技术领域
[0001] 本实用新型涉及煤矿机械运输设备技术领域，特别是涉及一种煤矿井下掘进巷道空中迈步运输机器人。
背景技术
[0002] 国家煤矿安全监察局公告(2019年第1号)，《煤矿机器人重点研发目录》中明确了井下掘进巷道运输机器人的研发方向，井下巷道运输机械化、智能化、无人化是今后发展趋势，特别是人工成本的增加、煤矿安全的要求等因素，对智能化、机械化运输的要求也越来越高；如何减少安全隐患、无人值守或少人值守，是煤矿急需解决的技术难题；由于受防爆、光线、粉尘、地面条件等因素的限制，成功应用在煤矿井下掘进巷道内的机器人很少，正在处于研究阶段。
[0003] 足式机器人国内外目前常用的驱动形式主要有电动和液压，由于液压驱动具有负载能
力强、功率
密度高、无级变速、能承受较大冲击、系统的
刚度高和响应快等优点，成为高性能户外重载四足机器人的首要选择。美国波士顿动力公司研制的“BigDog”四足机器人，意大利技术研究院研制的“HYQ”四足机器人，国内山东大学研制的“SCalf”四足机器人等，都采用的是液压驱动方式，各关节处采用
液压缸直线驱动实现足式
机器人关节转动，然而，直线液压缸驱动关节转动，其安装与运动空间需求大，对应关节转动
角度小，不能满足足式机器人关节大运动转角的特殊场合运动性能要求；其次，关节运动转速与直线液压缸移动速度的速比随运动
位置不同而不同，同理直线液压缸输出力随运动位置不同也不同，这种速度与力不均衡的缺点，使得关节运动的力与速度控制难度增加，不利于足式机器人运动实现，也阻碍了液压驱动足式机器人关节设计思路；此外，传统的非对称直线型液压缸，液压伺服控
制模型相对复杂，给控制
算法增加了难度；这种机器人不适合于煤矿井下掘进巷道内的环境。
[0004] 仿生机器人的发展是机器人发展的高级阶段，其采用的仿
生物特性的设计不仅使机器人的运动更灵活、控制更精确，而且其特定的结构可以更好的满足某些特殊的工作要求。目前，世界上很多国家的科研机构都在着力研究仿生机器人，仿生机器人己逐渐应用于抢险救灾、科研探索等领域，特别是在人类难以到达或很危险的作业环境下工作。仿生机器人的发展经历了原始探索、仿生仿型、机电与生物系统融合三个阶段。随着现代科技的快速发展，仿生机器人正迈向更加智能、更加符合生物结构特性的方向。但是，如今仿生机器人还存在很多问题，包括：结构模型相对简单、对生物机理揭示不足、驱动方式
能量利用率较低、控制无法达到足够精确等，现有的运输机器人重量沉、体积大，且只能平地运输，很多场合不能应用，更不适合于煤矿井下掘进巷道内的环境。
[0005] 目前主要的运输方案为：
[0006] 1)目前掘进迎头一段距离，约30000mm，大部分采用人工运输：在掘进迎头附近，掘进机宽度约3000mm至3800mm，长约8000mm至10000mm；皮带运输机最大外形宽度约1500mm，长约10000mm，而巷道宽度约 4000mm至5000mm；在巷道内，掘进机和皮带运输机两侧预留的空间狭窄，运输车辆很难通过，单轨吊虽然能从皮带运输机(偏一侧)的一侧通过，但很难从掘进机一侧通过，掘进机长度方向这段距离仍需要人工运输。
[0007] 2)
专利号为201721426485.6的实用新型专利《一种四足机器人》，授权公告日2018年5月11日；专利号为201810675697.0的实用新型专利《一种新型仿生多足运输机器人及使用方法》，
申请公布号 CN108995732A，申请公布日2018年12月14日；这两项专利主要存在不足：①四足
自由度多，故障率高；②承载力小；③结构复杂，且不适用于空中抓锚杆迈步；④对于防爆、防尘、光线、检测等问题没有研究。
[0008] 目前矿井施工由于矿物越挖越深，相对生产安全也越来越重要，特别是煤矿井下，煤炭内蕴涵的瓦斯与施工人员呼吸的
氧气不可避免的混合，瓦斯浓度高了，容易发生爆炸，存在很大的安全隐患；由于煤矿井下瓦斯的存在，对井下设备、电器元件、控制系统、电源、电火花等有严格的防爆要求，但现有公开的井下机器人，并没有提及，也没有应对措施，不具备实用性；对于深井作业的渗
水、塌方现象也经常发生，严重危险施工人员的生命安全，在危险的环境下采用机器人代替人工操作，是个发展趋势。
[0009] 由于受煤矿井下瓦斯、光线、电源、防爆性、防尘、防水、地面凸凹不平、环境多变不规则等因素的影响，井下机器人研究的很少，是目前国内外难题，将机器人结构和功能简单化，解决某个单一的问题，投资少、故障率低、安全可靠，是本领域技术人员亟待解决的问题。实用新型内容
[0010] 本实用新型的目的在于克服
现有技术的不足之处，公开了一种煤矿井下掘进巷道空中迈步运输机器人。
[0011] 为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
[0012] 一种煤矿井下掘进巷道空中迈步运输机器人，包括储料箱、伸缩机构、垂帘防护装置、检测系统、
框架平台、行走器Ⅰ、行走器Ⅱ、行走器Ⅲ、行走器Ⅳ、行走器Ⅴ、行走器Ⅵ、垂直
陀螺仪系统、移动装置、控制系统、液压系统和遥控器，所述伸缩机构包括伸缩多级缸缸体、伸缩多级缸
活塞杆和电磁
吸盘，伸缩机构的伸缩多级缸缸体的上端安装在框架平台前后两端下侧中部，伸缩机构的伸缩多级缸
活塞杆的下端与电磁吸盘连接，伸缩机构的电磁吸盘下端与储料箱连接，所述垂帘防护装置安装在框架平台的下侧面周圈，所述检测系统安装在框架平台的上面中部，检测系统包括红外线距离检测仪、激光
扫描仪、TOF相机、
定位系统，红外线距离检测仪用于检测锚杆的具体位置以便于对行走器Ⅰ、行走器Ⅱ、行走器Ⅲ、行走器Ⅳ、行走器Ⅴ、行走器Ⅵ实现微调，激光扫描仪和TOF相机具有记录和记忆功能，并可以优化路径，对于相同条件下的锚杆位置，动作可以一步到位，效率高；所述垂直陀螺仪系统安装在框架平台的中部，垂直陀螺仪系统用于检测框架平台的水平度，当超过设定的额定偏差时，启动油缸，自动调整，保证框架平台的水平度；所述移动装置共6件均匀安装在框架平台的上面，移动装置包括固定座、
丝杠、丝母座和
液压马达，液压系统分别控制移动装置的液压马达实现丝母座移动，所述行走器Ⅰ、行走器Ⅱ、行走器Ⅲ、行走器Ⅳ、行走器Ⅴ和行走器Ⅵ下端通过柔性短接与丝母座连接，所述控制系统同时与遥控器联
锁，实现远距离遥控操作，通过光缆，实现地面遥控，减少井下人员，做到无人或少人值守，符合国家安全要求和安全政策。
[0013] 优选的，垂帘防护装置包括自动
收线装置和柔性垂线，检测系统检测到机器人预通过的设备的高度，垂帘防护装置的自动收线装置
自动调节柔性垂线的高度，距离设备200mm，并要求在垂帘防护装置的柔性垂线范围内严禁站人，起到提醒和保护的作用，符合国家安全规范要求悬挂或运动的物体下面严禁站人的规定。
[0014] 优选的，所述行走器Ⅰ包括柔性短接、油缸、
万向节、
弹簧、液压机械手夹持器和压力
传感器，柔性短接的下端与丝母座连接，所述柔性短接的上端与油缸的缸体底部
法兰连接，所述油缸的活塞杆顶部安装一个导向套，导向套安装在油缸的缸体上，起到导向作用，使油缸承受一定的径向力，延长油缸的使用性能，提高产品的可靠性；油缸的活塞杆顶部与万向节下端连接，万向节的上端与液压机械手夹持器的下端连接，所述弹簧的下端法兰与油缸的活塞杆顶部连接，弹簧的上端法兰与液压机械手夹持器的下端连接，所述液压机械手夹持器包括内半锥瓦、锥套、液压组件和
压力传感器Ⅰ，液压机械手夹持器的内半锥瓦的内孔大于锚杆直径3mm，液压机械手夹持器的内半锥瓦的上端设置有55度锥孔，压力传感器安装在液压机械手夹持器内半锥瓦的55度锥孔内，液压机械手夹持器的压力传感器Ⅰ安装在内半锥瓦内孔壁上。
[0015] 优选的，所述行走器Ⅱ、行走器Ⅲ、行走器Ⅳ、行走器Ⅴ和行走器Ⅵ的结构与所述行走器Ⅰ的结构相同。
[0016] 优选的，液压系统包括
液压泵站、
电机、
叶片泵、电
接触比例
阀和管路系统，液压系统安装在框架平台的上面。
[0017] 优选的，所述液压系统放在掘进机上，与掘进机同步前行。
[0018] 本实用新型的有益效果是：
[0019] (1)国内首创，符合国家政策，符合国家煤矿安全的要求，井下掘进巷道采用空中迈步运输机器人，实现远距离遥控操作，通过光缆，实现地面遥控，实现无人值守或少人值守，减少安全隐患。
[0020] (2)实现空中迈步行走，占用空间小、设备外型小、灵活性好、工作效率高。
附图说明
[0021] 为了更清楚地说明本申请
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022] 附图1是本实用新型所述的一种煤矿井下掘进巷道空中迈步运输机器人的主视图。
[0023] 附图2是本实用新型所述的一种煤矿井下掘进巷道空中迈步运输机器人中行走器Ⅰ的主视图。
[0024] 附图3是本实用新型所述的一种煤矿井下掘进巷道空中迈步运输机器人中移动装置的主视图。
[0025] 附图4是本实用新型所述的一种煤矿井下掘进巷道空中迈步运输机器人中迈步位置示意图。
[0026] 图中：01—储料箱，02—伸缩机构，03—垂帘防护装置，04—检测系统，05—框架平台，06—行走器Ⅰ，07—行走器Ⅱ，08—行走器Ⅲ， 09—行走器Ⅳ，10—行走器Ⅴ，11—行走器Ⅵ，12—垂直陀螺仪系统， 13—移动装置，14—控制系统，15—液压系统，16—遥控器，0601—柔性短接，0602—油缸，0603—万向节，0604—弹簧，0605—液压机械手夹持器，
0606—压力传感器，1301—固定座，1302—丝杠，1303—丝母座，1304—液压马达。
具体实施方式
[0027] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一些实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0028] 如图1、图2、图3和图4所示，本具体实施例中提供的煤矿井下掘进巷道空中迈步运输机器人包括储料箱01、伸缩机构02、垂帘防护装置03、检测系统04、框架平台05、行走器Ⅰ06、行走器Ⅱ07、行走器Ⅲ08、行走器Ⅳ09、行走器Ⅴ10、行走器Ⅵ11、垂直陀螺仪系统12、移动装置13、控制系统14、液压系统15和遥控器16，行走器Ⅱ07、行走器Ⅲ08、行走器Ⅳ09、行走器Ⅴ10和行走器Ⅵ11的结构与所述行走器Ⅰ06的结构相同。
[0029] 伸缩机构02包括伸缩多级缸缸体、伸缩多级缸活塞杆和电磁吸盘，伸缩机构02的伸缩多级缸缸体的上端安装在框架平台05前后两端下侧中部，伸缩机构02的伸缩多级缸活塞杆的下端与电磁吸盘连接，伸缩机构02的电磁吸盘下端与储料箱01连接，所述垂帘防护装置03安装在框架平台05的下侧面周圈，所述检测系统04安装在框架平台05的上面中部，检测系统04包括红外线距离检测仪、激光扫描仪、TOF相机、定位系统，红外线距离检测仪用于检测锚杆的具体位置以便于对行走器Ⅰ06、行走器Ⅱ07、行走器Ⅲ08、行走器Ⅳ09、行走器Ⅴ10、行走器Ⅵ 11实现微调，激光扫描仪和TOF相机具有记录和记忆功能，并可以优化路径，对于相同条件下的锚杆位置，动作可以一步到位，效率高；所述垂直陀螺仪系统12安装在框架平台05的中部，垂直陀螺仪系统12用于检测框架平台05的水平度，当超过设定的额定偏差时，启动油缸0602，自动调整，保证框架平台05的水平度；所述移动装置13共6件均匀安装在框架平台05的上面，移动装置13包括固定座1301、丝杠 1302、丝母座1303和液压马达1304，液压系统15分别控制移动装置 13的液压马达1304实现丝母座1303移动，所述行走器Ⅰ06、行走器Ⅱ 07、行走器Ⅲ08、行走器Ⅳ09、行走器Ⅴ10和行走器Ⅵ11下端通过柔性短接0601与丝母座1303连接，所述控制系统14类似机器人智能大脑，精确计算、抓紧、定位，独立实现整个过程的控制，必须保证前排至少2个行走器，后排至少2个行走器的液压机械手夹持器0605抓住锚杆，而且达到预先设置的额定抓紧力和
拉拔力之上，方可进行下一个动作，为安全运行提供了保障。
[0030] 垂帘防护装置03包括自动收线装置和柔性垂线，检测系统04检测到机器人预通过的设备的高度，垂帘防护装置03的自动收线装置自动调节柔性垂线的高度，距离设备200mm，并要求在垂帘防护装置03的柔性垂线范围内严禁站人，起到提醒和保护的作用，符合国家安全规范要求悬挂或运动的物体下面严禁站人的规定。
[0031] 行走器Ⅰ06包括柔性短接0601、油缸0602、万向节0603、弹簧0604、液压机械手夹持器0605和压力传感器0606，柔性短接0601的下端与丝母座1303连接，所述柔性短接0601的上端与油缸0602的缸体底部法兰连接，所述油缸0602的活塞杆顶部安装一个导向套，导向套安装在油缸0602的缸体上，起到导向作用，使油缸0602承受一定的径向力，延长油缸0602的使用性能，提高产品的可靠性；油缸0602的活塞杆顶部与万向节0603下端连接，万向节0603的上端与液压机械手夹持器 0605的下端连接，所述弹簧0604的下端法兰与油缸0602的活塞杆顶部连接，弹簧0604的上端法兰与液压机械手夹持器0605的下端连接，所述液压机械手夹持器0605包括内半锥瓦、锥套、液压组件和压力传感器Ⅰ，液压机械手夹持器0605的内半锥瓦的内孔大于锚杆直径3mm，液压机械手夹持器0605的内半锥瓦的上端设置有55度锥孔，压力传感器 0606安装在液压机械手夹持器0605内半锥瓦的55度锥孔内，液压机械手夹持器0605的压力传感器Ⅰ安装在内半锥瓦内孔壁上。行走器Ⅱ07、行走器Ⅲ08、行走器Ⅳ09、行走器Ⅴ10和行走器Ⅵ11的结构与所述行走器Ⅰ06的结构相同，此处不再赘述。
[0032] 查阅锚杆拉拔力设计资料记载：直径20mm的锚杆，材料Q335时拉拔力约15吨，材料Q500时拉拔力约21吨；直径22mm的锚杆，材料Q335 时拉拔力约19吨，材料Q500时拉拔力约23吨；锚杆锚固剂30秒后，达到额定强度的80％。该机器人总重量约1吨，任何一根的锚杆强度足够，而且是临时借用，不需要另外安装辅助锚杆，采用已经安装的锚杆即可。
[0033] 两移动装置13之间的平行距离为锚杆间距L，L为设计院设计的顶锚杆之间的距离，两移动装置13之间的平行距离一种方案为固定某值，另一种方案为两侧的移动装置13安装在滑轨上，两侧的移动装置13与中间的移动装置13通过油缸调节间距，实现间距自动调节。
[0034] 液压系统15包括
液压泵站、电机、叶片泵、电
接触比例阀和管路系统，液压系统15安装在框架平台05的上面，另一种实施方案为液压系统15放在掘进机上，与掘进机同步前行。
[0035] 本实用新型的煤矿井下掘进巷道空中迈步运输机器人采用液压系统，也可以采用
风动或水压系统，本实用新型中的所有电器元件和控制系统等均有严格的防爆要求。
[0036] 本实用新型的煤矿井下掘进巷道空中迈步运输机器人中的电源采用直接接电源线或自带
蓄电池。
[0037] 本实用新型的煤矿井下掘进巷道空中迈步运输机器人中丝杠和活塞杆外漏部分均采用折叠式的套进行防护，整机外表面进行二次防护，防止灰尘，延长整机的使用寿命。
[0038] 如图4所示，行走器Ⅰ06、行走器Ⅱ07、行走器Ⅲ08、行走器Ⅳ09、行走器Ⅴ10和行走器Ⅵ11，向前移动L后，轨迹点为06A、07A、08A、 09A、10A、11A；行走器Ⅰ06、行走器Ⅲ08、行走器Ⅳ09、行走器Ⅵ11 移动规律为采用“马”行走规律，即左前—右后—左后—右前，向前移动L后，轨迹点为06A、08A、09A、11A；垂直陀螺仪系统12主要检测框架平台05的水平度，当超过设定的额定偏差时，启动油缸0602，自动调整，保证了框架平台05的水平度；行走器Ⅱ07、行走器Ⅴ10移动规律是同时向前移动，寻找锚杆位置并抓紧锚杆，提高运行速度，向前移动L后，轨迹点为07A、10A，允许其中一个抓不住锚杆，在未抓住的锚杆下方等待；检测系统14的激光扫描仪和TOF相机具有记录和记忆功能，并可以优化路径，对于相同条件下的锚杆位置，动作可以一步到位，效率高。
[0039] 液压机械手夹持器0605的内半锥瓦的上端为55度锥孔，压力传感器0606安装在液压机械手夹持器0605内半锥瓦的55度锥孔内，便于调整锚杆间距，允许锚杆有一定的间距误差，-20mm至+20mm，压力传感器0606检测到前端受力时，行走器Ⅰ06向前端移动微调，检测到后端受力时，行走器Ⅰ06向后端移动微调；弹簧0604的主要作用是在自然状态下，让万向节0603垂直向上，当因锚杆位置偏时，万向节0603有一定的调整范围，另外柔性短接0601也有一定的调节范围，保证准确抓住锚杆，确实因为锚杆位置偏差太大，无法抓住时，机器人程序也有一定的补救措施。液压机械手夹持器0605的压力传感器Ⅰ将检测到的抓紧力传给控制系统14，在满足额定抓紧力的情况下，允许下一个动作，保证百分之百安全抓紧锚杆，进行下一工序，实现空中移动的安全性。
[0040] 控制系统14同时与遥控器16联锁，实现远距离遥控操作，通过光缆，实现地面遥控，减少井下人员，做到无人或少人值守，符合国家安全要求和安全政策。
[0041] 对于本领域技术人员而言，显然本
发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附
权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0042] 此外，应当理解，虽然本
说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
