综放工作面支架后部放煤状态智能巡检机器人及工作方法

技术领域

本发明专利涉及一种智能巡检机器人及工作方法，尤其适用于巡检机器人领域使用的一种综放工作面支架后部放煤状态智能巡检机器人及工作方法。

背景技术

放顶煤开采是将长壁工作面布置在厚煤层的底部，用综合机械化采煤的方法，采出煤层底部分层的厚度(厚度一般为2.2～3.5m)，底部以上的其余部分(厚度一般为3～12m)为顶煤，顶煤在工作面前方形成的支承压力作用下破坏、破碎，随着工作面向前推进，已破碎的顶煤依靠煤体自重在液压支架的后方，通过支架专门的放煤机构放出、运走，实现了厚煤层的一次采全厚开采。

在煤矿综放开采过程中，亟待解决的难题之一是如何正确判断放煤口最佳开闭时间，是目前急待解决的与智能化综放开采相配套的技术问题。目前，对于放煤口的开闭时间主要有两种方法，其一是由放煤工人通过视觉和听觉，以及经验积累来确定放煤口的开闭，这种方式会带来过放或者欠放情况发生，造成大量丢煤或矸石混入现象发生使得资源浪费和增加后期洗选成本，同时放煤过程会产生大量的粉尘和瓦斯，对放煤操作工人的生命健康造成巨大威胁。二是应用电液控制系统来实现放煤口的开闭，基本方法是在电液控制系统中嵌入预先设定的放煤程序,按照预先设定好的放煤动作及放煤时间实现放煤口的开闭。由于煤层厚度等因素的变化,如若放煤口开闭时间一成不变,就必然导致放煤过程中出现过放或者欠放情况,使煤质下降或者资源遭受损失。因此，在智能化放煤过程中，放煤量的在线监测是精准放煤的关键技术，放煤口煤流的动态参数是放煤机构动作和控制的重要依据。

采用专用的巡检机器人对综采工作面放煤口的动态参数进行实时监测，可以避免由于支架后部空间有限、放煤过程中粉尘等因素干扰。现在已有的巡检机器人，有布置在刮板运输机上的轨道巡检机器人或者通过钢丝绳布置在液压支架的顶梁上的巡检机器人，皆为针对工作面前进方向的环境和设备的监测，不能对液压支架后方的放煤机构进行监测。

为了克服上述不足，亟需一种能实现对液压支架后方放煤口进行监测的工作面巡检机器人。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种综放工作面支架后部放煤状态智能巡检机器人及工作方法，能够实现对综采工作面支架后部放煤口动态参数的实时监测，提高放煤机构控制的可靠性，更有助于实现煤矿的安全生产。

为实现上述技术目的，本发明的综放工作面支架后部放煤状态智能巡检机器人，包括主动摩擦轮支架和被动摩擦轮支架，其中主动摩擦轮支架上设有主动摩擦轮和用以驱动主动摩擦轮的电机，被动摩擦轮支架上设有被动摩擦轮，主动摩擦轮与被动摩擦轮之间设有钢丝缆绳，钢丝缆绳上通过吊舱连接件连接机器人主体。

所述的机器人主体包括机器人控制器和蛇形机械臂，所述机器人控制器包括蛇形机械臂控制机构和机器人吊舱平衡机构，机器人吊舱内设有上下两个腔体，蛇形机械臂控制机构设置在上腔室内，机器人吊舱平衡机构设置在下腔室内，所述蛇形机械臂控制机构包括设置在上腔室中间位置的控制模块，控制模块两侧分别设有电池和蛇形机械臂电动机组，控制模块上方设有倾角传感器，蛇形机械臂电动机组与蛇形机械臂的首端连接，并驱动蛇形机械臂活动，所述机器人吊舱平衡机构包括设置在下腔室内的驱动电机，驱动电机的输出轴通过联轴器连接有横向设置的丝杠，丝杠上设有由驱动电机控制在丝杠上左右移动的平衡块；蛇形机械臂的末端上通过支架设有信息采集处理装置。

所述丝杠一端与防爆壳固定另一端通过设置的丝杠支撑架固定。

所述的信息采集处理装置包括激光扫描传感器、电池、CCD相机和防爆计算机；其中电池为激光扫描传感器、CCD相机和防爆计算机供电。

所述主动摩擦轮与被动摩擦轮之间的钢丝缆绳上间隔设有用以保证钢丝缆绳不会因负重过大而严重变形的辅助支撑，辅助支撑抵消钢丝缆绳由于自身重力和机器人主体的重量产生的弯曲变形，辅助支撑之间留有允许机器人主体通过的空隙。

所述钢丝绳上还设有用于拉紧钢丝缆绳的张紧装置，当主动摩擦轮支架和被动摩擦轮支架之间距离缩短或者延长均可以保证钢丝缆绳保证平直。

所述张紧装置包括并排设置在靠近被动摩擦轮侧钢丝缆绳上的两个配重块支撑架，配重块支撑架之间下方穿过钢丝缆绳，并在两个配重块支撑架支架间的钢丝缆绳上通过动滑轮悬挂有配重块，配重块通过自重将影响钢丝缆绳平直的过长钢丝缆绳部分张紧。

所述蛇形机械臂为绳驱动的机械臂，蛇形机械臂由蛇形机械臂电动机组驱动，蛇形机械臂电动机组由四个电动机组成，控制蛇形机械臂的伸缩旋转，将激光扫描传感器和CCD相机送到液压支架后方对放煤口的状态进行监测。

一种使用所述综放工作面支架后部放煤状态智能巡检机器人的使用方法，其步骤如下：

将主动摩擦轮支架和被动摩擦轮支架分别固定在位于工作面两侧的液压支架顶梁上，并使钢丝缆绳穿过两侧的液压支架之间的所有液压支架，利用张紧装置使钢丝缆绳平直，然后控制机器人主体在钢丝缆绳上往返移动，并利用蛇形机械臂末端的信息采集处理装置监测液压支架后部的放煤状态；

当机器人主体运动时蛇形机械臂自然垂下，当运动到两个液压支架之间的空隙时，控制模块控制蛇形机械臂电动机组驱动蛇形机械臂向液压支架后方移动，利用信息采集处理装置中的激光扫描传感器和CCD相机对液压支架后方放煤口的情况进行监测，此时蛇形机械臂伸出，激光扫描传感器和CCD相机工作，激光扫描传感器发射红外光束，并接收放射回来轮廓点云信息，CCD相机采集液压支架后方煤堆的图像；激光扫描传感器和CCD相机将所测数据传输给防爆计算机，防爆计算机对数据进行处理得出扫描截面轮廓，将测得的扫描截面轮廓数据通过无线网络传到远程控制室，远程控制室通过扫描数据计算出煤流量，控制液压放煤口的开闭。

当蛇形机械臂伸出时，机器人主体的机器人吊舱会发生倾斜，此时倾角传感器将检测到倾斜信息反馈给控制模块，控制模块根据倾斜程度控制机器人吊舱平衡机构的驱动电机工作，驱动电机控制驱动平衡块在丝杠上移动，从而使机器人主体在伸出蛇形机械臂时保持机器人吊舱的平衡，当检测完毕将蛇形机械臂收回时，控制模块通过驱动电机控制驱动平衡块归位，从而始终保持机器人吊舱的水平位置。

当综采工作面移架时液压支架采用单架连续移支方式或分段交错式移支方式；移架时液压支架之间形成错位，钢丝缆绳被拉长，由于钢丝缆绳上的张紧装置的的作用，提供钢丝缆绳足够的变形余量，使智能巡检机器人保持正常工作状态。

有益效果：

本发明通过摩擦轮的摩擦力带动钢丝缆绳和机器人本体运动，在运动的过程中由于配重块重力的作用，钢丝缆绳始终处于拉紧的状态。并且可以在液压支架出现错位的情况下提供足够的变形余量；通过将激光扫描传感器、CCD相机安装在蛇形机械臂末端，输送到液压支架后方放煤口，对放煤口的动态参数进行检测。操作人员只需要在远程操作中心进行控制，无需到现场检测，安全可靠；

本发明的技术方案测量范围广，蛇形机械臂可以狭窄的空间中灵活运动，实现对工作面各个方向的监测，测量范围广；装置结构简单，灵活度高，可应用于综采工作面复杂的现场环境。

附图说明

图1是本发明综放工作面支架后部放煤状态智能巡检机器人的结构示意图；

图2是本发明的机器人主体结构图；

图3是本发明的主动摩擦轮、主动摩擦轮支架与机器人主体的相对位置图；

图4是本发明机器人主体从液压支架间伸出的立体图；

图5是本发明综放工作面支架后部放煤状态智能巡检机器人安装在放顶煤液压支架顶部的立体图；

图6是本发明综放工作面支架后部放煤状态智能巡检机器人在液压支架移动发生错位时的状态图；

图7是液压支架移动发生错位时本发明综放工作面支架后部放煤状态智能巡检机器人的状态图。

图中：1-主动摩擦轮，2-钢丝缆绳，3-被动摩擦轮，4-被动摩擦轮支架，5-配重块支撑架，6-辅助支撑，7-主动摩擦轮支架，8-吊舱连接件，9-机器人吊舱，10-动滑轮，11-配重块，12-控制模块，13-电池，14-丝杠,15-平衡块，16-丝杠支撑架，17-联轴器，18-驱动电机，19-蛇形机械臂电动机组，20-倾角传感器，21-蛇形机械臂，22-激光扫描传感器，23-电池，24-CCD相机，25-防爆计算机，26-电机。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

如图1和图3所示，本发明的综放工作面支架后部放煤状态智能巡检机器人，包括主动摩擦轮支架7和被动摩擦轮支架4，其中主动摩擦轮支架7上设有主动摩擦轮1和用以驱动主动摩擦轮1的电机26，主动摩擦轮1固装在电机26的输出轴上，被动摩擦轮支架4上设有被动摩擦轮3，主动摩擦轮1与被动摩擦轮3之间设有钢丝缆绳2，钢丝缆绳2上通过吊舱连接件8连接有机器人主体。

主动摩擦轮1与被动摩擦轮3之间的钢丝缆绳2上间隔设有用以保证钢丝缆绳2不会因负重过大而严重变形的辅助支撑6，辅助支撑6安装在综采工作面液压支架的顶部，由于综采工作面长度会由几十米到几百米，这时主动摩擦轮1和被动摩擦轮3之间的钢丝缆绳2会由于自身的重力和机器人的重量作用下垂，辅助支撑6可以抵消钢丝缆绳3由于自身重力和机器人的重量产生的弯曲变形；辅助支撑6抵消钢丝缆绳3由于自身重力和机器人主体的重量产生的弯曲变形，辅助支撑6之间留有允许机器人主体通过的空隙，钢丝绳2上还设有用于拉紧钢丝缆绳2的张紧装置，当主动摩擦轮支架7和被动摩擦轮支架4之间距离缩短或者延长均可以保证钢丝缆绳2保证平直。张紧装置包括并排设置在靠近被动摩擦轮3侧钢丝缆绳2上的两个配重块支撑架5，配重块支撑架5之间下方穿过钢丝缆绳2，并在两个配重块支撑架5支架间的钢丝缆绳2上通过动滑轮10悬挂有配重块11，配重块11通过自重将影响钢丝缆绳2平直的过长钢丝缆绳部分张紧，配重块支撑架5连接在钢丝缆绳2上，吊起配重块11。

如图2所示，机器人主体包括机器人控制器和蛇形机械臂21，所述机器人控制器包括蛇形机械臂控制机构和机器人吊舱平衡机构，机器人吊舱9内设有上下两个腔体，其中蛇形机械臂控制机构和机器人吊舱平衡机构分别设置在机器人吊舱9中的上下的两个腔室内，蛇形机械臂控制机构设置在上腔室内，机器人吊舱平衡机构设置在下腔室内，所述蛇形机械臂控制机构包括设置在上腔室中间位置的控制模块12，控制模块12两侧分别设有电池13和蛇形机械臂电动机组19，控制模块12上方设有倾角传感器20，蛇形机械臂电动机组19与蛇形机械臂21的首端连接，并驱动蛇形机械臂21活动，所述机器人吊舱平衡机构包括设置在下腔室内的驱动电机18，驱动电机18的输出轴通过联轴器17连接有横向设置的丝杠14，丝杠14上设有由驱动电机18控制在丝杠17上左右移动的平衡块15；蛇形机械臂21的末端上通过支架设有信息采集处理装置。述丝杠14一端与防爆壳固定另一端通过设置的丝杠支撑架16固定。所述的信息采集处理装置包括激光扫描传感器22、电池23、CCD相机24和防爆计算机25；其中电池23为激光扫描传感器22、CCD相机24和防爆计算机25供电。

所述蛇形机械臂21为绳驱动的机械臂，蛇形机械臂21由蛇形机械臂电动机组19驱动，蛇形机械臂电动机组19由四个电动机组成，控制蛇形机械臂21的伸缩旋转，将激光扫描传感器22和CCD相机24送到液压支架后方对放煤口的状态进行监测。

一种综放工作面支架后部放煤状态智能巡检机器人的使用方法，其步骤如下：

如图4和图5所示，将主动摩擦轮支架7和被动摩擦轮支架4分别固定在位于工作面两侧的液压支架顶梁上，并使钢丝缆绳2穿过两侧的液压支架之间的所有液压支架，利用张紧装置使钢丝缆绳2平直，然后控制机器人主体在钢丝缆绳2上往返移动，并利用蛇形机械臂21末端的信息采集处理装置监测液压支架后部的放煤状态；

当机器人主体运动时蛇形机械臂21自然垂下，当运动到两个液压支架之间的空隙时，控制模块12控制蛇形机械臂电动机组19驱动蛇形机械臂21向液压支架后方移动，利用信息采集处理装置中的激光扫描传感器22和CCD相机23对液压支架后方放煤口的情况进行监测，此时蛇形机械臂21伸出，激光扫描传感器22和CCD相机24工作，激光扫描传感器22发射红外光束，并接收放射回来轮廓点云信息，CCD相机24采集液压支架后方煤堆的图像；激光扫描传感器22和CCD相机24将所测数据传输给防爆计算机25，防爆计算机25对数据进行处理得出扫描截面轮廓，将测得的扫描截面轮廓数据通过无线网络传到远程控制室，远程控制室通过扫描数据计算出煤流量，控制液压放煤口的开闭。

当蛇形机械臂21伸出时，机器人主体的机器人吊舱9会发生倾斜，此时倾角传感器20将检测到倾斜信息反馈给控制模块12，控制模块12根据倾斜程度控制机器人吊舱平衡机构的驱动电机18工作，驱动电机18控制驱动平衡块15在丝杠14上移动，从而使机器人吊舱9在伸出蛇形机械臂21时保持平衡，当检测完毕将蛇形机械臂21收回时，控制模块12通过驱动电机18控制驱动平衡块15归位，从而始终保持机器人吊舱9的水平位置。

当综采工作面移架时液压支架采用单架连续移支方式或分段交错式移支方式；移架时液压支架之间形成错位如图6所示，钢丝缆绳2被拉长如图7所示，由于钢丝缆绳2上的张紧装置的作用，提供钢丝缆绳足够的变形余量，使智能巡检机器人保持正常工作状态。