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专利摘要

本发明公开了一种矿用自动化协作式钻锚机器人，属煤矿井下巷道支护技术领域。它包括临时支护机架、钻锚机器人车体、锚网存储仓体、布网机械手臂、锚网输送机构、锚网推移机构、钻锚机械手臂、自行走机构和自动化钻锚一体装置；其中，布网机械手臂通过末端手爪实现对锚网仓内锚网的抓取，并通过手臂自伸缩或锚网输送机构实现锚网的运输，在此基础上协同自动化钻锚一体机综合完成巷道的支护作业，能够实现铺锚网与安装锚杆的协同化作业，解决了当前掘支锚作业失衡引起的掘进效率低下、巷道支护过程繁琐导致钻锚一体化程度较低的问题。具有自动化程度高的特点，且能与掘进装备配套实现掘支锚的并行式作业。其结构简单，作业时间短、钻锚效率高。 ......

基本信息

专利类型:
发明专利
申请/专利号:
CN202111212748.4
申请日期:
2021-10-18
专利申请人:
中国矿业大学(北京)
分类号:
E21D20/00 ; E21D20/02 ; E21D11/15
发明/设计人:
葛世荣，蒋康庆，郭一楠
权利要求: 1.一种矿用自动化协作式钻锚机器人，其特征在于：它包括临时支护机架(1)、钻锚机器人车体(2)、锚网存储仓体(3)、布网机械手臂(4)、锚网输送机构(5)、锚网推移机构(6)、钻锚机械手臂(7)、自行走机构(8)和自动化钻锚一体装置(9)；所述的钻锚机器人车体(2)的前部设有临时支护机架(1)；所述锚网存储仓体(3)设在临时支护机架(1)的后部，所述的布网机械手臂(4)和锚网输送机构(5)对称设在钻锚机器人车体(2)左右两侧的凹槽内，锚网输送机构(5)与布网机械手臂(4)相连，通过液压驱动方式实现布网机械手臂（4）的前后移动；所述锚网推移机构(6)设立在布网机械手臂（4）的一旁，锚网推移机构(6)左右对称的分布在钻锚机器人车体(2)两侧；所述钻锚机械手臂(7) 为巷道侧帮锚杆支护的机械手臂，机械手臂对称的分布在钻锚机器人车体(2)尾部两侧，用于巷道左右侧帮的锚杆支护作业；所述自动化钻锚一体装置(9)设在钻锚机器人车体（2）前方位置，用于巷道顶板锚杆的支护作业；所述钻锚机器人车体(2)上设有提供高压气体的气泵；所述的锚网存储仓体(3)包括左侧锚网存储仓体(301)、右侧锚网存储仓体(302)和长方体立柱(303)；所述左侧锚网存储仓体(301)上方放置有用于巷道顶板支护的锚网，所述右侧锚网存储仓体(302)上方放置有用于巷道侧帮支护的锚网，所述长方体立柱(303)为两个，对称设在左右侧两个仓体之间，长方体立柱(303)横截面沿长度方向设有方形孔；所述钻锚机械手臂(7)包括底座(701)、回转台(702)、钻锚机械臂大臂(703)、钻锚机械臂小臂(704)、钻锚机械臂大臂油缸(705)、钻锚机械臂小臂油缸(706)、钻机油缸(707)、自动化钻锚一体机(708)、钻机辅摆装置(709)和钻机支座(7010)；所述底座(701)固定在钻锚机器人车体(2)上，底座(701)中间部分设有与回转台(702)相配合的圆形孔；所述回转台(702)底部设有与底座(701)圆形孔相配合的圆柱形凸台，回转台(702)自身相对于底座(701)以实现旋转运动；所述钻锚机械臂大臂(703)尾部与回转台(702)相连接，顶端与钻锚机械臂小臂(704)相连接；所述钻锚机械臂小臂(704)尾部与钻锚机械臂大臂(703)顶端相连接，钻锚机械臂小臂(704)顶端与钻机辅摆装置(709)相连接；所述钻锚机械臂大臂油缸(705)一端固定在回转台(702)上，另一端与钻锚机械臂大臂(703)相连接，综合控制钻锚机械臂大臂(703)的俯仰运动；所述钻锚机械臂小臂油缸(706)一端固定在钻锚机械臂大臂(703)上，另一端与钻锚机械臂小臂(704)相连接，综合控制钻锚机械臂小臂(704)的俯仰运动；所述钻机油缸(707)一端固定在钻锚机械臂小臂(704)上，另一端与钻机辅摆装置(709)相连接，用于支撑并固定该装置的空间位置；所述钻机辅摆装置(709)与自动化钻锚一体机(708)相连接，并通过内部液压马达控制钻机沿巷道跨度方向的旋转运动，以用于巷道侧帮位置处的锚杆支护作业；所述钻机支座(7010)位于自动化钻锚一体机(708)尾部，通过其支撑油缸控制钻机支座(7010)伸缩，用于钻机在钻锚机器人车体(2)的初始导向支撑。2.根据权利要求1所述的矿用自动化协作式钻锚机器人，其特征在于：所述布网机械手臂(4)包括布网手臂升降架(401)、布网手臂固定板(402)、布顶锚网机械手臂结构(403)和布帮锚网机械手臂(404)；所述的布网手臂升降架(401)设在长方体立柱(303)的方形孔内，上下升降实现对顶板支护锚网的抓取，所述的布网手臂固定板(402)设在布网手臂升降架(401)顶部，布网手臂固定板(402)呈长方体结构，所述布顶锚网机械手臂结构(403) 左右两侧对称设在布网手臂固定板(402)的两侧；所述布顶锚网机械手臂结构(403)包括机械臂一(4031)、伸缩机械臂二(4032)、伸缩机械臂三(4033)、布网手爪固定架(4034)和布网机械手爪(4035)；所述机械臂一(4031)为中空方形结构，机械臂一(4031)固定于布网手臂固定板(402)的底侧，所述伸缩机械臂二(4032)为长方体结构，沿长度方向设有方形孔，伸缩机械臂二(4032)嵌套滑动地设置在中空方形结构的机械臂一(4031)中，所述伸缩机械臂三(4033)为长方体结构，嵌套滑动设在伸缩机械臂二(4032)中，所述布网手爪固定架(4034)为长方体结构，沿布网手臂固定板(402)中线方向对称；所述布网机械手爪(4035)设置于布网手爪固定架(4034)上，用于实现抓取顶板支护锚网；所述布网机械手爪(4035)包括布网机械手架(40351)、布网机械手爪液压油缸(40352)和布网抓取机械手(40353)和销轴(40354)；所述布网抓取机械手(40353)通过销轴(40354)对称的安装在布网机械手架(40351)的两侧；所述布网机械手爪液压油缸(40352)为双杆液压缸，双杆液压缸通过销轴(40354)将布网抓取机械手(40353)连接起来，布网机械手爪液压油缸(40352)通过双向液压驱动使布网抓取机械手(40353)实现绕轴转动，以实现对锚网的抓取操作；所述布帮锚网机械手臂(404)包括立柱(40401)、高度调节液压缸(40402)、大臂支撑座(40403)、大臂俯仰调节液压缸(40404)、折叠臂大臂(40405)、手臂伸缩液压缸(40406)、折叠臂小臂(40407)和布网机械手爪(4035)；所述高度调节液压缸(40402)一端与立柱(40401)连接，另一端与大臂支撑座(40403)相连；所述大臂俯仰调节液压缸(40404)一端与大臂支撑座(40403)相连，另一端与折叠臂大臂40405相连接，综合控制折叠臂大臂40405的俯仰运动；所述手臂伸缩调节液压缸(40406)一端与折叠臂大臂(40405)相连，另一端与折叠臂小臂(40407)相连接，综合控制折叠臂小臂(40407)的俯仰运动；所述布网机械手爪(4035)安设在折叠臂小臂末端，用于实现侧帮锚网的抓取作业。3.根据权利要求1所述的矿用自动化协作式钻锚机器人，其特征在于：所述锚网输送机构(5)包括用于侧帮锚网的输送机构的手臂推移液压缸(501)和立柱底座(502)，所述手臂推移液压缸(501)和立柱底座(502)沿钻锚机器人车体(2)轴线方向呈对称分布，手臂推移液压缸(501)一端固定于钻锚机器人车体(2) 两侧的凹槽尾部，立柱底座(502)靠近钻锚机器人车体(2)的一面与两侧的凹槽的侧表面接触，立柱底座(502)的上表面与凹槽顶面相接触，下表面与凹槽底面相接触，立柱底座(502)滑动地设置在凹槽内；手臂推移液压缸(501)与立柱底座(502)相连接，并通过液压驱动方式驱动布帮锚网机械手臂(404)横向移动；立柱底座(502)的中心位置处与布帮锚网机械手臂立柱(40401)相固定，用于布帮锚网机械手臂(404)的支撑与轴向定位。4.根据权利要求1所述的矿用自动化协作式钻锚机器人，其特征在于：所述锚网推移机构(6)包括底座(601)、固定套筒(602)、伸缩臂一(603)、伸缩臂二(604)和吸盘(605)；所述伸缩臂一(603)为长方体结构，伸缩臂一(603)末端附有一吸盘(605)，用于锚网的吸取工作；所述伸缩臂二(604)为长方体结构，伸缩臂二(604)沿长度方向设有一方形孔，所述伸缩臂一(603)嵌套滑动地设置在伸缩臂二(604)内；所述固定套筒(602)固连在底座(601)上且呈长方体结构，固定套筒(602)沿长度方向设有一方形孔，伸缩臂二(604)嵌套滑动地设置在固定套筒(602)内；通过伸缩臂一(603)、伸缩臂二(604)及固定套筒(602)的相对运动实现锚网推移机构(6)在巷道侧帮位置处的锚网推移固定作业；所述伸缩臂一(603)的末端吸盘(605)为一长方形板磁力吸盘，方形板吸盘表面中心处附有固定电磁铁的四个圆形凸台，用于吸取锚网输送机构(5)移动到指定支护位置的侧帮锚网。5.根据权利要求1所述的矿用自动化协作式钻锚机器人，其特征在于：所述自动化钻锚一体机(708)包括锚杆存储换装机构(7081)、锚固剂气喷机构(7082)、钻机进给机构(7083)和自钻式中空锚杆(7084)；所述锚杆存储换装机构(7081)包括锚杆存储仓体(70811)、锚杆存储仓挡板(70812)、锚杆存储仓架(70813)、锚杆换装机械手(70814)和步进电机(70815)；所述锚杆存储仓体(70811)为轮盘式结构，对称的分布在锚网存储仓架(70813)前后位置，锚杆存储仓体(70811)前轮盘用于支撑锚杆，后轮盘与锚杆托板接触，而锚杆末端则与锚杆存储仓挡板(70812)接触，三者协同固定锚杆位置，以防止因自动化钻锚一体机(708)运动、振动因素造成的锚杆滑落；所述轮盘式锚杆存储仓体(70811)上开设有多个斜槽，用于自钻式中空锚杆(7084)的存放和支撑，轮盘式锚杆存储仓体(70811)的轮盘中间配有一主轴；所述锚杆存储仓挡板(70812)用于轴向定位自钻式中空锚杆(7084)，使锚杆能够稳定的存放在锚杆存储仓体(70811)内，所述锚杆存储仓挡板(70812)中间部位设有一步进电机(70815)，用于驱动锚杆存储仓体(70811)主轴旋转一个锚杆工步；所述锚杆换装机械手(70814)的尾部开有圆形孔，用于配合转轴实现自钻式中空锚杆(7084)的抓取操作，当锚杆换装机械手(70814)带动锚杆到达钻箱(70833)正前方时，实现自钻式中空锚杆(7084)的装操作；所述锚固剂气喷机构(7082)包括气泵导管(70821)、旋转马达(70822)、气枪固定座(70823)和喷气枪管(70824)；所述气枪固定座(70823)固定于进给滑轨(70832)尾部，气枪固定座(70823)的顶端设有与喷气枪管(70824)相配合的圆形孔；所述旋转马达(70822)设在气枪固定座(70823)的后侧，用于驱动喷气枪管(70824)相对气枪固定座(70823)的转动运动；所述气泵导管(70821)一端与气枪固定座(70823)后侧圆形孔相连接，另一端与设在钻锚机器人车体(2)上的气泵相连接，高压气体经由气泵导管(70821)通过喷气枪管(70824)向锚杆中空部位喷出；所述钻机进给机构(7083)包括钻机机架(70831)、进给滑轨(70832)、钻箱(70833)、导向连接板(70834)、钻机支撑架(70835)、一级进给液压缸(70836)、二级进给液压缸(70837)、支撑座(70838)、定位夹耳(70839)和定位立尖盘(708310)；所述钻机机架(70831)上设置一级进给液压缸(70836)，钻机机架(70831)的顶端固定有定位立尖盘(708310)，所述定位立尖盘(708310)上设有锥头，用于钻机的轴向定位并减少钻机在工作过程中因振动因素造成的钻机偏移、作业效率降低的现象；所述钻箱(70833)设在导向连接板(70834)上，导向连接板(70834)设在进给滑轨(70832)的尾部，所述导向连接板(70834)沿滑轨长度方向通过链条油缸组件实现相对移动，所述钻箱(70833)通过液压马达实现对自钻式中空锚杆(7084)的旋转钻进操作；所述进给滑轨(70832)设在钻机支撑架(70835)上，由二级进给液压缸(70837)液压驱动，所述二级进给液压缸(70837)一端连接在钻机支撑架(70835)尾部，另一端与进给滑轨(70832)末端相连接，控制进给滑轨(70832)沿钻机支撑架(70835)长度方向实现相对移动；所述定位夹耳(70839)固定于进给滑轨(70832)末端上部，沿滑轨长度方向呈对称分布，并在锚杆自钻进作业中呈闭合夹紧状态，用于防止钻机在钻锚作业过程中出现锚孔轴向钻进位置误差，以保证钻锚作业的稳定性和精确性；所述支撑座(70838)固定在进给滑轨(70832)的末端，由支撑座伸缩油缸(708381)驱动实现油缸轴向移动，并支撑自钻式中空锚杆(7084)，支撑座伸缩油缸(708381)一端与进给滑轨(70832)末端连接，另一端与支撑座(70838)的底部相连；所述自钻式中空锚杆(7084)包括中空锚杆体(70841)、合金钻头(70842)、垫板(70843)、螺母(70844)、活塞(70845)和树脂药卷(70846)；所述中空锚杆体(70841)材质为高强度螺纹钢，内部设有树脂药卷(70846)和用于推动树脂药卷移动的活塞(70845)，所述活塞(70845)的尾部设有挡板；所述合金钻头(70842)套装在中空锚杆体(70841)的顶端，由穿透力强的耐磨合金钢铸造而成，合金钻头(70842)与中空锚杆体(70841)顶端配合的盲孔内设有用于刺破树脂药卷(70846)外膜的金属刺钉(708421)，合金钻头(70842)的尾部壁上设有释放锚固剂浆液的多个出孔；所述垫板(70843)和螺母(70844)用于预紧在空锚杆体(70841)，使深层围岩应力均匀传递到四周围岩上。6.根据权利要求1所述的矿用自动化协作式钻锚机器人，其特征在于：所述自动化钻锚一体装置(9)包括顶钻机位姿调整装置(901)、钻机支座油缸(902)、钻机固定支撑座(903)和自动化钻锚一体机(708)；所述顶钻机位姿调整装置(901)与钻机支撑架(70835)连接，通过顶钻机位姿调整装置(901)内部旋转液压马达实现自动化钻锚一体机(708)相对末端锚孔位置的姿态调整；顶钻机位姿调整装置(901)的上下端可滑动的设置在位于钻锚机器人车体(2)前端锚杆支护工作面的滑行轨道内，并由链条链轮组件驱动，以用于钻机的横向变位移动来进行同排锚杆支护的作业；所述的钻机支座油缸(902)设在自动化钻锚一体机(708)的尾部，用于驱动钻机固定支撑座(903)的轴向移动，在进行锚杆支护作业时，通过自动化钻锚一体机(708)尾部的钻机固定支撑座(903)进行固定支撑，以提高顶板锚杆支护作业的稳定可靠性；钻机固定支撑座(903)的支撑载体为一梯形凸台，梯形凸台两侧面与钻锚机器人车体(2)水平面夹角为15°，梯形凸台顶面与底面均平行于钻锚机器人车体(2)水平面，钻机固定支撑座(903)安设在钻锚机器人车体(2)前向顶板锚杆支护的自动化钻锚一体机(708)的下方。