掘進工作面懸吊式機器人支護平臺的設(shè)計

張繼昌

（晉能控股煤業(yè)集團寺河煤礦，山西 晉城 048000）

1 懸吊式機器人支護平臺的總體設(shè)計

1.1 懸吊式機器人支護平臺的總體結(jié)構(gòu)

機器人支護平臺由液壓錨桿鉆機、支護機器人和支護平臺三部分組成，每一臺錨桿鉆機都會由一個支護機器人操作，錨桿鉆機和支護機器人在支護平臺滑行主要依靠底座滑板。在棚梁上或者是頂板的錨桿外露段懸掛上機器人支護平臺。

1.2 懸吊式機器人支護平臺的特點

1）在錨桿鉆孔時，機器人操作更便于定位，機器人的適應(yīng)能力強，對于復(fù)雜的井下掘進工作得心應(yīng)手，機器人可以在井下行動自如。

2）面對井下巷道設(shè)備阻擋、物料堆積、積水、地板凹凸不平等較為復(fù)雜的影響，作業(yè)平臺的運行完全可以正常進行。懸掛在棚梁上的平臺不占用巷道兩側(cè)空間，還能夠進入掘進頭處完成獨立作業(yè)。

3）高掘支工作的效率，不影響掘進機工作。在遇到煤巖時，掘進機將其截割，支護平臺不受影響繼續(xù)前進，支護平臺在上方支護新暴露的頂板，掘進機在下面截割煤巖，兩方同時作業(yè)。

4）掘進工作面后方的單軌吊車可以由單軌吊車和懸吊粱相結(jié)合來使用。

5）面對梯形、矩形和拱形等復(fù)雜巷道地形，支護平臺可以根據(jù)相關(guān)高度進行合理的調(diào)整。

6）為了提高掘進效率，更加安全快速掘進，在不影響頂板的正常使用的條件下，適當?shù)膶ρh(huán)進尺進行調(diào)節(jié)。

2 懸吊式臨時支護平臺的設(shè)計

懸吊式臨時支護平臺包括聯(lián)接支座、護幫板、操作臺、懸吊梁、液壓支架等部件，如圖1、圖2所示。

1）操作臺是液壓錨桿鉆機的工作臺，也是支護機器人的工作臺。其下方鉸接支腿收放液壓缸和支腿液壓缸，前段鉸接護幫板，后端鉸接變幅液壓和滑車。錨桿鉆機和支護機器人的滑行位置是在操作臺的滑道上進行。

圖1 懸吊式臨時支護平臺(支撐狀態(tài))

圖2 懸吊式臨時支護平臺（收起狀態(tài)）

2）液壓支架由四連桿機構(gòu)、頂梁、立柱等部件構(gòu)成，液壓支架的底座和操作臺很相似。在立柱的作用下，液壓支架能夠進行上下移動，且頂梁對頂板支撐，頂梁分為三部分，每一部分是通過鉸接來進行鏈接的，對頂板的上下浮動能夠起到自適應(yīng)。面對頂板的不穩(wěn)定，采用適當?shù)膶ρh(huán)進尺進行調(diào)節(jié)，當頂板出現(xiàn)不穩(wěn)定時，通常進尺1排錨桿間距；當頂板質(zhì)量達到要求時，通常采用進尺3排錨桿間距，提高掘進的效率[1]。

3）由于支護平臺的結(jié)構(gòu)，考慮將支腿液壓缸設(shè)計為懸臂式的。支腿液壓缸向下到達巷道地板，可以對支護平臺進行支撐，在任務(wù)結(jié)束以后恢復(fù)原態(tài)。在巷道的兩側(cè)，分別布置一個支腿液壓缸，對掘進機的正常運行不受影響。

4）掘進迎頭的煤巖能夠在護幫板的作用下，可以起到臨時支護的作用，避免迎頭片幫出現(xiàn)在工作過程中的人員傷亡。為避免巷道兩側(cè)片幫，應(yīng)該在操作臺兩邊進行護幫板的布置。

5）滑車以銷軸的方式，與推移液壓缸、銷軸、變幅液壓缸、操作臺來進行鉸接，其位置在懸吊梁上。

3 液壓錨桿鉆機的設(shè)計

液壓錨桿在安裝時，選擇操作臺為安裝位置，支護平臺的滑道使其滑行，也能夠協(xié)作機器人進行錨桿支護。錨桿鉆機是由進給液壓缸、夾持器、機架、液壓馬達、滑動底座等構(gòu)成，機器人能夠控制鉆機在操作臺上的滑道運行，當運動道錨桿孔下方的位置處，通過機器人對角度進行相應(yīng)的調(diào)整，在機器人的配合下可以安裝錨桿和鉆孔等任務(wù)。通過使用低速大扭矩的馬達控制主軸的轉(zhuǎn)動，降低了錨桿鉆機的整體重量。

假若采用單體錨桿鉆機，在進行工作的過程中，因為支護平臺的高度有限，單體錨桿鉆機的上面設(shè)有六棱孔，鉆桿插在六棱孔中時，在到達巷道頂板不能低于2.5 m的高度，不然無法進行工作，應(yīng)該將主軸采用通孔形[2]。在進行作業(yè)的過程中，錨桿鉆機要處于水平的狀態(tài)，載氣底部設(shè)有主軸孔，是為了方便機器人抓取鉆桿插入孔中，當鉆桿插入鉆孔后由夾持器夾持，通過機器人改變錨桿鉆機的位置，連接銷在鉆機的底部，在繞銷轉(zhuǎn)動時保持與巷道頂板垂直。夾持器處于松開狀態(tài)，卡盤將鉆桿進行夾取，鉆桿在馬達的轉(zhuǎn)動過程下進行鉆孔。在整個過程中，錨桿鉆機的位置變化通過采用機器人進行，錨桿鉆機的底部設(shè)有連接銷，這樣的優(yōu)勢是在進行工作的過程中，繞銷轉(zhuǎn)動時確保與巷道頂板垂直。夾持器處于松開狀態(tài)，鉆桿在馬達的轉(zhuǎn)動過程下進行鉆孔。避免錨桿和鉆桿的下落，將卡盤的液壓系統(tǒng)和夾持器設(shè)計為能夠互相協(xié)調(diào)工作。

4 支護機器人的設(shè)計研究

當下經(jīng)典的移動機器人主要有沿固定軌道滑行機器人、履帶式機器人等。掘進機在開始完成錨桿支護前，應(yīng)該調(diào)控掘進機位置，確定鉆孔方向。然而，由于掘進的實際工作面不是一個平面，在對姿態(tài)角參數(shù)進行調(diào)控所耗費的時間長且比較復(fù)雜。在豎直方向進行高低調(diào)整時，采用后支撐腿油缸和鏟板油缸的位置變化來實現(xiàn)。現(xiàn)在采用的掘進機僅僅能實現(xiàn)向左、向右、前進、后退功能，只能通過使用在機身兩邊各布置一個行走馬達經(jīng)過向前、向后、轉(zhuǎn)彎多次調(diào)整，對機身橫向進行調(diào)整。

足式機器人在面對不平整的底板時，在進行姿態(tài)調(diào)整時非常困難，所需要的算法非常冗長，且足式機器人的成本高昂，對電動機等相關(guān)的設(shè)備有嚴格的需求。足式機器人不同于輪式機器人，當通過復(fù)雜的路面時，存在很大潛力，然而對足式機器人的算法控制比較復(fù)雜。通過對機器人的相關(guān)功能設(shè)計，可以達到在復(fù)雜路面行駛時，具有很高的通過性，然而當下較多的足式機器人還是依靠感知地面接觸的情形。確定巷道地板的足部位置，通過激光進行定位復(fù)雜，由于底板面松軟，有時出現(xiàn)部分煤巖塊沒有清掃，在激光定位過程時，當煤巖塊擋住定位器導(dǎo)致不能對足部位置進行監(jiān)測。此外，對足式機器人下臂的調(diào)控是困難的，在復(fù)雜路面上保持穩(wěn)定的通過是相當困難的。

當前普遍使用的是通過固定軌道進行運動的方式。借助操作臺上的滑道可以更方便地實現(xiàn)定位功能，較易達到對機器人姿態(tài)調(diào)整的目標，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、高速的調(diào)整，能夠大幅度降低對腿部的控制。

垂直多關(guān)節(jié)機器人是1個與人體手臂相仿的開鏈式機構(gòu)，其具有輕易對機身周邊的物體實現(xiàn)操作，工作范圍大，操作靈活。目前，已經(jīng)廣泛使用6自由度垂直多關(guān)節(jié)機器人在生產(chǎn)線上的應(yīng)用，主要的作用是進行裝配、打磨、搬運、切割等。當面對較為復(fù)雜的作業(yè)時，單臂機器人還是不能夠代替操作人員。相比于單臂機器人，雙臂機器人有很大的改進，能夠完成移動、抓取目標物體的作業(yè)，在操作時可以有效避免兩臂的沖撞。相比于6自由度垂直多關(guān)節(jié)機器人，7自由度的操控范圍更大，能夠有效地避開障礙，在對井下工作時的適應(yīng)性強。

錨桿鉆機和支護機器人在支撐臺的布置。由6個錨桿鉆機和支護機器人組成，每個錨桿鉆機由1個支護機器人控制，錨桿鉆機和支護機器人的工作方式相同，采用底座滑板作業(yè)。支護機器人的位置移動機構(gòu)通過電動機帶動，采用齒輪齒條的原理，在齒輪和齒條的同步進行下實現(xiàn)往復(fù)運動。護機器人帶動錨桿鉆機在軌道上進行運動，在支護機器人的協(xié)作下，實現(xiàn)錨桿支護的相關(guān)功能。

當前，單軌吊機車作為煤礦輔助運輸被廣泛應(yīng)用，其優(yōu)勢是工作過程環(huán)節(jié)少、所需工作人員數(shù)量少、效率高，且能夠有效避免運輸隱患等難題。懸吊梁能夠?qū)崿F(xiàn)移動軌道和懸掛固定的功能，若將懸吊梁和單軌吊機車結(jié)合操作，可以作為掘進工作面后方的單軌吊車進行工作。

5 結(jié)語

懸吊式臨時支護平臺能夠有效地避免懸臂式掘進機機載臨時支護所遇到的問題，例如不能夠進行平行作業(yè)。懸臂式掘進機在進行支護作業(yè)時，為了避免在過程中出現(xiàn)無法平行作業(yè)的情況，通過構(gòu)建懸吊式臨時支護平臺，以平臺作為基礎(chǔ)，協(xié)助支護機器人和錨桿鉆機能夠相互配合進行作業(yè)，其優(yōu)勢是避免巷道空間的浪費，將剩余的空間最大化利用，避免工作面堵塞等問題。

沿操作臺上的滑道能夠?qū)崿F(xiàn)為支護機器人確定方向，從而能夠較易滿足對機器人的姿態(tài)角參數(shù)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)快速，高效的工作。在進行巷道支護困難時，可以使用雙臂7自由度垂直多關(guān)節(jié)支護機器人來實現(xiàn)該任務(wù)。

通過采用以機器人代替礦工的掘進支護施工新方案，在降低工人勞動強度的條件下，還可以達到在有限的時間內(nèi)高效的完成任務(wù)，具有智能，安全的優(yōu)點。