-內肢、63-外肢、7-机架、8-回转体、9-回转台、10-伸缩立柱。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。
如图1、图2、图3所示，本发明一种复杂工况下的采矿机器人，包括机体1和行进机构，所述机体的内部设置PLC中央控制***、矿用防爆电池和外接电源接口，所述的PLC中央控制***包括PLC中央控制器、信号发射模块和信号接收模块，信号发射模块和分别连接PLC中央控制器。矿用防爆电池用于采矿机器人进入采矿区的临时供电或临时紧急供电。
所述机体1上部设置有梯形台101，采矿机器人的主体包括滚筒采煤机2、掘进清障机构3和探测预警装置4安装在梯形台上。
梯形台101设置两级台阶，将梯形台分成一级梯形台面和二级梯形台面，一级梯形台面低于二级梯形台面，考虑到采矿机器人在采矿作业时安全和平衡度以及采矿作业的切割开采要求，滚筒采煤机2安装在一级梯形台面上，掘进清障机构和探测预警装置安装在二级梯形台面上。
所述滚筒采煤机2和掘进清障机构3上均设置有控制器，所述控制器分别通过通讯线路连接机身内部设置的PLC中央控制器，用于控制滚筒采煤机和掘进清障机构执行不同的采矿作业。
所述的行进机构包括两个履带轮5和四个仿生肢6，所述履带轮5与机体1之间设置有机架7，履带轮5安装在机架7的底部用于驱动采矿机器人的运动，履带轮运动采用的电机驱动。
本实施例中，四个仿生肢6对应安装在机体1的两侧端部；所述的仿生肢6包括腿部61、內肢62和外肢63，腿部61、內肢62和外肢63的连接处设置驱动腿部、內肢和外肢活动的驱动电机。在开采过程中，遇到隧道空间小或路面崎岖情况，四个仿生肢展开，可辅助采矿机器人进行左右、前后移动。
如图9、图10所示，采矿机器人开采作业过程中，需要根据切割面的情况，随时调整机体角度，为满足采矿机器人不同的情况下的切割要求，在所述机体1与机架7之间还设置有回转机构，所述回转机构包括回转体8和回转台9，所述回转体8安装在机架7上，所述回转台9安装在回转体8的上部，所述机体1安装在回转台9的上部。
在开采过程，有时会遇到履带轮被煤块或者障碍物阻挡，无法移动情况，为提升机器人的越障能力，在回转体8和回转台9的中心设置伸缩立柱10，在履带轮被掩埋或者障碍物阻挡无法移动时，伸缩立柱10可将机体顶起，并配合机体1两侧设置的四个仿生肢6，可迅速脱离障碍物。
如图4、图8所示，滚筒采煤机2是采矿机器人的主要开采机构，所述滚筒采煤机包括中间机体21、左切割滚筒22和右切割滚筒23、左摇臂24和右摇臂25，所述的左切割滚筒22和右切割滚筒23分别对应安装在左摇臂24和右摇臂25上，所述的左摇臂24和右摇臂25与中间机体21之间分别对应设置有左连接件26和右连接件27，左摇臂24和右摇臂25分别通过左连接件26和右连接件27连接在中间机体21上，所述左摇臂24和右摇臂25与左连接件26和右连接件27连接处设置驱动左摇臂24和右摇臂25转动的回转电机。
所述的左连接件26和右连接件27为人字形结构，所述左连接件26和右连接件27均包括三个连接端分别为第一连接端、第二连接端，第三连接端。
所述左连接件26的第一连接端连接左摇臂24，所述左连接件26的第二连接端通过铰链连接在中间机体21的左侧，所述左连接件26的第三连接端与中间机体之间设置第一油缸28，第一油缸28的一端与第三连接端铰接，另一端连接在中间机体21上。
所述右连接件27的第一连接端连接右摇臂25，所述右连接件27的第二连接端通过铰链连接在中间机体21的右侧，所述右连接件27的第三连接端与中间机体21之间设置第二油缸29，第二油缸29的一端与右连接件27的第三连接端铰接，另一端连接在中间机体21上。
滚筒采煤机开采过程中，当左、右小幅度摆动即可实现开采要求，首先通过第一油缸和第二油缸调整摇臂角度进行开采。当小幅度摆动无法实现开采要求时，回转电机启动，并配合第一油缸和第二油缸实现摇臂的大范围摆动进行开采。
本发明中滚筒采煤机的摇臂旋转采用了油缸和和回转电机相结合的控制方式，油缸实现了摇臂的小角度转动，回转电机可以实现摇臂的大角度旋转，可以根据具体煤层情况实现摇臂所及范围的多角度开采。
所述的掘进清障机构3包括第一驱动电机31、动臂32、斗杆33和铲斗34。
所述动臂32的一端连接在第一驱动电机31的动力输出端上，根据开采要求，第一驱动电机驱动动臂旋转至不同的角度。动臂32的另一端连接斗杆33，动臂32与斗杆33的连接处设置回转轴和驱动斗杆相对动臂旋转的第二驱动电机35。所述铲斗安装在斗杆远离动臂的一端上，所述铲斗和斗杆之间设置调节铲斗角度的角度调节杆。
如图5、图6、所示，掘进清障机构的动臂和斗杆旋转不同的角度，则可以实现不同的功能，本实施中掘进清障机构具有高低煤层开采、支撑防护、清理隧道开采区障碍以及将开采的煤炭转移至运输车的功能。
掘进清障机构的长臂和斗杆均采用驱动电机控制，实现了长臂和斗杆多角度大幅度转动，满足掘进清障机构不同情况的使用要求，另外，在紧急情况下，掘进清障机构还可以作为支撑装置使用。
如图7所示，掘进清障机构在不使用时可以折叠收起，减少了开采空间占用，滚筒采煤机可获得更大的开采空间。
本发明采用了开采机构、掘进清障机构相配合的结构设计，满足了对低、中、高不同煤层的开采要求，薄煤层的开采空间有限，受空间的限制滚筒采煤机摇臂长度的设计不能太长，滚筒采煤机开采摇臂所及的范围煤层，对于采矿区出现的超过摇臂长度范围的一些低煤层和高煤层，掘进清障机构则可进行开采作业，有效弥补了滚筒采煤机的不足，实现了全方位无人化开采。
探测预警装置是为了保障采矿机器人安全作业，所述的探测预警装置4设置在梯形台101的中部，所述的探测预警装置4包括安装支架41和防护壳体42，所述防护壳体内部设置甲烷传感器、一氧化碳传感器、温度传感器和报警器和防尘摄像头，所述的甲烷传感器、一氧化碳传感器、温度传感器和报警器和防尘摄像头分别通过通讯线路连接PLC中央控制***满足相互通讯的要求。
以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种复杂工况下的采矿机器人，包括机体和行进机构，其特征在于，所述机体上部设置有梯形台，梯形台设置两级台阶，将梯形台分成一级梯形台面和二级梯形台面，所述的开采机构、掘进清障机构和探测预警装置安装在梯形台上；
所述机体的内部设置PLC中央控制***和电源模块，机体上部设有开采机构、掘进清障机构和探测预警装置，所述开采机构和掘进清障机构上均设置有控制器，所述控制器分别通过通讯线路连接机体内部设置的PLC中央控制***；
所述的行进机构包括驱动轮和行走辅助机构，所述驱动轮与机体之间设置有机架，驱动轮安装在机架的底部；所述机体与机架之间还设置有回转机构，所述机体安装在回转机构的上部；所述行走辅助机构安装在机体的两侧；
所述行走辅助机构包括多个仿生肢，所述的仿生肢对应安装在机体的两侧；所述的仿生肢包括腿部、內肢和外肢，腿部、內肢和外肢的连接处设置驱动腿部、內肢和外肢活动的驱动电机；
所述回转机构包括回转体和回转台，所述回转体和回转台的中心设置伸缩立柱，所述回转体安装在机架上，所述回转台安装在回转体的上部；
所述的开采机构为滚筒采煤机，包括中间机体、左切割滚筒和右切割滚筒、左摇臂和右摇臂，所述的左切割滚筒和右切割滚筒分别对应安装在左摇臂和右摇臂上，所述的左摇臂和右摇臂与中间机体之间分别对应设置有左连接件和右连接件，所述的左摇臂和右摇臂分别通过连接件连接在中间机体上，所述左摇臂和右摇臂与左连接件和右连接件连接处设置驱动左摇臂和右摇臂转动的回转电机；
所述的左连接件和右连接件为人字形结构，所述左连接件和右连接件均包括三个连接端分别为第一连接端、第二连接端，第三连接端；所述左连接件的第一连接端连接左摇臂，所述左连接件的第二连接端通过铰链连接在中间机体的左侧，所述左连接件的第三连接端与中间机体之间设置第一油缸，第一油缸的一端与第三连接端铰接，另一端连接在中间机体上；所述右连接件的第一连接端连接右摇臂，所述右连接件的第二连接端通过铰链连接在中间机体的右侧，所述右连接件的第三连接端与中间机体之间设置第二油缸，第二油缸的一端与右连接件的第三连接端铰接，另一端连接在中间机体上。
2.根据权利要求1所述的一种复杂工况下的采矿机器人，其特征在于，所述的掘进清障机构包括第一驱动电机、动臂、斗杆和铲斗，所述动臂的一端连接在第一驱动电机的动力输出端上，动臂的另一端连接斗杆，动臂与斗杆的连接处设置回转轴和驱动斗杆相对动臂旋转的第二驱动电机，所述铲斗安装在斗杆远离动臂的一端上，所述铲斗和斗杆之间设置调节铲斗角度的角度调节杆。
3.根据权利要求1所述的一种复杂工况下的采矿机器人，其特征在于，所述的探测预警装置设置在梯形台的中部，所述的探测预警装置包括安装支架和防护壳体，所述防护壳体内部设置甲烷传感器、一氧化碳传感器、温度传感器、报警器和防尘摄像头，所述的甲烷传感器、一氧化碳传感器、温度传感器、报警器和防尘摄像头分别通过通讯线路连接PLC中央控制***。
4.根据权利要求1所述的一种复杂工况下的采矿机器人，其特征在于，所述的PLC中央控制***包括PLC中央控制器、信号发射模块和信号接收模块，信号发射模块连接PLC中央控制器。
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