CN105507931A - 一种采煤工作面支护机器人 - Google Patents
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Abstract
一种采煤工作面支护机器人，包括支护部件、行走部件、控制器和多种类型的智能传感器；支护部件用来完成支护机器人的升降，进行对采煤工作面顶板的有效支撑；行走部件用来完成支护机器人的自由迁移；控制器根据采集的各种智能传感器数据，实现支护机器人的支护控制。本发明为支护机器人自身姿态感知及控制、智能传感器自主控制、各类传感器数据综合应用提供一种新的方法，通过无线方式实现支护机器人控制器和各个智能设备之间的通信和设备互联，减少了控制器与其配接设备的电缆连接器，方便扩展配接设备，简化了系统，降低了成本，提高了系统可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿井下采煤工作面支护设备，尤其涉及一种用于采煤工作面的支护机器人。
背景技术
煤矿生产井下作业环境恶劣、条件复杂、灾害严重，在井下采煤工作面以及掘进巷道，往往伴随着粉尘、潮湿、振动、噪声，甚至辐射等严重的环境污染问题。随着工业4.0的深入、煤矿信息化和工业化的融合、以及无人化开采技术的发展，针对煤矿研发制造的特种机器人逐步应用到采掘、顶板支护、喷浆、巡检、抢险救灾等方面。为了实现煤矿高效和安全生产，支护机器人进入采煤工作面必然是煤炭行业技术发展的一个重要方向，以解决目前的支护设备缺少对行走姿态的感知、重心的计算和控制、对其他设备和周边环境的感知、以及设备间电缆连接器复杂维护不方便等问题。
在现有技术中，CN202348308U公开了一种履带式液压支架，包括顶梁履带、液压立柱、底座履带、底座机架、四连杆结构和顶梁机构，顶梁履带安装在顶梁机架上，顶梁机架通过液压立柱和四连杆机构与底座机架连接，四连杆机构顶端与顶梁机架铰接，底座机架上安装底座履带，但其没有公开具有控制装置，其操作和传统的液压支架操作方式相同，都是使用人工液压控制，控制精度不高，响应速度慢；CN102678141A公开了一种矿井支护车，其整机本体安装在行走装置上，在整机本体上设有轨道，在轨道上设有滑行的台车，支臂的下端铰接在台车上，支臂的上端铰接有能固定安装待架钢梁的护板上，油缸的一端与支臂铰接，另一端与整机本体铰接，在整机本体上设有整机控制系统、机器电器系统和整机泵站系统；但其控制系统仅仅涉及车辆和支护结构的控制，并没有传感器检测支护系统中各部件的姿态，对支护系统的控制不够全面，无法实现支护的细微结构动态调整。
发明内容
为了实现采煤支护机器人对行走姿态的感知，对周围环境及相关设备的感知，以及对采煤工作面顶板有效支护和倾倒预防控制，本发明提出一种采煤机工作面支护机器人，所述支护机器人包括：支护部件、行走部件、控制器和多种类型智能传感器。
所述支护部件用来完成支护机器人的升降，进行对采煤工作面顶板的有效支撑；
所述行走部件用来完成支护机器人的自由迁移；
所述控制器根据采集的各种智能传感器数据，实现支护机器人姿态感知、重心计算和防倾倒控制、采煤工作面顶板有效支护、行走步距精确控制、其他设备和周边环境的感知、以及各智能传感器之间的协同作业；
所述智能传感器包括：三维角度传感器、云台摄像仪、无线接近传感器、三维坐标定位传感器、支护压力传感器、行走步进传感器、应力检测传感器、危害气体传感器和声音传感器。
所述支护部件通过液压系统和控制装置，实现支护机器人升降控制；所述支护压力传感器安装在支护机器人的支护部件，对支护压力进行监测，所述支护压力传感器具有模型计算和智能识别功能，以及通过无线方式上报监测数据和模型计算结果功能，监测压力范围：0～60MPa，精度范围：0.1％～1％。
所述行走部件通过液压系统和减速装置，完成支护机器人在前后左右方向的自由迁移及步距的精确控制。所述行走步进传感器安装在支护机器人的行走部件，对行走步距进行监测，所述行走步进传感器具有模型计算和智能识别功能，以及通过无线方式上报监测数据和模型计算结果功能，实现支护机器人的智能步进控制，通过支护机器人的减速机构提高支护机器人的步进控制精度，测量精度范围：0.1～5mm。
所述控制器安装在支护机器人主体部件上，包括无线网络管理模块、支护机器人姿态模型模块、重心计算及防倾倒控制模块、环境感知模块、协同作业及控制模型管理模块。
所述无线网络管理模块，进行控制器及其各类传感器网络管理，实现控制器和各类传感器的无线通信以及不同支护机器人控制器之间的无线通信，以及传感器状态监测。
所述支护机器人姿态模型模块，根据采集的各种传感器数据实时计算支护机器人在运行过程中各部件的姿态。
所述重心计算及防倾倒控制模块，根据支护机器人实时姿态计算支护机器人的重心位置，当重心位置偏离安全范围时，根据控制模型自动调整支护机器人的姿态，防止倾倒。
所述环境感知模块，根据云台摄像仪、无线接近传感器、三维坐标定位传感器、行走步进传感器、应力检测传感器、危害气体传感器和声音传感器的采集数据及分析结果，从视觉、听觉、感觉等方面判断支护机器人的工作环境和设备状态。防止支护机器人与其它设备发生碰撞。
所述协同作业及控制模型管理模块，实现支护机器人和支护机器人之间、支护机器人各智能传感器之间的协同作业，以及对协同控制模型的管理。
所述控制器通过无线方式和智能传感器通过无线方式进行通信。
所述智能传感器具有模型计算和智能识别功能。
所述三维角度传感器，安装在支护机器人的所有活动部件上，关键部位设置2倍数量的冗余，监测各部件三维姿态角度以及支护机器人的行走姿态，测量范围：±1°～±90°，分辨度范围：0.01°～0.05°。
所述云台摄像仪，安装在支护机器人的两侧，且数量在2台以上，具有不小于180°旋转功能，观察煤壁和支护机器人侧方。
所述无线接近传感器，安装在支护机器人结构件前端，测量前方其它采煤设备的相对位置，监测范围：0.1～7m。
所述三维坐标定位传感器，安装在支护机器人结构件侧方，测量侧方其它设备或支护机器人的相对位置，监测精度范围1～100mm。
所述应力检测传感器，安装在支护机器人各个结构件连接部位，感知支护机器人所有关节部位的磨损和损坏情况，测量频带宽：2000～3000Hz，误差：±10Hz，灵敏系数在1.5×10-4以下。
本发明产生的有益效果是：为支护机器人行走姿态感知及控制、支护机器人重心计算、支护机器人重心复位控制、智能传感器自主控制、各类传感器数据综合应用提供一种方法，通过无线方式实现支护机器人控制器和各个智能设备之间的通信和设备互联，减少了控制器与其配接设备的电缆连接器，方便扩展配接设备，简化了系统，降低了成本，提高了系统可靠性。
在上述结构的基础上，采煤工作面支护机器人的控制方法如下：
(1)支护机器人根据采煤工作面生产情况需要迁移时，首先尝试降低其支护部件，同时安装在支护部件的支护压力传感器对支护压力进行监测，如果一定时间之后，支护部件的压力没有明显减小的变化，需要综合三维角度传感器、云台摄像仪、声音传感器等传感器设备，获取支护机器人当前的姿态、根据图像和声音频率分析是否发生顶板塌落等情况，并由控制器根据姿态控制模型对支护机器人的姿态进行调整，确保异常情况得到有效控制。
(2)支护机器人判断支护压力可以进行迁移，并综合三维坐标定位传感器、云台摄像仪、无线接近传感器反馈结果判断：支护机器人和前方其他采煤设备的相对方位、距离；支护机器人和两侧支护机器人或其他设备的相对方位。根据支护机器人迁移模型判断是否可以进行自由的迁移，迁移过程中根据行走步进传感器监测迁移步进，通过减速机构进行迁移动作的精确控制。
(3)支护机器人迁移结束后升起支护部件，根据支护压力传感器使支护部件对顶板有效支护。
(4)支护机器人在动作过程中，控制器根据支护机器人模型及其各个结构件的三维角度，进行支护机器人的三维模型计算，并根据三维模型计算当前支护机器人的重心位置，当重心不满足安全要求可能或已经发生倾倒时，根据控制模型对支护机器人进行姿态调整或直接复位到固定的重心稳定姿态，保证机器人重心在安全合理的范围。
(5)支护机器人动作过程中，应力检测传感器实时监测各个结构部件的磨损情况，并根据监测结果自主调整动作幅度，结构部件发生重大损害无法继续工作时，给控制器发出预警故障信息，方便故障排查和设备检修。
(6)正常工作过程中，如果个别智能传感器发现异常，需要进一步采集其他信息进行判断时，可以调用其他智能传感器对制定位置的进行异常检测。例如：当声音传感器或危害气体传感器监测到某一方位发生异常时，为了对异常情况进行更全面的判断，可以调用云台摄像仪调整摄像头选择角度和焦距对该区域进行图像采集，识别异常情况。
本发明产生的有益效果是：为支护机器人自身姿态感知及控制、智能传感器自主控制、各类传感器数据综合应用提供一种方法，通过无线方式实现支护机器人控制器和各个智能设备之间的通信和设备互联，减少了控制器与其配接设备的电缆连接器，方便扩展配接设备，简化了系统，降低了成本，提高了系统可靠性。
附图说明
图1为一种采煤工作面支护机器人的组成原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明做进一步的详细描述。一种采煤工作面支护机器人，包括支护部件、行走部件、控制器和多种类型智能传感器。所述支护部件，控制器及执行机构控制支护部件实现支护机器人的升降，支护压力传感器监测其支护的压力大小，进行对采煤工作面顶板的有效支撑。所述行走部件，控制器及执行机构控制行走部件，实现支护机器人的自由迁移，行走步进传感器监测其迁移步进大小，进行支护机器人在前后左右方向的自由迁移及步距精确控制。
所述控制器安装在支护机器人主体部件上，根据采集的各种智能传感器数据，实现支护机器人姿态感知、重心计算与防倾倒控制、采煤工作面顶板有效支护、自由迁移和行走步距精确控制、其他设备和周边环境的感知、以及各智能传感器之间的协同作业。
所述控制器包括无线网络管理模块、支护机器人姿态模型模块、重心计算及防倾倒控制模块、环境感知模块、协同作业及控制模型管理模块。
所述控制器无线网络管理模块，实现对智能传感器的链接和断开管理，并为每个智能传感器分配标识号，当有智能传感器异常断开或链接不稳定时，无线传感器网络模块能在0～5s内对故障进行识别报警并记录。
所述控制器姿态模型和重心计算模块，利用采集到的各类传感器数据和支护机器人结构图，计算支护机器人的姿态模型，并进一步进行支护机器人的重心计算，当其重心不满足支护机器人的安全要求时，根据控制模型自动生成调整动作控制指令或复位指令，使机器人重心在安全合理的范围。
所述控制器协同作业及控制模型管理模块，根据支护机器人模型和控制指令协调减速机构完成支护机器人的精细控制和快速移动，以及和其它支护机器人通信协调作业。
所述智能传感器通过无线方式实现和控制器的数据交换，具有模型计算和智能识别功能，智能传感器主要包括：安装在支护机器人的所有活动部件上，感知支护机器人运动姿态的三维角度传感器；安装在支护机器人的两侧观察煤壁和支护机器人侧方带云台旋转控制的云台摄像仪；安装在支护机器人结构件前端，测量前方其它采煤设备的相对位置防碰撞的无线接近传感器；安装在支护机器人结构件侧方，测量侧方其它设备相对位置防碰撞控制的三维坐标定位传感器；安装在支护机器人的支护部件，对顶板支护压力进行管理的支护压力传感器；安装在支护机器人的行走部件，对行走步距进行精确控制的行走步进传感器；安装在支护机器人各个结构件连接部位，感知支护机器人所有关节部位的磨损和损坏情况的应力检测传感器；安装在支护机器人周边，感知周围危害气体和声音的危害气体传感器和声音传感器。
所述三维角度传感器安装在支护机器人的所有活动部件上，数量上有适当冗余，所述三维角度传感器具有智能化模型计算功能、以及通过无线方式上报所监测各部件三维姿态数据和模型计算结果功能，测量范围：±1°～±90°，分辨度范围：0.01°～0.05°。
所述三维角度传感器安装位置最好覆盖支护机器人所有可活动结构部件，可以测量结构部件在三个维度的角度值，三维角度传感器具有无线收发模块，通过调节无线收发模块的功率，可与控制器建立链接，实现其无线通信。必要时，三维角度传感器可以按照所测量结构件的关联程度分组管理，组内可以进行级联，即一个三维角度传感器将测量值及控制模型结果送到另一个三维角度传感器，这样依次传递，最后一个三维角度传感器将组内所以测量数据报送到更高一层组或控制器。
所述云台摄像仪安装在支护机器人的两侧，且数量在2台以上，具有不小于180°旋转功能，观察煤壁和支护机器人侧方。
所述云台摄像仪根据其控制模型，调整摄像仪的旋转角度和焦距定位目标。
所述无线接近传感器安装在支护机器人结构件前端，测量前方其它采煤设备的相对位置，所述无线接近传感器具有模型计算和智能识别功能，以及通过无线方式上报监测数据和模型计算结果功能，监测精度范围：0.1～7m。
所述无线接近传感器根据其控制模型，识别支护机器人前方的其它采煤设备相对位置，并根据模型定义条件上报距离信息和预警信息至控制器。
所述三维坐标定位传感器安装在支护机器人结构件侧方，测量侧方其它设备或支护机器人的相对位置，所述三维坐标定位传感器具有模型计算和智能识别功能，以及通过无线方式上报监测数据和模型计算结果功能，监测精度范围1～100mm。
所述三维坐标定位传感器根据其控制模型，识别两侧支护机器人或其它设备的水平对齐信息，并根据模型定义条件上报动作控制信息和预警信息至控制器。
所述支护压力传感器安装在支护机器人的支护部件，对支护压力进行管理，所述支护压力传感器具有模型计算和智能识别功能，以及通过无线方式上报监测数据和模型计算结果功能，监测精度范围0.1％～1％。
所述支护压力传感器根据其控制模型，识别采煤工作面顶板压力情况，并根据模型定义条件上报动作控制信息和预警信息至控制器。
所述行走步进传感器安装在支护机器人的行走部件，对行走步距进行管理，所述支护压力传感器具有模型计算和智能识别功能，以及通过无线方式上报监测数据和模型计算结果功能，监测精度范围0.1～5mm。
所述行走步进传感器根据其控制模型，识别支护机器人的实时步进距离，并根据模型定义条件上报动作控制信息和预警信息至控制器。
所述应力检测传感器安装在支护机器人各个结构件连接部位，感知支护机器人所有关节部位的磨损和损坏情况，所述应力检测传感器具有智能模型计算和识别功能，以及通过无线方式上报监测数据和模型计算结果功能，测量频带宽为2000～3000Hz，允许误差为±10Hz，灵敏系数在1.5×10-4以下。
所述应力检测传感器根据其控制模型，识别支护机器人所以关节部位的磨损和损坏情况，并根据模型定义条件上报动作控制信息和预警信息至控制器。
智能传感器采用心跳数据和增量数据方式数据上报至控制器，当智能传感器的测量数据没有变化时(和上次上报数据一致或偏差在误差允许的范围内)降低上报数据的频率，采用间隔一较长时间的心跳数据，以确保通信线路的链接正常。
在本实施例中，智能传感器设备具有模型计算和智能识别功能，能够在传感器监测到异常情况时及时进行自保护控制；支护机器人自身姿态感知及控制功能，能够实时对支护机器人的姿态进行监测和调整，防止倾倒；顶板支护管理，能够实时对采煤工作面顶板压力进行监测，根据压力的变化适时调整支护压力。为支护机器人自身姿态感知及控制、智能传感器自主控制、各类传感器数据综合应用提供一种方法，通过无线方式实现支护机器人控制器和各个智能设备之间的通信和设备互联，减少了控制器与其配接设备的电缆连接器，方便扩展配接设备，简化了系统，降低了成本，提高了系统可靠性。
以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种采煤工作面支护机器人，其特征在于：包括支护部件、行走部件、控制器和多种类型的智能传感器；
所述支护部件用来完成支护机器人的升降，进行对采煤工作面顶板的有效支撑；
所述行走部件用来完成支护机器人的自由迁移；
所述控制器根据采集的各种智能传感器数据，实现支护机器人的支护控制；
所述智能传感器包括三维角度传感器、云台摄像仪、无线接近传感器、三维坐标定位传感器、支护压力传感器、行走步进传感器、应力检测传感器、危害气体传感器和声音传感器中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的采煤工作面支护机器人，其特征在于：所述支护部件通过液压系统和控制装置，实现支护机器人升降控制；所述支护压力传感器安装在支护机器人的支护部件上，对支护压力进行监测，所述支护压力传感器具有模型计算和智能识别功能，以及通过无线方式上报监测数据和模型计算结果功能。
3.根据权利要求1所述的采煤工作面支护机器人，其特征在于：所述行走部件通过液压系统和减速装置，完成支护机器人在前后左右方向的自由迁移及步距的精确控制，所述行走步进传感器安装在支护机器人的行走部件上，对行走步距进行监测，所述行走步进传感器具有模型计算和智能识别功能，以及通过无线方式上报监测数据和模型计算结果功能，实现支护机器人的智能步进控制，通过支护机器人的减速机构提高支护机器人的步进控制精度。
4.根据权利要求1所述的采煤工作面支护机器人，其特征在于：所述控制器安装在支护机器人主体上，包括无线网络管理模块、支护机器人姿态模型模块、重心计算及防倾倒控制模块、环境感知模块、协同作业及控制模型管理模块；
所述无线网络管理模块，进行控制器及智能传感器的网络管理，实现控制器和智能传感器的无线通信以及不同支护机器人的控制器之间的无线通信，以及传感器状态监测；
所述支护机器人姿态模型模块，根据采集的各种传感器数据实时计算支护机器人在运行过程中各部件的姿态；
所述重心计算及防倾倒控制模块，根据支护机器人实时姿态计算支护机器人的重心位置，当重心位置偏离安全范围时，根据控制模型自动调整支护机器人的姿态，防止倾倒；
所述环境感知模块，根据云台摄像仪、无线接近传感器、三维坐标定位传感器、行走步进传感器、应力检测传感器、危害气体传感器和声音传感器的采集数据及分析结果，判断支护机器人的工作环境和设备状态，防止支护机器人发生碰撞；
所述协同作业及控制模型管理模块，实现支护机器人和支护机器人之间、支护机器人各智能传感器之间的协同作业，以及对协同控制模型的管理。
5.根据权利要求1或4所述的采煤工作面支护机器人，其特征在于：所述控制器通过无线方式和智能传感器通过无线方式进行通信，所述智能传感器具有模型计算和智能识别功能。
6.根据权利要求1或4所述的采煤工作面支护机器人，其特征在于：所述三维角度传感器，安装在支护机器人的所有可活动部件上，监测各部件三维姿态角度以及支护机器人的行走姿态；
所述云台摄像仪，安装在支护机器人的两侧，且数量在2台以上，具有不小于180°旋转功能，观察煤壁和支护机器人侧方；
所述无线接近传感器，安装在支护机器人结构件前端，测量前方其它采煤设备的相对位置；
所述三维坐标定位传感器，安装在支护机器人结构件侧方，测量侧方其它设备和/或支护机器人的相对位置；
所述应力检测传感器，安装在支护机器人各个结构件连接部位，感知支护机器人所有关节部位的磨损和损坏情况。
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