一种穿石柔性凿岩机器人及其破岩方法技术

本发明专利技术公开了一种穿石柔性凿岩机器人及其破岩方法，其中机器人包括控制系统、头部和至少一个尾部；头部包括头部壳体、推进转盘、钻孔机构、液压推进系统、第一驱动机构、第二驱动机构；推进转盘包括位于中心的钻头及环设于钻头外的切削转盘；第一驱动机构与钻头连接，第二驱动机构与切削转盘连接；尾部包括尾部壳体、进退式动力系统、固定支撑系统；头部与尾部之间及尾部与尾部之间通过柔性部件连接；液压推进系统、第一驱动机构、第二驱动机构、钻孔机构、进退式动力系统、固定支撑系统均与控制系统电连接。能实现拉剪破岩，提高了破岩效率，并降低了切削转盘的磨损，适用于深部高应力岩体；即可实行水平凿岩掘进，亦可在水平和垂直方向钻孔。方向钻孔。方向钻孔。

【技术实现步骤摘要】
一种穿石柔性凿岩机器人及其破岩方法


[0001]本专利技术涉及矿山地下深部破岩
，尤其涉及一种穿石柔性凿岩机器人及其破岩方法。

技术介绍

[0002]随着开采进入深部，矿岩坚硬、应力高、矿体分散特征显现，使得硬岩切割难、钻爆回采连续作业难、开采扰动诱发岩爆等灾害显现，且常规凿岩钻孔直径大、设备搬移困难、工人手动控制劳动强度大，制约稀有金属的安全高效回收。
[0003]而深部资源开采离不开凿岩钻孔，在凿岩钻孔方面，国内专家学者进行了很多相关研究，如长沙智能制造研究总院与中南大学合作研发的隧道钻孔机器人，针对江苏地铁1号线的34种不同隧道类型和各种安装孔位的自动钻孔需求，研制了一款9自由度隧道管片智能钻孔机器人，其集成一系列终端测控装置，可实现闭环伺服控制。在专利申请方面，专利申请号CN2016103091707，名称为“一种隧道支护钻孔机器人”，其主要用途为钻孔后自动插入锚杆，及时支护；专利申请号CN 951206028，名称为“盾构掘进式隧道钻孔机”，其主要借助刀具辐上的切削钻头提升切削作用，用于施工具有弯曲形状的隧道；专利申请号CN2021104528596，名称为“一种防冲击钻孔机器人及钻杆精确定位方法”，其主要在无人化定位钻孔方面，进行钻孔标定，并实现地压冲击的预防；专利申请号CN2020110844261，名称为“一种隧道钻孔机器人系统及其控制方法、隧道掘进机”，其主要达到智能连续钻孔作业，提高钻孔一致性，缩短施工周期的目标；又如专利申请号CN2020103193321，名称为“一种智能钻孔机器人”，其主要针对加工车厢或者大型平台所需钻孔，研发的一种智能精确定位钻孔机器人，设备操作便捷，大大降低了人工劳动强度，增强了钻孔的精度，保护了生产车间的环境。所举专利研究多以无人化定位、智能支护、新型盾构结构钻孔等方面考虑，设备要么十分庞大，要么适用于地下浅部或车间环境，且破岩方式皆为压剪破岩。设备庞大所带来问题有能耗大、运输不便、维修困难等，给深部资源高效开采带来不便；所述无人化定位，主要以钻孔标定为主，为锚杆支护提供定位导航；此外，对本领域的技术人员可知，岩石抗压强度要远远大于其抗拉、抗剪强度，深部高应力岩体难凿，切削刀具磨损量大，传统压剪破岩方法已经不适用深部高应力岩体。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种穿石柔性凿岩机器人及其破岩方法，以解决现有的凿岩设备无法适用于深部高应力岩体的问题。
[0005]第一方面，提供了一种穿石柔性凿岩机器人，包括控制系统、头部和至少一个尾部；
[0006]所述头部包括头部壳体，位于所述头部壳体一端的推进转盘，以及设置于所述头部壳体内的钻孔机构、液压推进系统、第一驱动机构、第二驱动机构；所述推进转盘包括位于中心的钻头及环设于所述钻头外的切削转盘；所述第一驱动机构与所述钻头连接，所述
第二驱动机构与所述切削转盘连接；所述液压推进系统用于驱使所述第一驱动机构、钻头往返移动，还用于驱使所述第一驱动机构、第二驱动机构、推进转盘一起往返移动；
[0007]所述尾部包括尾部壳体及嵌设于所述尾部壳体内的进退式动力系统、固定支撑系统；所述头部与尾部之间及尾部与尾部之间通过柔性部件连接；
[0008]所述液压推进系统、第一驱动机构、第二驱动机构、钻孔机构、进退式动力系统、固定支撑系统均与所述控制系统电连接。
[0009]该穿石柔性凿岩机器人工作时，首先控制系统控制进退式动力系统工作也进入到施工位置，然后控制尾部的固定支撑系统工作，固定支撑系统向外伸张以与围岩体精密接触，使该机器人整体实现固定效果；然后控制系统控制钻头单独向前推进开槽，形成自由面；然后再控制钻头和切削转盘共同向前推进作业，此时先控制切削转盘在一预设角度内往复转动式切削岩体，形成扇形切槽，然后取消角度限制，是钻头和切削转盘恢复正常的旋转推进，使未切割岩体受力变为剪切与拉伸状态，实现拉剪破岩。控制系统还可控制钻孔机构对周围的围岩体进行钻孔作业。
[0010]进一步地，所述钻孔机构包括至少一个钻孔组件，所述钻孔组件包括依次连接的旋转臂、伸缩钻杆、钻孔钻头。旋转臂用于控制钻孔方向，钻孔钻头用于钻孔，伸缩钻杆用于推进钻孔钻头。
[0011]进一步地，所述第一驱动机构包括第一电机及与所述第一电机输出轴连接的连接杆，所述连接杆的另一端与所述钻头连接。
[0012]进一步地，所述第二驱动机构包括第二电机、传动机构及转盘连接件，所述第二电机通过所述传动机构驱使所述转盘连接件转动，所述转盘连接件前端与所述切削转盘连接。
[0013]进一步地，所述液压推进系统包括液压动力单元及与其连接的第一液压支架组件、第二液压支架组件，所述第二液压支架组件环设于所述第一液压支架组件外，所述第一驱动机构安装于所述第一液压支架组件上，所述第二驱动机构安装于所述第二液压支架组件上。第一液压支架组件工作时可推动第一驱动机构移动，故而由第一液压支架组件实现钻头单独的往返移动；第一液压支架组件和第二液压支架组件同步工作时，实现钻头和切削转盘的共同往返移动。
[0014]进一步地，所述固定支撑系统包括沿所述尾部壳体圆周径向设置且均匀分布四个可伸缩的支撑杆，以及与每个所述支撑杆外端固连的且与所述尾部壳体圆周半径相同的弧形支撑板。需对机器人进行固定时，控制四个支撑杆向外伸张，从而驱使弧形支撑板向外移动扩张，紧密抵靠于围岩体上，实现机器人的整体固定；当机器人需要前后移动时，需要先控制四个支撑杆回缩复位，然后控制进退式动力系统工作驱使机器人前后移动。
[0015]进一步地，所述头部壳体内上部还设置有进水管，所述头部壳体内底部还设置有排渣管。进水管用于施工期间持续供水，实现降温、防尘、减少器械耗损的作用，往前推进凿下的岩石经过水与推进转盘的旋转共同作用，流入排渣管进行排渣处理。
[0016]进一步地，所述柔性部件包括柔性外壳及设置于所述柔性外壳内的类弹簧连接件。通过柔性部件作为连接件，保证机器人可小角度的改变掘进方向，避免不利地形。
[0017]进一步地，还包括与所述控制系统电连接的导航系统，所述导航系统包括定位模块及灾害识别定位模块；
[0018]所述定位模块用于获取该穿石柔性凿岩机器人的位置并传输至所述控制系统；
[0019]所述灾害识别定位模块包括多频段感知单元、可变频震源，所述可变频震源协同掘进时的震源作为信号源，所述多频段感知单元根据接收的信号识别并定位灾害位置，并将灾害位置传输至所述控制系统；
[0020]所述控制系统根据接收的穿石柔性凿岩机器人的位置及灾害位置对该穿石柔性凿岩机器人进行导航。
[0021]定位模块用于机器人自身位置的定位，为导航提供机器人位置信息；灾害识别定位模块，其通过可变频震源并协同掘进时的震源作为信号源，在围岩体中传播后由多频段感知单元接收信号，并根据接收信号识别是否存在灾害(围岩体变形、破裂、大断层、地下水等)，若存在，则识别其位置提供给控制系统，控制系统控制机器人改向避过灾害位置。同时在进行钻孔时，也会进行灾害本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种穿石柔性凿岩机器人，其特征在于，包括控制系统、头部和至少一个尾部；所述头部包括头部壳体，位于所述头部壳体一端的推进转盘，以及设置于所述头部壳体内的钻孔机构、液压推进系统、第一驱动机构、第二驱动机构；所述推进转盘包括位于中心的钻头及环设于所述钻头外的切削转盘；所述第一驱动机构与所述钻头连接，所述第二驱动机构与所述切削转盘连接；所述液压推进系统用于驱使所述第一驱动机构、钻头往返移动，还用于驱使所述第一驱动机构、第二驱动机构、推进转盘一起往返移动；所述尾部包括尾部壳体及嵌设于所述尾部壳体内的进退式动力系统、固定支撑系统；所述头部与尾部之间及尾部与尾部之间通过柔性部件连接；所述液压推进系统、第一驱动机构、第二驱动机构、钻孔机构、进退式动力系统、固定支撑系统均与所述控制系统电连接。2.根据权利要求1所述的穿石柔性凿岩机器人，其特征在于，所述钻孔机构包括至少一个钻孔组件，所述钻孔组件包括依次连接的旋转臂、伸缩钻杆、钻孔钻头。3.根据权利要求1所述的穿石柔性凿岩机器人，其特征在于，所述第一驱动机构包括第一电机及与所述第一电机输出轴连接的连接杆，所述连接杆的另一端与所述钻头连接。4.根据权利要求3所述的穿石柔性凿岩机器人，其特征在于，所述第二驱动机构包括第二电机、传动机构及转盘连接件，所述第二电机通过所述传动机构驱使所述转盘连接件转动，所述转盘连接件前端与所述切削转盘连接。5.根据权利要求1所述的穿石柔性凿岩机器人，其特征在于，所述液压推进系统包括液压动力单元及与其连接的第一液压支架组件、第二液压支架组件，所述第二液压支架组件环设于所述第一液压支架组件外，所述第一驱动机构安装于所述第一液压支架组件上，所述第二驱动机构安装于所述第二液压支架组件上。6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：董陇军，王剑，张义涵，王佳闯，唐正，裴重伟，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：