基于機器人化掘支錨聯合機組的折疊式鉆車鉆臂工作空間分析

郝雪弟 紀偉亮 景新平 李 瑞 張中平 程繼杰 管 建 吳 淼

(中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院，北京市海淀區，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1500 m。采、掘作業是煤炭生產過程中既危險又至關重要的兩個環節，而深部煤層的瓦斯爆炸及巖層垮塌、突水等地質災害發生率高、偶然性強，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區進行作業，因此，深部煤層無人化采掘將成為我國煤炭行業發展的必經之路。

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的技術瓶頸，其根本原因在于掘進機工作時間短而支護時間長。據統計，一個掘進工作循環中，掘進作業時間占比為17%～34%，支護作業時間占比為50%～66%，巷道支護作業時間占總掘進時間2/3以上。如何提高支護效率便成為解決采掘比例失衡問題的一個關鍵因素。

我國機械化快速掘進工藝主要分為綜掘機掘進工藝、連續采煤機掘進工藝和掘錨機掘進工藝三大類。綜掘機掘進工藝是進行單巷掘進時，掘進機掘進一定距離并停機后，由鉆錨作業工人使用單體錨桿鉆機進行鉆錨，完成支護作業。該工藝支護時間長，勞動強度大，工人常常處于未支護巷道中工作，工人的人身安全受到嚴重威脅。連續采煤機掘進工藝適用于大斷面雙巷或多巷掘進，掘錨交叉作業。雖然掘進速度較快，但是成本較高，地質條件適應性較差。掘錨機掘進工藝適用于大斷面單巷掘進，適用范圍廣，有利于提高支護效率，但依然缺乏有效的臨時支護，存在安全隱患。連續采煤機和掘錨機只適用于煤巷，而綜掘機不僅能在半煤巷中掘進，也可在巖巷中掘進，使用范圍更廣。因此，以綜掘機為基礎研究新型掘支錨聯合機組更具普遍意義。

本文提出了一種機器人化掘支錨聯合機組，在掘進、臨時支護和永久錨固上可實現智能化無人或遠程遙控作業，從而極大地降低深部煤層掘進作業中的風險，確保人員安全，同時又可以做到掘進、支護協調并行作業，提高巷道的掘進效率。

2 掘支錨聯合機組組成及工作原理

掘支錨聯合機組主要由綜掘機、臨時支護架組和支錨作業車組成，配套帶式轉載機和可伸縮帶式輸送機，從而組成掘支錨聯合機組作業線。其中臨時支架組根據掘進工藝和巷道條件需求有7～15架不等。支錨作業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，可進行自動化鉆錨作業。機器人化掘支錨聯合機組設備組成示意圖如圖1所示。

機器人化掘支錨聯合機組工作過程如圖2所示，其作業工序如圖3所示。

首先，機器人化綜掘機能夠完成機身位姿自動檢測和糾偏，實現其智能化行走和定位。之后，綜掘機進行巷道斷面自動截割作業。截割完一個進尺后，末端的臨時支架卸壓并收縮，落架于支錨作業車上，由支錨作業車將該支架運送至新掘空頂處。隨后，該支架再擴展、升架、撐頂，完成對新掘頂板和兩幫的臨時支護。在支架撐頂過程中，支錨作業車退至支架后端，經過車體定位以及鉆車鉆臂鉆孔對準，最后完成對巷道頂板和兩幫的鉆孔作業。

圖1 機器人化掘支錨聯合機組設備組成示意圖

圖2 機器人化掘支錨聯合機組工作過程

該機器人化掘支錨聯合機組實現了綜掘巷道掘、支、錨三大工序并行作業，大幅提高綜掘巷道的成巷速率。由于機器人化掘支錨聯合機組具有機器人化智能自動作業功能，可將人員從危險的掘進工作面中解放出來，在遠離危險的順槽中監控機組作業，實現安全生產。

圖3 機器人化掘支錨聯合機組作業工序

3 折疊式鉆車鉆臂結構及運動學建模

基于機器人化掘支錨聯合機組，為了實現無人化鉆錨作業，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。

3.1 鉆車鉆臂的結構

鉆車鉆臂由錨桿鉆機、微角調節裝置、俯仰角模塊、折疊臂前臂、折疊臂后臂和液壓回轉臺組成。鉆車鉆臂結構示意圖如圖4所示，

1-伸縮液壓缸；2-支錨作業車立柱 ；3-高度調節液壓缸；4-液壓回轉臺；5 -折疊臂后臂；6-折疊臂前臂；7-俯仰角模塊；8-微角調節裝置； 9-機身回轉臺；10-錨桿鉆機

鉆車鉆臂通過液壓回轉臺與支錨作業車立柱嵌套連接，并通過液壓回轉臺繞支錨作業車立柱進行轉動。液壓回轉臺頂端和側方分別設有兩個耳孔，側方耳孔與折疊臂后臂直接相連，作為折疊臂后臂轉動的支點，頂部耳孔通過高度調節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節裝置連接，錨桿鉆機通過機身回轉臺與微角調節裝置連接。機身回轉臺可使鉆機沿著鉆臂垂直面轉動，俯仰液壓缸可使鉆機沿著鉆臂的方向擺動，通過鉆臂各部件的協調配合完成巷道的鉆孔工作。

3.2 鉆車鉆臂運動學建模

鉆車鉆臂是一系列的連桿通過旋轉關節或移動關節聯結而成，結構上是一種開式運動鏈。一端固定在支錨作業車后端的液壓回轉臺上，通過各運動關節的液壓缸或液壓馬達驅動鉆臂運動，使鉆機達到指定的位姿。

為了研究鉆機的工作空間，運用D-H方法建立鉆臂的運動學方程。將鉆車鉆臂等效成一系列桿件，各桿件D-H坐標系建立規則為：以支錨作業車后的液壓升降回轉臺下端作為初始基坐標系o0x0y0z0，在第i個關節上的坐標系為oixiyizi。連桿i的坐標原點位于關節i與關節i+1軸線的交點處，連桿i的z軸與關節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。

根據上述規定，對鉆臂每個關節建立一個坐標系，坐標系如圖5所示。

圖5 鉆車鉆臂D-H坐標系

用D-H法則建立運動學方程需要用到以下4個參數：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。根據實際機械臂尺寸得到各參數，鉆車鉆臂D-H坐標系參數見表1。

表1 鉆車鉆臂D-H坐標系參數

根據建立的D-H坐標系及所得的D-H坐標系參數表，通過鉆臂相鄰關節坐標系之間的矩陣變換，得到鉆臂末端錨桿鉆機鉆頭相對于基坐標系的運動學方程，即錨桿鉆機相對于基坐標系的空間位姿。坐標變換公式見式(1)：

(1)

式中：Rot(x,θ)——當前坐標系繞x軸旋轉θ角度；

Rot(z,θ)——當前坐標系繞z軸旋轉θ角度；

[nx，ny，nz]、[ox，oy，oz]、[ax，ay，az]——鉆機相對于基坐標系的姿態向量；

[px，py，pz]——鉆機相對于基坐標系的位置向量。

4 鉆車鉆臂工作空間分析

機械臂的工作空間是指機械臂在正常運作時，末端執行器坐標系原點所能到達的最大空間范圍，這里指鉆錨機鉆頭所能覆蓋的空間點集。本文采用蒙特卡洛偽隨機數方法對鉆車鉆臂雙鉆臂可達工作空間進行解算。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原點，建立巷道基準坐標系如圖6所示。

圖6 巷道基準坐標系

由圖6可以看出，鉆車左右鉆臂坐標系分別置于基準坐標系兩側，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，鉆機鉆頭在x軸向上可達的工作范圍為(-4000，4000)，在z軸向上可達的工作范圍為(-1000，4000)，鉆車左右鉆臂協同作業時，鉆機鉆頭可達到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所能到達的空間位置及范圍，但并不能表明到這一空間位置時，鉆機鉆臂相應位姿是否滿足鉆進方向的要求。因此，進行了機械臂運動學反解。根據計算結果，利用三維建模軟件將機械臂姿態畫出，檢驗鉆機鉆臂相應位姿是否滿足鉆進方向要求。

頂板7個錨孔位置坐標見表2，兩幫10個錨孔位置坐標見表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整鉆車鉆臂的位姿，得到鉆車鉆臂相應關節角度各個數值見表4和表5。

表2 頂板7個錨孔位置坐標

表3 兩幫10個錨孔位置坐標

圖10 錨桿位置分布斷面圖

表4 鉆頂錨孔時鉆臂各關節角度

根據表2和表3，各關節角度值對應的鉆車鉆臂工作位置姿態圖如圖11和圖12所示。

表5 鉆幫錨孔時鉆臂各關節角度

圖11 不同頂錨孔位置時鉆車鉆臂機構姿態圖

圖12 不同幫錨孔位置時鉆車鉆臂機構姿態圖

4 結論

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

(2)根據機器人化掘支錨聯合機組的工作原理，提出了掘進巷道施工新工藝協調掘進和支護作業工序，實現掘、支、錨三者并行作業，提高綜掘巷道掘進效率，解決采掘時間配比不平衡的問題。

(3)運用D-H方法建立鉆車鉆臂機構的運動學模型，同時運用蒙特卡洛方法對鉆車鉆臂工作空間進行分析，得到鉆車鉆臂適用的巷道范圍。

(4)進行鉆車鉆臂運動學反解，并將反解結果代入到三維建模軟件中進行姿態驗證，證明鉆車鉆臂位姿滿足錨孔方向要求。