基于機(jī)器人化掘支錨聯(lián)合機(jī)組的折疊式鉆車鉆臂工作空間分析

郝雪弟 紀(jì)偉亮 景新平 李 瑞 張中平 程繼杰 管 建 吳 淼

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

1 前言

目前，我國有2.95萬億t煤炭資源儲量埋藏在千米以下，約占已探明總量的53%，已有40多個礦井采深超過千米，最大開采深度達(dá)1500 m。采、掘作業(yè)是煤炭生產(chǎn)過程中既危險又至關(guān)重要的兩個環(huán)節(jié)，而深部煤層的瓦斯爆炸及巖層垮塌、突水等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率高、偶然性強(qiáng)，增加了采掘工作的危險程度，對采掘礦工生命安全威脅極大。無人化采掘裝備可替代工人在危險的采掘作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，因此，深部煤層無人化采掘?qū)⒊蔀槲覈禾啃袠I(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。

除此之外，采、掘時間比例失衡一直是制約著我國煤礦高效高產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，其根本原因在于掘進(jìn)機(jī)工作時間短而支護(hù)時間長。據(jù)統(tǒng)計，一個掘進(jìn)工作循環(huán)中，掘進(jìn)作業(yè)時間占比為17%～34%，支護(hù)作業(yè)時間占比為50%～66%，巷道支護(hù)作業(yè)時間占總掘進(jìn)時間2/3以上。如何提高支護(hù)效率便成為解決采掘比例失衡問題的一個關(guān)鍵因素。

我國機(jī)械化快速掘進(jìn)工藝主要分為綜掘機(jī)掘進(jìn)工藝、連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)工藝和掘錨機(jī)掘進(jìn)工藝三大類。綜掘機(jī)掘進(jìn)工藝是進(jìn)行單巷掘進(jìn)時，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)一定距離并停機(jī)后，由鉆錨作業(yè)工人使用單體錨桿鉆機(jī)進(jìn)行鉆錨，完成支護(hù)作業(yè)。該工藝支護(hù)時間長，勞動強(qiáng)度大，工人常常處于未支護(hù)巷道中工作，工人的人身安全受到嚴(yán)重威脅。連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)工藝適用于大斷面雙巷或多巷掘進(jìn)，掘錨交叉作業(yè)。雖然掘進(jìn)速度較快，但是成本較高，地質(zhì)條件適應(yīng)性較差。掘錨機(jī)掘進(jìn)工藝適用于大斷面單巷掘進(jìn)，適用范圍廣，有利于提高支護(hù)效率，但依然缺乏有效的臨時支護(hù)，存在安全隱患。連續(xù)采煤機(jī)和掘錨機(jī)只適用于煤巷，而綜掘機(jī)不僅能在半煤巷中掘進(jìn)，也可在巖巷中掘進(jìn)，使用范圍更廣。因此，以綜掘機(jī)為基礎(chǔ)研究新型掘支錨聯(lián)合機(jī)組更具普遍意義。

本文提出了一種機(jī)器人化掘支錨聯(lián)合機(jī)組，在掘進(jìn)、臨時支護(hù)和永久錨固上可實(shí)現(xiàn)智能化無人或遠(yuǎn)程遙控作業(yè)，從而極大地降低深部煤層掘進(jìn)作業(yè)中的風(fēng)險，確保人員安全，同時又可以做到掘進(jìn)、支護(hù)協(xié)調(diào)并行作業(yè)，提高巷道的掘進(jìn)效率。

2 掘支錨聯(lián)合機(jī)組組成及工作原理

掘支錨聯(lián)合機(jī)組主要由綜掘機(jī)、臨時支護(hù)架組和支錨作業(yè)車組成，配套帶式轉(zhuǎn)載機(jī)和可伸縮帶式輸送機(jī)，從而組成掘支錨聯(lián)合機(jī)組作業(yè)線。其中臨時支架組根據(jù)掘進(jìn)工藝和巷道條件需求有7～15架不等。支錨作業(yè)車后端兩立柱搭載折疊式鉆車鉆臂，鉆車鉆臂上裝有錨桿鉆機(jī)，可進(jìn)行自動化鉆錨作業(yè)。機(jī)器人化掘支錨聯(lián)合機(jī)組設(shè)備組成示意圖如圖1所示。

機(jī)器人化掘支錨聯(lián)合機(jī)組工作過程如圖2所示，其作業(yè)工序如圖3所示。

首先，機(jī)器人化綜掘機(jī)能夠完成機(jī)身位姿自動檢測和糾偏，實(shí)現(xiàn)其智能化行走和定位。之后，綜掘機(jī)進(jìn)行巷道斷面自動截割作業(yè)。截割完一個進(jìn)尺后，末端的臨時支架卸壓并收縮，落架于支錨作業(yè)車上，由支錨作業(yè)車將該支架運(yùn)送至新掘空頂處。隨后，該支架再擴(kuò)展、升架、撐頂，完成對新掘頂板和兩幫的臨時支護(hù)。在支架撐頂過程中，支錨作業(yè)車退至支架后端，經(jīng)過車體定位以及鉆車鉆臂鉆孔對準(zhǔn)，最后完成對巷道頂板和兩幫的鉆孔作業(yè)。

圖1 機(jī)器人化掘支錨聯(lián)合機(jī)組設(shè)備組成示意圖

圖2 機(jī)器人化掘支錨聯(lián)合機(jī)組工作過程

該機(jī)器人化掘支錨聯(lián)合機(jī)組實(shí)現(xiàn)了綜掘巷道掘、支、錨三大工序并行作業(yè)，大幅提高綜掘巷道的成巷速率。由于機(jī)器人化掘支錨聯(lián)合機(jī)組具有機(jī)器人化智能自動作業(yè)功能，可將人員從危險的掘進(jìn)工作面中解放出來，在遠(yuǎn)離危險的順槽中監(jiān)控機(jī)組作業(yè)，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

圖3 機(jī)器人化掘支錨聯(lián)合機(jī)組作業(yè)工序

3 折疊式鉆車鉆臂結(jié)構(gòu)及運(yùn)動學(xué)建模

基于機(jī)器人化掘支錨聯(lián)合機(jī)組，為了實(shí)現(xiàn)無人化鉆錨作業(yè)，本文提出一種新型折疊式鉆車鉆臂，該鉆車鉆臂具有自身體積小、所需變位空間小以及可以自動完成巷道頂、幫錨孔鉆錨工作的特點(diǎn)。

3.1 鉆車鉆臂的結(jié)構(gòu)

鉆車鉆臂由錨桿鉆機(jī)、微角調(diào)節(jié)裝置、俯仰角模塊、折疊臂前臂、折疊臂后臂和液壓回轉(zhuǎn)臺組成。鉆車鉆臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，

1-伸縮液壓缸；2-支錨作業(yè)車立柱 ；3-高度調(diào)節(jié)液壓缸；4-液壓回轉(zhuǎn)臺；5 -折疊臂后臂；6-折疊臂前臂；7-俯仰角模塊；8-微角調(diào)節(jié)裝置； 9-機(jī)身回轉(zhuǎn)臺；10-錨桿鉆機(jī)

鉆車鉆臂通過液壓回轉(zhuǎn)臺與支錨作業(yè)車立柱嵌套連接，并通過液壓回轉(zhuǎn)臺繞支錨作業(yè)車立柱進(jìn)行轉(zhuǎn)動。液壓回轉(zhuǎn)臺頂端和側(cè)方分別設(shè)有兩個耳孔，側(cè)方耳孔與折疊臂后臂直接相連，作為折疊臂后臂轉(zhuǎn)動的支點(diǎn)，頂部耳孔通過高度調(diào)節(jié)液壓缸與折疊臂后臂相連，折疊臂前臂與折疊臂后臂長邊端鉸接。由伸縮液壓缸驅(qū)動折疊臂的伸展與折疊。折疊臂前臂通過俯仰液壓缸與微角調(diào)節(jié)裝置連接，錨桿鉆機(jī)通過機(jī)身回轉(zhuǎn)臺與微角調(diào)節(jié)裝置連接。機(jī)身回轉(zhuǎn)臺可使鉆機(jī)沿著鉆臂垂直面轉(zhuǎn)動，俯仰液壓缸可使鉆機(jī)沿著鉆臂的方向擺動，通過鉆臂各部件的協(xié)調(diào)配合完成巷道的鉆孔工作。

3.2 鉆車鉆臂運(yùn)動學(xué)建模

鉆車鉆臂是一系列的連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或移動關(guān)節(jié)聯(lián)結(jié)而成，結(jié)構(gòu)上是一種開式運(yùn)動鏈。一端固定在支錨作業(yè)車后端的液壓回轉(zhuǎn)臺上，通過各運(yùn)動關(guān)節(jié)的液壓缸或液壓馬達(dá)驅(qū)動鉆臂運(yùn)動，使鉆機(jī)達(dá)到指定的位姿。

為了研究鉆機(jī)的工作空間，運(yùn)用D-H方法建立鉆臂的運(yùn)動學(xué)方程。將鉆車鉆臂等效成一系列桿件，各桿件D-H坐標(biāo)系建立規(guī)則為：以支錨作業(yè)車后的液壓升降回轉(zhuǎn)臺下端作為初始基坐標(biāo)系o0x0y0z0，在第i個關(guān)節(jié)上的坐標(biāo)系為oixiyizi。連桿i的坐標(biāo)原點(diǎn)位于關(guān)節(jié)i與關(guān)節(jié)i+1軸線的交點(diǎn)處，連桿i的z軸與關(guān)節(jié)i+1的軸線重合，連桿i的x軸在連桿i和i+1的公共法線上，方向從i指向i+1，連桿i的y軸由右手定則來確定。

根據(jù)上述規(guī)定，對鉆臂每個關(guān)節(jié)建立一個坐標(biāo)系，坐標(biāo)系如圖5所示。

圖5 鉆車鉆臂D-H坐標(biāo)系

用D-H法則建立運(yùn)動學(xué)方程需要用到以下4個參數(shù)：a為該連桿長度，α為相鄰連桿的扭角，d為相鄰連桿的距離，θ為相鄰兩個連桿的夾角。根據(jù)實(shí)際機(jī)械臂尺寸得到各參數(shù)，鉆車鉆臂D-H坐標(biāo)系參數(shù)見表1。

表1 鉆車鉆臂D-H坐標(biāo)系參數(shù)

根據(jù)建立的D-H坐標(biāo)系及所得的D-H坐標(biāo)系參數(shù)表，通過鉆臂相鄰關(guān)節(jié)坐標(biāo)系之間的矩陣變換，得到鉆臂末端錨桿鉆機(jī)鉆頭相對于基坐標(biāo)系的運(yùn)動學(xué)方程，即錨桿鉆機(jī)相對于基坐標(biāo)系的空間位姿。坐標(biāo)變換公式見式(1)：

(1)

式中：Rot(x,θ)——當(dāng)前坐標(biāo)系繞x軸旋轉(zhuǎn)θ角度；

Rot(z,θ)——當(dāng)前坐標(biāo)系繞z軸旋轉(zhuǎn)θ角度；

[nx，ny，nz]、[ox，oy，oz]、[ax，ay，az]——鉆機(jī)相對于基坐標(biāo)系的姿態(tài)向量；

[px，py，pz]——鉆機(jī)相對于基坐標(biāo)系的位置向量。

4 鉆車鉆臂工作空間分析

機(jī)械臂的工作空間是指機(jī)械臂在正常運(yùn)作時，末端執(zhí)行器坐標(biāo)系原點(diǎn)所能到達(dá)的最大空間范圍，這里指鉆錨機(jī)鉆頭所能覆蓋的空間點(diǎn)集。本文采用蒙特卡洛偽隨機(jī)數(shù)方法對鉆車鉆臂雙鉆臂可達(dá)工作空間進(jìn)行解算。以巷道底板中線與兩個后置液壓支柱底端圓心連線的交線為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立巷道基準(zhǔn)坐標(biāo)系如圖6所示。

圖6 巷道基準(zhǔn)坐標(biāo)系

由圖6可以看出，鉆車左右鉆臂坐標(biāo)系分別置于基準(zhǔn)坐標(biāo)系兩側(cè)，基于蒙特卡洛方法，分別求出鉆車左右鉆臂的工作空間，其中藍(lán)色代表鉆車左鉆臂的工作空間，紅色代表鉆車右鉆臂的工作空間，鉆車左右鉆臂工作空間三維圖和xoz面投影如圖7和圖8所示。

圖7 鉆車左右鉆臂工作空間三維圖

圖8 鉆車左右鉆臂工作空間xoz面投影

由圖7和圖8可以看出，鉆機(jī)鉆頭在x軸向上可達(dá)的工作范圍為(-4000，4000)，在z軸向上可達(dá)的工作范圍為(-1000，4000)，鉆車左右鉆臂協(xié)同作業(yè)時，鉆機(jī)鉆頭可達(dá)到5.5m×3.6m巷道空間的任一位置。

工作空間分析雖然表明鉆機(jī)所能到達(dá)的空間位置及范圍，但并不能表明到這一空間位置時，鉆機(jī)鉆臂相應(yīng)位姿是否滿足鉆進(jìn)方向的要求。因此，進(jìn)行了機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)反解。根據(jù)計算結(jié)果，利用三維建模軟件將機(jī)械臂姿態(tài)畫出，檢驗(yàn)鉆機(jī)鉆臂相應(yīng)位姿是否滿足鉆進(jìn)方向要求。

頂板7個錨孔位置坐標(biāo)見表2，兩幫10個錨孔位置坐標(biāo)見表3，錨桿傾角選擇在15°～25°之間，錨桿位置分布斷面圖如圖10所示。

通過在三維建模軟件中調(diào)整鉆車鉆臂的位姿，得到鉆車鉆臂相應(yīng)關(guān)節(jié)角度各個數(shù)值見表4和表5。

表2 頂板7個錨孔位置坐標(biāo)

表3 兩幫10個錨孔位置坐標(biāo)

圖10 錨桿位置分布斷面圖

表4 鉆頂錨孔時鉆臂各關(guān)節(jié)角度

根據(jù)表2和表3，各關(guān)節(jié)角度值對應(yīng)的鉆車鉆臂工作位置姿態(tài)圖如圖11和圖12所示。

表5 鉆幫錨孔時鉆臂各關(guān)節(jié)角度

圖11 不同頂錨孔位置時鉆車鉆臂機(jī)構(gòu)姿態(tài)圖

圖12 不同幫錨孔位置時鉆車鉆臂機(jī)構(gòu)姿態(tài)圖

4 結(jié)論

(1)本文提出的機(jī)器人化掘支錨聯(lián)合機(jī)組，具有掘進(jìn)機(jī)智能化位姿檢測和自主糾偏、截割頭自適應(yīng)截割與斷面自動成型的特點(diǎn)。臨時支護(hù)架組具有圍巖應(yīng)力感知功能，保證支護(hù)頂板不離層的特點(diǎn)。支錨作業(yè)車具有自主定位及鉆孔全方位、自動化的特點(diǎn)。

(2)根據(jù)機(jī)器人化掘支錨聯(lián)合機(jī)組的工作原理，提出了掘進(jìn)巷道施工新工藝協(xié)調(diào)掘進(jìn)和支護(hù)作業(yè)工序，實(shí)現(xiàn)掘、支、錨三者并行作業(yè)，提高綜掘巷道掘進(jìn)效率，解決采掘時間配比不平衡的問題。

(3)運(yùn)用D-H方法建立鉆車鉆臂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型，同時運(yùn)用蒙特卡洛方法對鉆車鉆臂工作空間進(jìn)行分析，得到鉆車鉆臂適用的巷道范圍。

(4)進(jìn)行鉆車鉆臂運(yùn)動學(xué)反解，并將反解結(jié)果代入到三維建模軟件中進(jìn)行姿態(tài)驗(yàn)證，證明鉆車鉆臂位姿滿足錨孔方向要求。