一种复合材料组合支撑体构建机器人及构建方法技术

本发明专利技术公开了一种复合材料组合支撑体构建机器人及构建方法，复合材料组合支撑体构建机器人包括底座

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料组合支撑体构建机器人及构建方法


[0001]本专利技术涉及一种构建机器人及构建方法，具体是一种适用于煤矿井下无煤柱沿空留巷技术的复合材料组合支撑体构建机器人及构建方法，属于地下工程

。

技术介绍

[0002]沿空留巷作为一种无煤柱护巷方式，在减少巷道掘进量
、
缓解矿井采掘接替紧张等方面具有很大的优势
。
在沿空留巷技术中，巷旁支护体主要起到支撑上覆围岩与隔离采空区的作用，是沿空留巷技术成功与否的关键环节
。
目前，我国煤矿井下常用的巷旁支护体有：密集单体支柱
、
矸石墙
、
充填体墙等
。
根据充填材料不同，巷旁充填体墙又包括高水速凝材料充填体墙
、
膏体材料充填体墙
、
柔模充填体墙和快硬混凝土充填体墙等
。
上述巷旁支护结构在特定的工程条件下均取得过一定的成功应用，但同时也存在支护阻力不高
、
留巷工艺复杂等一系列问题，不能实现高应力条件下的高效沿空留巷工程
。
[0003]针对上述问题，近年来发展形成采用复合材料组合支撑体作为支护结构的沿空留巷技术，即向直立状态的如金属管
(
钢管
、
铝管等
)、
纤维增强复合材料
(FRP)
管
、
聚碳酸酯材料
(PC)
管等支撑管内浇注混凝土形成复合材料组合支撑体墩柱结构，该技术具有承载力高
、
成本低
、
留巷速度快的特点
。
理论上支撑管的顶底两端分别密实顶靠在工作面顶板和底板上支护效果最好，但实际操作过程中，一方面，与工作面顶板和底板之间的高度尺寸配合的支撑管无法直立状态在井下进行运输，通常是将支撑管放倒后进行运输
、
并在工作面进行立管作业，然而支撑管两端管口的对角线长度大于支撑管轴向方向的长度，这就造成立管作业至少需保证支撑管两端管口的对角线长度与工作面顶板和底板之间的高度尺寸配合
、
否则无法完成支撑管的立管作业，进而会造成立管作业后支撑管的顶端无法与工作面顶板接顶，通常是在支撑管顶端与工作面顶板之间塞设方木
、
工字钢
、
楔块等垫高组件实现接顶，而煤矿井下空间有限，井下工作环境和工作条件恶劣，立管作业依然在临时支护后大量采用借助手拉葫芦等工具的人工操作，不仅操作人员劳动强度巨大
、
存在较大的安全隐患，而且立管作业效率较低；另一方面，立管作业完成后，向支撑管内填注混凝土的注浆作业，通常是为了减轻操作人员的劳动强度而采用自下而上泵入的注浆方式，即自支撑管底部开口通过注浆泵注入混凝土
、
直至混凝土充满支撑管，这种自下而上泵入的灌浆方式由于粘稠的混凝土比重大
、
流动性较差，虽然可以大大降低混凝土沉淀分层的几率，但为保证满注效果不仅需配备大体积大功率的注浆泵以及价格昂贵的高强刚性输浆管，而且完成注浆后在保证不渗漏的前提下对支撑管底部开口的封孔作业较繁琐复杂
。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提供一种复合材料组合支撑体构建机器人及构建方法，自动化程度高，可以在稳固支护的前提下实现自动完成立管作业，可大大降低煤矿井下立管作业的安全隐患，特别适用于沿空留巷及采空区再利用构建技术
。
[0005]为实现上述目的，复合材料组合支撑体构建机器人包括底座
、
升降行走装置
、
顶
梁
、
升降缸
、
立管机械臂和集中电控装置；
[0006]底座包括左右对称设置的左底座和右底座
、
以及固定连接在左底座和右底座上的连接座，左底座和右底座之间的空间形成支撑管输送通道；
[0007]升降行走装置安装在底座的左底座和右底座上，包括行走组件和行走组件升降控制机构，行走组件包括行走驱动机构，行走组件升降控制机构连接在底座与行走组件之间；
[0008]升降缸的缸体端与底座安装连接
、
伸缩端与顶梁安装连接；
[0009]顶梁的前部对应底座的支撑管输送通道的位置设有沿上下方向贯穿顶梁的豁口结构
、
且豁口结构沿左右方向的宽度尺寸大于支撑管的外径尺寸；
[0010]左右对称设置的立管机械臂分别安装在底座的左底座和右底座上，立管机械臂的末节上对应支撑管输送通道设有抱管机械手，立管机械臂包括可控制抱管机械手沿左右方向坐标移动的
X
坐标驱动总成
、
可控制抱管机械手沿前后方向坐标移动的
Y
坐标驱动总成和可控制抱管机械手沿竖直方向坐标移动的
Z
坐标驱动总成，抱管机械手通过可沿
X
坐标轴线为旋转轴线坐标旋转移动的
A
坐标旋转驱动总成与立管机械臂的末节安装连接；
[0011]集中电控装置包括控制器
、
行走控制回路
、
顶板升降控制回路和立管控制回路，控制器分别与行走驱动机构
、
行走组件升降控制机构
、
升降缸
、
立管机械臂的坐标驱动总成和抱管机械手的坐标旋转驱动总成电连接
。
[0012]作为本专利技术的进一步改进方案，顶梁上还设有注浆装置，注浆装置设置在豁口结构内，注浆装置包括注浆胶管以及注浆胶管推送装置，注浆胶管推送装置包括上下平行设置的上滚动输送机构和下滚动输送机构，上滚动输送机构和
/
或下滚动输送机构上设有注浆胶管推送滚动驱动机构，注浆胶管被夹持在上滚动输送机构和下滚动输送机构之间，注浆胶管的后端与注浆泵的排料端连接；集中电控装置还包括注浆控制回路，控制器与注浆胶管推送滚动驱动机构电连接
。
[0013]作为本专利技术的进一步改进方案，上滚动输送机构和
/
或下滚动输送机构上还设有注浆胶管推送夹持控制机构
。
[0014]作为本专利技术的进一步改进方案，注浆装置还包括与控制器电连接的定位推送距离调整机构，定位推送距离调整机构包括可控制注浆胶管推送装置整体前后移动的
Y
坐标驱动总成
。
[0015]作为本专利技术的进一步改进方案，注浆胶管推送装置上设有与控制器电连接的模式识别传感器，定位推送距离调整机构还包括可控制注浆胶管推送装置整体左右移动的
X
坐标驱动总成和
/
或可控制注浆胶管推送装置整体上下移动的
Z
坐标驱动总成
。
[0016]作为本专利技术的进一步改进方案，注浆装置还包括振捣机构，振捣机构包括韧性振捣钢丝绳以及固定安装在韧性振捣钢丝绳上的振捣器；振捣器与控制器电连接；韧性振捣钢丝绳固定附着在注浆胶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种复合材料组合支撑体构建机器人，其特征在于，包括底座
(1)、
升降行走装置
(2)、
顶梁
(3)、
升降缸
(4)、
立管机械臂
(5)
和集中电控装置；底座
(1)
包括左右对称设置的左底座和右底座
、
以及固定连接在左底座和右底座上的连接座，左底座和右底座之间的空间形成支撑管输送通道；升降行走装置
(2)
安装在底座
(1)
的左底座和右底座上，包括行走组件和行走组件升降控制机构，行走组件包括行走驱动机构，行走组件升降控制机构连接在底座
(1)
与行走组件之间；升降缸
(4)
的缸体端与底座
(1)
安装连接
、
伸缩端与顶梁
(3)
安装连接；顶梁
(3)
的前部对应底座
(1)
的支撑管输送通道的位置设有沿上下方向贯穿顶梁
(3)
的豁口结构
(31)、
且豁口结构
(31)
沿左右方向的宽度尺寸大于支撑管
(6)
的外径尺寸；左右对称设置的立管机械臂
(5)
分别安装在底座
(1)
的左底座和右底座上，立管机械臂
(5)
的末节上对应支撑管输送通道设有抱管机械手
(51)
，立管机械臂
(5)
包括可控制抱管机械手
(51)
沿左右方向坐标移动的
X
坐标驱动总成
、
可控制抱管机械手
(51)
沿前后方向坐标移动的
Y
坐标驱动总成和可控制抱管机械手
(51)
沿竖直方向坐标移动的
Z
坐标驱动总成，抱管机械手
(51)
通过可沿
X
坐标轴线为旋转轴线坐标旋转移动的
A
坐标旋转驱动总成与立管机械臂
(5)
的末节安装连接；集中电控装置包括控制器
、
行走控制回路
、
顶板升降控制回路和立管控制回路，控制器分别与行走驱动机构
、
行走组件升降控制机构
、
升降缸
(4)、
立管机械臂
(5)
的坐标驱动总成和抱管机械手
(51)
的坐标旋转驱动总成电连接
。2.
根据权利要求1所述的复合材料组合支撑体构建机器人，其特征在于，顶梁
(3)
上还设有注浆装置
(32)
，注浆装置
(32)
设置在豁口结构
(31)
内，注浆装置
(32)
包括注浆胶管
(321)
以及注浆胶管推送装置
(322)
，注浆胶管推送装置
(322)
包括上下平行设置的上滚动输送机构和下滚动输送机构，上滚动输送机构和
/
或下滚动输送机构上设有注浆胶管推送滚动驱动机构，注浆胶管
(321)
被夹持在上滚动输送机构和下滚动输送机构之间，注浆胶管
(321)
的后端与注浆泵的排料端连接；集中电控装置还包括注浆控制回路，控制器与注浆胶管推送滚动驱动机构电连接
。3.
根据权利要求2所述的复合材料组合支撑体构建机器人，其特征在于，上滚动输送机构和
/
或下滚动输送机构上还设有注浆胶管推送夹持控制机构
。4.
根据权利要求2所述的复合材料组合支撑体构建机器人，其特征在于，注浆装置
(32)
还包括与控制器电连接的定位推送距离调整机构，定位推送距离调整机构包括可控制注浆胶管推送装置
(322)
整体前后移动的
Y
坐标驱动总成
。5.
根据权利要求4所述的复合材料组合支撑体构建机器人，其特征在于，注浆胶管推送装置
(322)
上设有与控制器电连接的模式识别传感器，定位推送距离调整机构还包括可控制注浆胶管推送装置
(322)
整体左右移动的
X
坐标驱动总成和
/
或可控制注浆胶管推送装置
(322)
整体上下移动的
Z
坐标驱动总成
。6.
根据权利要求2所述的复合材料组合支撑体构建机器人，其特征在于，注浆装置
(32)
还包括振捣机构，振捣机构包括韧性振捣钢丝绳以及固定安装在韧性振捣钢丝绳上的振捣器；振捣器与控制器电连接；韧性振捣钢丝绳固定附着在注浆胶管
(321)
上；
或者豁口结构
(31)
内设有与控制器电连接的振捣钢丝绳推送装置
。7.
根据权利要求2所述的复合材料组合支撑体构建机器人，其特征在于，上滚动输送机构和下滚动输送机构的滚动输送面上均设有与注浆胶管
(321)
外径尺寸配合的凹面结构
。8.
根据权利要求1所述的复合材料组合支撑体构建机器人，其特征在于，顶梁
(3)
上还设有接顶部件推送装置
(33)
，接顶部件推送装置
(33)
对应豁口结构
(31)
设置，接顶部件推送装置
(33)
包括接顶部件导向支撑机构和接顶部件平移推送机构，接顶部件平移推送机构包括对应接顶部件导向支撑机构的推送立板以及与推送立板安装连接的推送立板平移结构，推送立板平移结构与控制器电连接
。9.
根据权利要求8所述的复合材料组合支撑体构建机器人，其特征在于，接顶部件
(7)
是接顶柔膜袋，接顶柔膜袋整体呈上大下小的锥台结构，接顶柔膜袋内设有上下间隔设置的大径顶盘
(71)
和小径底盘
(72)
，大径顶盘
(71)
和小径底盘
(72)
之间还设有定位连接压簧
(73)
，接顶柔膜袋上还固定设有包括单向启闭封板
(74)
的注浆口
(75)
，注浆口
(75)
与注浆胶管
(321)
尺寸配合，单向启闭封板
(74)
设置在接顶柔膜袋的内表面，封堵在注浆口
(75)
上的单向启闭封板
(74)
呈常闭状态
、
且单向启闭封板
(74)
可向接顶柔膜袋内部开启；接顶部件推送装置
(33)
的接顶部件平移推送机构的推送立板上设置用于沿上下方向夹持接顶柔膜袋的柔膜袋夹持机构，柔膜袋夹持机构包括上夹持板
、
下夹持板以及夹持控制结构，夹持控制结构与控制器电连接
。10.
根据权利要求1所述的复合材料组合支撑体构建机器人，其特征在于，底座
(1)
后方对应支撑管输送通道的位置还设有支撑管输送装置
(11)
，支撑管输送装置
(11)
包括支撑管平移推送机构，支撑管平移推送机构包括支撑管定位推送部件以及与支撑管定位推送部件安装连接的支撑管导向推送结构，支撑管导向推送结构与控制器电连接
。11.
根据权利要求1所述的复合材料组合支撑体构建机器人，其特征在于，抱管机械手
(51)
包括与支撑管
(6)
外径尺寸配合的弧形夹持面
。12.
一种基于如权利要求1所述的复合材料组合支撑体构建机器人的复合材料组合支撑体构建方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
a.
定位支护：行走控制回路开始工作，控制器控制行走组件升降控制机构动作使行走组件降下并将底座
(1)
顶升脱离地面，然后控制行走驱动机构动作使复合材料组合支撑体构建机器人整体移动至工作面设定的立柱作业位置，控制器控制行走组件升降控制机构动作使行走组件升起，复合材料组合支撑体构建机器人通过底座
(1)
稳固停滞在工作面底板上；然后顶板升降控制回路开始工作，控制器控制升降缸
(4)
伸出使顶梁
(3)
升起并稳固顶靠在工作面顶板上；
b.
立管作业：将支撑管
(6)
送入支撑管输送通道后，立管控制回路开始工作，控制器先控制立管机械臂
(5)
的
X
坐标驱动总成动作使抱管机械手
(51)
沿左右方向伸出对支撑管
(6)
进行稳固夹持，然后控制立管机械臂
(5)
的
Y
坐标驱动总成和
Z
坐标驱动总成动作使抱管机械手
(51)
做一边向前一边向上的复合坐标运动，同时控制抱管机械手
(51)
的
A
坐标旋转驱动总成动作使抱管机械手
(51)
对支撑管
(6)
施加使支撑管
(6)
底端向前翻转的翻转作用力，直至支撑管
(6)
翻转
90
°
呈竖直状态
、
且支撑管
(6)
的顶端位于豁口结构
(31)
内，通过控制立管机械臂
(5)
的
Y
坐标驱动总成动作使夹持着支撑管
(6)
的抱管机械手
(51)
沿前后方向上调节支撑管
(6)
的准确立管位置后，先控制立管机械臂
(5)
的
Z
坐标驱动总成动作使支撑管
(6)
的底端稳固落地，再控制立管机械臂
(5)
的
X
坐标驱动总成动作使抱管机械手
(51)
沿左右方向缩入松开支撑管
(6)
，抱管机械手
(51)
复位后完成支撑管
(6)
的立管作业
。13.
根据权利要求
12
所述的复合材料组合支撑体构建方法，其特征在于，复合材料组合支撑体构建机器人的顶梁
(3)
上还设有注浆装置
(32)
，注浆装置
(32)
设置在豁口结构
(31)
内，注浆装置
(32)
包括注浆胶管
(321)
以及注浆胶管推送装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：马占国，龚鹏，靳苏平，邵国华，赵东升，张帆，孙钧宇，陈远峰，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：