煤礦井下掘進巷道地面運輸機器人的設計

梁吉軍 高慧 祝海濤

【摘 要】本文重點介紹煤礦井下掘進巷道地面運輸現(xiàn)狀，地面運輸機器人的結構、特點，以及推廣應用價值。

【關鍵詞】現(xiàn)狀；機器人；結構；特點；價值。

1 引言

國家煤礦安全監(jiān)察局公告（2019年第1號），《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》中明確了井下掘進巷道運輸機器人的研發(fā)方向，井下巷道運輸機械化、智能化、無人化是今后發(fā)展趨勢，特別是人工成本的增加、煤礦安全的要求等因素，對智能化、機械化運輸?shù)囊笠苍絹碓礁撸蝗绾螠p少安全隱患、無人值守或少人值守，是煤礦急需解決的技術難題；由于受防爆、光線、粉塵、地面條件等因素的限制，成功應用在煤礦井下掘進巷道內(nèi)的運輸機器人很少，正在處于研究階段。

足式機器人國內(nèi)外目前常用的驅動形式主要有電動和液壓，由于液壓驅動具有負載能力強、功率密度高、無極變速、能承受較大沖擊、系統(tǒng)的剛度高和響應快等優(yōu)點，成為高性能戶外重載四足機器人的首要選擇。美國波士頓動力公司研制的“BigDog”四足機器人，意大利技術研究院研制的“HYQ”四足機器人，國內(nèi)山東大學研制的“SCalf”四足機器人等，都采用的是液壓驅動方式，各關節(jié)處采用液壓缸直線驅動實現(xiàn)足式機器人關節(jié)轉動，然而，直線液壓缸驅動關節(jié)轉動，其安裝與運動空間需求大，對應關節(jié)轉動角度小，不能滿足足式機器人關節(jié)大運動轉角的特殊場合運動性能要求；其次，關節(jié)運動轉速與直線液壓缸移動速度的速比隨運動位置不同而不同，同理直線液壓缸輸出力隨運動位置不同也不同，這種速度與力不均衡的缺點，使得關節(jié)運動的力與速度控制難度增加，不利于足式機器人運動實現(xiàn)，也阻礙了液壓驅動足式機器人關節(jié)設計思路；此外，傳統(tǒng)的非對稱直線型液壓缸，液壓伺服控制模型相對復雜，給控制算法增加了難度；這種機器人不適合于煤礦井下掘進巷道內(nèi)的環(huán)境。

仿生機器人的發(fā)展是機器人發(fā)展的高級階段，其采用的仿生物特性的設計不僅使

機器人的運動更靈活、控制更精確，而且其特定的結構可以更好的滿足某些特殊的工作要求。目前，世界上很多國家的科研機構都在著力研究仿生機器人，仿生機器人己逐漸應用于搶險救災、科研探索等領域，特別是在人類難以到達或很危險的作業(yè)環(huán)境下工作。仿生機器人的發(fā)展經(jīng)歷了原始探索、仿生仿型、機電與生物系統(tǒng)融合三個階段。隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，仿生機器人正邁向更加智能、更加符合生物結構特性的方向。但是，如今仿生機器人還存在很多問題，包括：結構模型相對簡單、對生物機理揭示不足、驅動方式能量利用率較低、控制無法達到足夠精確等，現(xiàn)有的運輸機器人重量沉、體積大，且只能平地運輸，很多場合不能應用，更不適合于煤礦井下掘進巷道內(nèi)的環(huán)境。

2.煤礦井下掘進巷道地面運輸現(xiàn)狀

2.1目前工業(yè)運輸機器人行走方式采用履帶車，對于打地錨桿的掘進巷道不使用。

2.2專利號為201721426485.6的實用新型專利《一種四足機器人》，授權公告日2018年5月11日；專利號為201810675697.0的實用新型專利《一種新型仿生多足運輸機器人及使用方法》，申請公布號CN108995732A，申請公布日2018年12月14日；這兩項專利主要存在不足：①四足自由度多，故障率高；②承載力小；③結構復雜，且不適用于空中抓錨桿邁步；④對于防爆、防塵、光線、檢測等問題沒有研究。

2.3目前礦井施工由于礦物越挖越深，相對生產(chǎn)安全也越來越重要，特別是煤礦井下，煤炭內(nèi)蘊涵的瓦斯與施工人員呼吸的氧氣不可避免的混合，瓦斯?jié)舛雀吡耍菀装l(fā)生爆炸，存在很大的安全隱患；由于煤礦井下瓦斯的存在，對井下設備、電器元件、控制系統(tǒng)、電源、電火花等有嚴格的防爆要求，但現(xiàn)有公開的井下機器人，并沒有提及，也沒有應對措施，不具備實用性；對于深井作業(yè)的滲水、塌方現(xiàn)象也經(jīng)常發(fā)生，嚴重危險施工人員的生命安全，在危險的環(huán)境下采用機器人代替人工操作，是個發(fā)展趨勢。

2.4由于受煤礦井下瓦斯、光線、電源、防爆性、防塵、防水、地面凸凹不平、環(huán)境多變不規(guī)則等因素的影響，井下機器人研究的很少，是目前國內(nèi)外難題，將機器人結構和功能簡單化，解決某個單一的問題，投資少、故障率低、安全可靠，是個很好的研發(fā)方向。

3 掘進巷道地面運輸機器人的設計

3.1掘進巷道地面運輸機器人的結構

掘進巷道地面運輸機器人的結構如圖1所示。

掘進巷道地面運輸機器人結構包括：行走器Ⅰ、行走器Ⅱ、旋轉器、移動裝置、外框架、移動小車、儲料箱、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、遙控器；行走器Ⅰ的上端法蘭與外框架的底部四角處螺栓連接；行走器Ⅱ的上端法蘭與移動小車的底部四角處螺栓連接；旋轉器的上端法蘭與移動小車的底部中心處螺栓連接；移動裝置包括軸承座、液壓馬達、減速器、絲杠、絲母座等，移動裝置的絲母座固定在移動小車的兩側的中部，移動裝置的軸承座固定在外框架兩側的端部；移動小車安裝在外框架的內(nèi)側，移動小車與外框架通過燕尾結構聯(lián)接，通過移動裝置實現(xiàn)移動小車和外框架之間相對滑移；儲料箱與移動小車的上部螺栓聯(lián)接；檢測系統(tǒng)安裝在儲料箱的左端上部；控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)安裝在儲料箱的內(nèi)部。

01—行走器Ⅰ；02—行走器Ⅱ；03—旋轉器；04—移動裝置；05—外框架；

06—移動小車；07—儲料箱；08—檢測系統(tǒng)；09—控制系統(tǒng)；10—液壓系統(tǒng)；11—遙控器。

圖1 掘進巷道地面運輸機器人的主視圖

3.2掘進巷道地面運輸機器人的特點

3.2.1行走器Ⅰ和行走器Ⅱ為特殊設計的工程多級缸，能夠承受徑向力，適合于越過500mm的障礙物，行走器Ⅰ和行走器Ⅱ的活塞桿頭端設有鋸齒形凹槽，增大與地面的摩擦力。

3.2.2旋轉器包括螺旋式擺動油缸、伸縮油缸，旋轉器的伸縮油缸為特殊設計的工程多級缸，能夠承受徑向力，適合于越過500mm的障礙物；旋轉器的伸縮油缸的活塞桿頭端設有鋸齒形凹槽，增大與地面的摩擦力；旋轉器的主要作用：當檢測系統(tǒng)檢測到移動小車前端有障礙物、出現(xiàn)直線行走偏移、或需要拐彎時，移動小車移動到外框架的中間位置，將旋轉器的伸縮油缸伸出，行走器Ⅰ和行走器Ⅱ的油缸縮回，通過旋轉器的液螺旋式擺動油缸進行旋轉，實現(xiàn)拐彎，另外也可以實現(xiàn)越過障礙物。

3.2.3檢測系統(tǒng)由紅外線距離檢測儀、激光掃描儀、TOF相機、定位系統(tǒng)等組成，檢測周圍環(huán)境、檢測障礙物的位置及距離，便于控制行走器Ⅰ、行走器Ⅱ、旋轉器、移動裝置，激光掃描儀和TOF相機具有記錄和記憶功能，并可以優(yōu)化路徑，對于相同條件下的位置，動作可以一步到位，效率高。

3.2.4控制系統(tǒng)類似機器人智能大腦，精確計算、抓緊、定位，獨立實現(xiàn)整個過程的控制；控制系統(tǒng)同時與遙控器聯(lián)鎖，實現(xiàn)遠距離遙控操作，通過光纜，實現(xiàn)地面遙控，減少井下人員，做到無人或少人值守，符合國家安全要求和安全政策。

3.2.5采用液壓系統(tǒng)，另一種方案采用風動或水壓系統(tǒng)；所有電器元件、控制系統(tǒng)等有嚴格的防爆要求。

3.2.6電源采用直接接電源線、或自帶蓄電池，控制系統(tǒng)等有嚴格的防爆要求。

3.2.7控制系統(tǒng)同時與遙控器聯(lián)鎖，實現(xiàn)遠距離遙控操作，通過光纜，實現(xiàn)地面遙控，減少井下人員，做到無人或少人值守，符合國家安全要求和安全政策。

4 掘進巷道地面運輸機器人的推廣應用價值

井下掘進巷道采用運輸機器人，占用空間小、設備外型小、靈活性好、工作效率高；實現(xiàn)遠距離遙控操作，通過光纜，實現(xiàn)地面遙控，實現(xiàn)無人值守或少人值守，減少安全隱患；符合國家政策，符合國家煤礦安全的要求，具有廣闊的推廣應用前景。

參考文獻：

[1]高健，江麗琴，掘進巷道輔助運輸研究，河北煤炭，2013年第6期23-25頁。

[2]申少波，掘進巷道運輸系統(tǒng)集中控制改造的方法，煤炭與化工，2008年第9期80-82頁。

作者簡介：

梁吉軍（1973-），男，山東泰安人，1998年畢業(yè)于哈爾濱理工大學機械設計專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)在山東萊蕪煤礦機械有限公司技術開發(fā)中心從事選煤、選礦工藝系統(tǒng)設計及產(chǎn)品開發(fā)設計。

（作者單位：山東萊蕪煤礦機械有限公司）