一种综采超前支护智能机器人群制造技术

本发明专利技术涉及提供一种综采超前支护智能机器人群，包括智能压力测量机器人、分体自移式超前支护机器人、智能巡查监测机器人、压力传感器、倾角传感器、陀螺仪、多线激光测量雷达、红外双目摄像头、交换机、工控机、无线通信系统、智能测算系统、防碰撞预警系统、上位机信息集成可视化系统，实现短壁开采过程中围岩压力及位移实时监测与精准支护。

【技术实现步骤摘要】
一种综采超前支护智能机器人群
本专利技术涉及煤矿围岩稳定性
，尤其涉及一种综采超前支护智能机器人群。
技术介绍
在煤矿井工开采作业过程中，不论是巷道掘进还是综合开采，围岩稳定性都是无法回避的一个关键性问题，由于地压挤压及应力集中现象存在，已支护的巷道中围岩压力时刻变化，部分危险点因受持续挤压变形位移量不断增大，当压力值与位移量超出其所能承受的相应临界值时便会出现大面积垮塌滑落现象，极大影响井下作业人员的安全。在公开号为CN111473739A，名为“一种基于视频监控的隧道塌方区围岩变形实时监测方法”的专利申请文件中，采用激光扫描技术获得隧道塌方区三维虚拟实景模型，而后利用摄像机视频数据及三维虚拟实景模型的相对位移关系确定围岩位移值，该方法缺乏对危险点力的测量，只通过位移量无法准确确定该点所在区域是否切实需要支护；在公开号为CN111551121A，名为“一种监测巷道围岩顶板位移的装置及监测方法”的专利申请文件中，通过光程计算多点位移计不同基点锚头所对应的顶板位移，该方法仍需人工操作进行测量，危险性高且效率低，且以单点位移量无法反映出整个巷道内各处围岩位移变形量；在公开号为CN107015282A，名为“基于锚杆的地下空间围岩灾害电阻率实时监测方法”的专利申请文件中，利用锚杆作为导体监测锚固区及围岩的电阻率，根据电阻率的变化监测围岩及锚固区的稳定性，该方法只能测量锚固区周围部分区域的围岩稳定性，而对于未锚固区域则只能通过推算得出；在公开号为CN109882228A，名为“一种锚杆及围岩应变连续监测方法”的专利申请文件中，以锚杆应变量来连续监测推算围岩位移量，依旧存在以局部来概括整体的问题；在公开号为CN106168680A，名为“一种基于超声波技术的围岩监测系统及方法”的专利申请文件中，利用超声波来实时监测围岩状况，但井下各类型设备众多，设备间相互干扰难免会对超声波波段传播产生影响从而导致测量不准确；在公开号为CN107484222A，名为“一种基于无线传感器网络的矿井围岩监测系统”的专利申请文件中，利用无线传感器来感知因围岩应力的改变而导致的特征变化，包括温度变化、压力变化和微震信号变化，但该方法无法感知围岩位移状况。上述关于围岩稳定性监测的专利文件中，均只针对了围岩压力或位移中的单独一个方面进行监测分析，而围岩稳定性分析需要结合压力值与位移量进行全面分析，且以锚杆作为研究对象分析围岩整体情况有以偏概全的问题存在。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种综采超前支护智能机器人群，以综采工作面中上下端头巷道超前支护为主要分析对象，结合采煤方法的工艺特点，实现围岩压力值与位移量的实时智能监测、机器人自主规划路径、精准支护、围岩三维环境可视化。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种综采超前支护智能机器人群，包括智能压力测量机器人、智能巡查监测机器人和分体自移式超前支护机器人；其中，所述智能压力测量机器人机械臂及机身上安装压力传感器、倾角传感器、陀螺仪及交换机；所述智能巡查监测机器人机身上安装多线激光测量雷达、红外双目摄像头及工控机系统；其中，所述交换机、工控机系统及上位机之间通过无线通信的方式进行信号传递；还包括智能测算系统，所述智能测算系统利用智能巡查监测机器人机身上安装的多线激光测量雷达及红外双目摄像头计算巷道三维立体图像与围岩位移量，根据多源数据融合算法确定巷道中的危险点，构建巷道坐标系来确定各机器人在巷道中的相对位置及危险点的坐标信息，并判断危险点是否需要支护；在确定需要支护的危险点后，智能测算系统根据围岩位移及压力，测算出所需支护的关键点及相应的支护力，控制分体自移式超前支护机器人移动至待支护点，按照测算结果升起液压支架完成智能支护作业；其中，数据融合算法及SLAM自主路径规划算法均以卡尔曼滤波为基础进行数据滤波与融合解算，流程原理表示为：(1)状态一步预测为前一步状态估计；(2)状态一步预测均方误差阵Pk-1为前一步均方误差阵，Qk-1为前一步系统噪声方差阵；(3)滤波增益(4)状态估计(5)状态估计均方误差阵Pk＝(I-KkHk)Pk/k-1根据Hoke-Brow屈服准则，围岩破裂过程可分为弹性区、塑性区及破坏区，各个区内对应的应力平衡方程为：其中：σr为径向应力；σθ为环向应力；对于塑性区：对于破裂区：其中：mp,sp,mc,sc为岩石强度参数；σs为岩石抗压强度；各个区内对应的应变几何方程为：其中：εr为径向应变；εθ为环向应变；u为位移；应力边界及接触条件为：其中：a为巷道开挖半径；pi为支护载荷；Rc为破裂区半径；Rp为塑性区半径；p0为原始应力；变量附属下标“c”，“p”和“e”分别表示破裂区、塑性区和弹性区。其中，还包括防碰撞预警系统，所述防碰撞预警系统包括多个发射端和多个接收端，发射端设置于每一所述智能压力测量机器人、分体自移式超前支护机器人及智能巡查监测机器人的机身上，每一接收端由工作人员佩戴；所述智能测算系统应用路径规划SLAM算法，通过已获取的巷道环境信息进行智能压力测量机器人、分体自移式超前支护机器人及巡查监测机器人自主避障及路径规划，在适宜条件下可脱离人工操作自适应导航至需要压力测量或精准支护的坐标点。其中，智能压力测量机器人由底部履带行走机构、底盘蓄电池电池组、履带驱动电机、平台上端机械臂、旋转电机、倾角传感器、力传感器、陀螺仪、防碰撞预警系统发射器、交换机、无线传输控制系统组成；其中平台上端机械臂一可在平面内180°由旋转电机控制旋转，倾角传感器安装于机械臂一旋转部位底端，以垂直于机器人平台平面角度为0°位置，左侧偏转为负值，右侧偏转为正值；无线传输控制系统用于传输当前机械臂的绝对倾角及陀螺仪测出的机身倾角给工控机系统，同时接收智能测算系统解算得出的智能压力测量机器人在巷道中相对于智能巡查监测机器人的绝对位置信息及机械臂相对于巷道空间的相对倾角，自主规划路径SLAM算法解算得出最佳前进路径后，智能压力测量机器人按照系统指令或人工遥控器手动操作前往目标点，而后旋转电机由倾角传感器反馈的角度信息控制机械臂旋转至指定位置，机械臂伸缩机构将力传感器推移至目标点进行测量围岩压力，将所测数值传回工控机系统以此判断是否需要支护。其中，分体自移式超前支护机器人由底部履带行走机构、底盘蓄电池电池组、履带驱动电机、平台上部液压支架、液压系统、防碰撞预警系统发射器、交换机、无线传输控制系统组成；其中液压支架分为侧帮支架及顶板支架组成，顶板需要支护时，顶板支架由液压系统控制升起至指定高度，并伸展至相应角度；在侧帮面需要支护时，首先分体自移式超前支护机器人先移动至指定位置升起顶板支架固定住机器人的位置，防止侧帮支护力过大将机器人推移从而达不到需要的支护强度，而后侧帮支架由液压系统推移至本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种综采超前支护智能机器人群，其特征在于，包括：/n智能压力测量机器人、智能巡查监测机器人和分体自移式超前支护机器人；其中，所述智能压力测量机器人机械臂及机身上安装压力传感器、倾角传感器、陀螺仪及交换机；所述智能巡查监测机器人机身上安装多线激光测量雷达、红外双目摄像头及工控机系统；其中，所述交换机、工控机系统及上位机之间通过无线通信的方式进行信号传递；/n还包括智能测算系统，所述智能测算系统利用智能巡查监测机器人机身上安装的多线激光测量雷达及红外双目摄像头计算巷道三维立体图像与围岩位移量，根据多源数据融合算法确定巷道中的危险点，构建巷道坐标系来确定各机器人在巷道中的相对位置及危险点的坐标信息，并判断危险点是否需要支护；/n在确定需要支护的危险点后，智能测算系统根据围岩位移及压力，测算出所需支护的关键点及相应的支护力，控制分体自移式超前支护机器人移动至待支护点，按照测算结果升起液压支架完成智能支护作业；/n其中，数据融合算法及SLAM自主路径规划算法均以卡尔曼滤波为基础进行数据滤波与融合解算，流程原理表示为：/n(1)状态一步预测/n

【技术特征摘要】
1.一种综采超前支护智能机器人群，其特征在于，包括：
智能压力测量机器人、智能巡查监测机器人和分体自移式超前支护机器人；其中，所述智能压力测量机器人机械臂及机身上安装压力传感器、倾角传感器、陀螺仪及交换机；所述智能巡查监测机器人机身上安装多线激光测量雷达、红外双目摄像头及工控机系统；其中，所述交换机、工控机系统及上位机之间通过无线通信的方式进行信号传递；
还包括智能测算系统，所述智能测算系统利用智能巡查监测机器人机身上安装的多线激光测量雷达及红外双目摄像头计算巷道三维立体图像与围岩位移量，根据多源数据融合算法确定巷道中的危险点，构建巷道坐标系来确定各机器人在巷道中的相对位置及危险点的坐标信息，并判断危险点是否需要支护；
在确定需要支护的危险点后，智能测算系统根据围岩位移及压力，测算出所需支护的关键点及相应的支护力，控制分体自移式超前支护机器人移动至待支护点，按照测算结果升起液压支架完成智能支护作业；
其中，数据融合算法及SLAM自主路径规划算法均以卡尔曼滤波为基础进行数据滤波与融合解算，流程原理表示为：
(1)状态一步预测


为前一步状态估计；
(2)状态一步预测均方误差阵



Pk-1为前一步均方误差阵，Qk-1为前一步系统噪声方差阵；
(3)滤波增益



(4)状态估计



(5)状态估计均方误差阵
Pk＝(I-KkHk)Pk/k-1
根据Hoke-Brow屈服准则，围岩破裂过程可分为弹性区、塑性区及破坏区，各个区内对应的应力平衡方程为：



其中：σr为径向应力；σθ为环向应力；
对于塑性区：



对于破裂区：



其中：mp,sp,mc,sc为岩石强度参数；σs为岩石抗压强度；
各个区内对应的应变几何方程为：



其中：εr为径向应变；εθ为环向应变；u为位移；
应力边界及接触条件为：



其中：a为巷道开挖半径；pi为支护载荷；Rc为破裂区半径；Rp为塑性区半径；p0为原始应力；变量附属下标“c”，“p”和“e”分别表示破裂区、塑性区和弹性区。


2.根据权利要求1所述的综采超前支护智能机器人群，其特征在于，还包括防碰撞预警系统，所述防碰撞预警系统包括多个发射端和多个接收端，发射端设置于每一所述智能压力测量机器人、分体自移式超前支护机器人及智能巡查监测机器人的机身上，每一接收端由工作人员佩戴；
所述智能测算系统应用路径规划SLAM算法，通过已获取的巷道环境信息进行智能压力测量机器人、分体自移式超前支护机器人及巡查监测机器人自主避障及路径规划，在适宜条件下可脱离人工操作自适应导航至需要压力测量或精准支护的坐标点。


3.根据权利要求2所述的综采超前支护智能机器人群，其特征在于，所述智能压力测量机器人由底部履带行走机构、底盘蓄电池电池组、履带驱动电机、平台上端机械臂、旋转电机、倾角传感器、力传感器、陀螺仪、防碰撞预警系统发射器、交换机、无线传输控制系统组成；其中平台上端机械臂一可在平面内180°由旋转电机控制旋转，倾角传感器安装于机械臂一旋转部位底端，以垂直于机器人平台平面角度为0°位置，左侧偏转为负值，右侧偏转为正值；无线传输控制系统用于传输当前机械臂的绝对倾角及陀螺仪测出的机身倾角给工控机系统，同时接收智能测算系统解算得出的智能压力测量机器人在巷道中相对于智能巡查监测机器人的...

【专利技术属性】
技术研发人员：常映辉，冀鹏飞，叶竹刚，侯伟，赵明岗，陈宁，黄帅，贺建伟，王威，柳玉龙，范江鹏，金旭东，何江，宋慧锋，王彬男，
申请(专利权)人：中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西天地煤机装备有限公司，
类型：发明
国别省市：山西;14