本發(fā)明屬于煤礦鉆孔機(jī)器人控制，尤其涉及一種煤礦鉆孔機(jī)器人用全自主鉆進(jìn)控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

1、煤礦鉆孔機(jī)器人的全自主鉆進(jìn)是實(shí)現(xiàn)無人化鉆孔的關(guān)鍵，其鉆進(jìn)作業(yè)依靠液壓回轉(zhuǎn)馬達(dá)和給進(jìn)油缸的協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)煤礦鉆孔機(jī)器人的鉆進(jìn)?？梢赃M(jìn)行煤層鉆孔卸壓、抽采瓦斯等作業(yè)。通常，井下煤礦煤層分布非均勻、煤巖硬度隨機(jī)性大、煤巖地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，使鉆進(jìn)作業(yè)具有鉆進(jìn)負(fù)載不確定性。

2、而目前煤礦鉆孔機(jī)器人的鉆進(jìn)作業(yè)以手動(dòng)/半自動(dòng)控制為主，未能實(shí)現(xiàn)自主控制，仍存在作業(yè)工人安全風(fēng)險(xiǎn)高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、鉆進(jìn)過程易卡滯、鉆孔作業(yè)效率低的問題。

3、基于上述問題，需要一種能夠控制鉆進(jìn)作業(yè)的控制系統(tǒng)及控制方法，使煤礦鉆孔機(jī)器人可根據(jù)煤巖硬度情況全自主鉆進(jìn)，并且能夠在鉆孔作業(yè)過程中，進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，以保證煤礦鉆孔機(jī)器人能夠在不同煤巖條件下的高效鉆進(jìn)控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的煤礦鉆孔機(jī)器人的鉆進(jìn)作業(yè)未能實(shí)現(xiàn)自主控制，存在作業(yè)工人安全風(fēng)險(xiǎn)高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、鉆進(jìn)過程易卡滯、鉆孔作業(yè)效率低的問題，而提出一種煤礦鉆孔機(jī)器人用全自主鉆進(jìn)控制系統(tǒng)及控制方法。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

3、一種煤礦鉆孔機(jī)器人用全自主鉆進(jìn)控制系統(tǒng)，包括布置于煤礦鉆孔機(jī)器人中的鉆進(jìn)系統(tǒng)和鉆進(jìn)過程控制器；

4、鉆進(jìn)系統(tǒng)包括鉆桿回轉(zhuǎn)模塊、鉆桿給進(jìn)模塊、鉆桿夾持模塊；

5、鉆桿回轉(zhuǎn)模塊包括液壓馬達(dá)和減速器，液壓馬達(dá)負(fù)責(zé)提動(dòng)力控制鉆進(jìn)速度，減速器配合液壓馬達(dá)提高鉆進(jìn)輸出轉(zhuǎn)矩，減速器上具有鉆桿；

6、鉆桿給進(jìn)模塊包括給進(jìn)油缸和導(dǎo)軌，所述給進(jìn)油缸為鉆桿提供軸向進(jìn)給力；

7、鉆桿夾持模塊包括前虎鉗、后虎鉗、前虎鉗夾持油缸、后虎鉗夾持油缸，前虎鉗、后虎鉗用于夾緊鉆桿，受前虎鉗夾持油缸、后虎鉗夾持油缸驅(qū)動(dòng)，利用前虎鉗、后虎鉗執(zhí)行夾緊或松開鉆桿作業(yè)，結(jié)合鉆桿回轉(zhuǎn)模塊實(shí)現(xiàn)鉆桿的裝夾或卸下，進(jìn)而完成自主裝卸鉆桿作業(yè)；

8、鉆桿回轉(zhuǎn)模塊通過循環(huán)液壓管路一連接三位四通比例換向閥一，鉆桿給進(jìn)模塊通過循環(huán)液壓管路二連接三位四通比例換向閥二，鉆桿夾持模塊的前虎鉗夾持油缸通過循環(huán)液壓管路三連接三位四通比例換向閥三，鉆桿夾持模塊的后虎鉗夾持油缸通過循環(huán)液壓管路四連接三位四通比例換向閥四；鉆進(jìn)過程控制器電路連接三位四通比例換向閥一、三位四通比例換向閥二、三位四通比例換向閥三、三位四通比例換向閥四、減速器；

9、煤礦鉆孔機(jī)器人中還布置有鉆進(jìn)負(fù)載感知模塊，鉆進(jìn)負(fù)載感知模塊包括鉆進(jìn)壓力傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器，鉆進(jìn)位移傳感器、鉆進(jìn)負(fù)載求解器；

10、其中，旋轉(zhuǎn)編碼器與液壓馬達(dá)電路連接，鉆進(jìn)位移傳感器與給進(jìn)油缸電路連接，鉆進(jìn)壓力傳感器與循環(huán)液壓管路二上的油壓傳感器電路連接；旋轉(zhuǎn)編碼器、鉆進(jìn)位移傳感器、鉆進(jìn)壓力傳感器分別與鉆進(jìn)負(fù)載求解器電路連接，鉆進(jìn)負(fù)載求解器與鉆進(jìn)過程控制器信號(hào)連接，鉆進(jìn)負(fù)載求解器利用支持向量機(jī)對(duì)獲取的鉆進(jìn)壓力、轉(zhuǎn)速、位移信號(hào)進(jìn)行鉆進(jìn)負(fù)載狀態(tài)分類與界定，實(shí)現(xiàn)不同煤巖條件下的鉆進(jìn)負(fù)載感知。

11、作為更近一步的優(yōu)選方案，三位四通比例換向閥一、三位四通比例換向閥二、三位四通比例換向閥三、三位四通比例換向閥四通過各自的循環(huán)管路連接油箱以及驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置包括變量泵和電動(dòng)機(jī)。

12、作為更近一步的優(yōu)選方案，油箱以及驅(qū)動(dòng)裝置之間還設(shè)有溢流閥。

13、作為更近一步的優(yōu)選方案，循環(huán)液壓管路二上的油壓傳感器包括壓力傳感器一和壓力傳感器二，壓力傳感器一和壓力傳感器二分別位于循環(huán)液壓管路二的進(jìn)油管路和出油管路上，壓力傳感器一和壓力傳感器二分別與鉆進(jìn)壓力傳感器電路連接。

14、作為更近一步的優(yōu)選方案，循環(huán)液壓管路一的進(jìn)油管路和出油管路上分別設(shè)有壓力傳感器三和壓力傳感器四，壓力傳感器三和壓力傳感器四分別與鉆進(jìn)壓力傳感器電路連接。

15、作為更近一步的優(yōu)選方案，循環(huán)液壓管路二的進(jìn)油管路和出油管路上分別設(shè)有一個(gè)單向閥。

16、作為更近一步的優(yōu)選方案，循環(huán)液壓管路一上還設(shè)有流量傳感器。

17、一種煤礦鉆孔機(jī)器人用全自主鉆進(jìn)控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

18、步驟一：操作員通過啟動(dòng)鉆進(jìn)過程控制器發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，鉆進(jìn)過程控制器接收到啟動(dòng)信號(hào)后控制液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn)工作，使鉆進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)；

19、步驟二：在鉆進(jìn)過程控制器接收到鉆桿鉆進(jìn)信號(hào)后執(zhí)行步驟三，在鉆進(jìn)過程控制器接收到鉆桿卸鉆信號(hào)后執(zhí)行步驟四；

20、步驟三：鉆進(jìn)作業(yè)；

21、鉆進(jìn)過程控制器控制三位四通比例換向閥一得電工作在左位，利用液壓馬達(dá)的正向旋轉(zhuǎn)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鉆桿開始回轉(zhuǎn)作業(yè)；同時(shí)，鉆進(jìn)過程控制器控制三位四通比例換向閥二得電工作在左位，利用推進(jìn)油缸伸出活塞桿推動(dòng)鉆桿鉆進(jìn)作業(yè)并到達(dá)指定位置；

22、在鉆進(jìn)作業(yè)過程中，鉆進(jìn)負(fù)載感知模塊計(jì)算出當(dāng)前鉆進(jìn)負(fù)載狀態(tài)并發(fā)送至鉆進(jìn)過程控制器，鉆進(jìn)過程控制器接收到鉆進(jìn)負(fù)載狀態(tài)指令后，下發(fā)控制信號(hào)至三位四通比例換向閥一和三位四通比例換向閥二，對(duì)當(dāng)前鉆進(jìn)速度和回轉(zhuǎn)速度進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)不同煤巖條件下鉆進(jìn)過程的自適應(yīng)控制；

23、當(dāng)鉆孔執(zhí)行完成單個(gè)鉆桿推進(jìn)作業(yè)時(shí)，鉆進(jìn)過程控制器分別下發(fā)指令控制液壓馬達(dá)反向旋轉(zhuǎn)，鉆進(jìn)動(dòng)力頭和鉆桿之間卸扣，前虎鉗夾緊，給進(jìn)油缸快速回退到指定位置；當(dāng)后虎鉗夾緊下一根鉆桿時(shí)，液壓馬達(dá)正向旋轉(zhuǎn)，鉆進(jìn)動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)接入增加的鉆桿，后虎鉗松開，鉆進(jìn)動(dòng)力頭正向旋轉(zhuǎn)使鉆桿接前扣鉆桿，前虎鉗緊松開，之后繼續(xù)鉆進(jìn)作業(yè)；

24、步驟四：卸鉆作業(yè)；

25、鉆進(jìn)過程控制器控制三位四通比例換向閥一得電工作在右位，利用液壓馬達(dá)的反向旋轉(zhuǎn)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn)，此時(shí)，帶動(dòng)鉆桿退出鉆進(jìn)作業(yè)；

26、當(dāng)鉆孔執(zhí)行鉆桿卸鉆作業(yè)時(shí)，前虎鉗夾緊，后虎鉗松開，鉆進(jìn)過程控制器分別下發(fā)指令控制液壓馬達(dá)反向旋轉(zhuǎn)，鉆進(jìn)動(dòng)力頭和鉆桿前扣被卸下；之后，后虎鉗夾緊，鉆進(jìn)過程控制器分別下發(fā)指令控制液壓馬達(dá)反向旋轉(zhuǎn)，鉆進(jìn)動(dòng)力頭和鉆桿后扣被卸下，給進(jìn)油缸快速回退到指定位置，后虎鉗松開；鉆進(jìn)動(dòng)力頭往前移動(dòng)接下一個(gè)鉆桿后扣，前虎鉗和后虎鉗松開，鉆進(jìn)動(dòng)力頭將鉆桿往后拉出到指定位置，前虎鉗夾緊，后虎鉗松開，之后繼續(xù)卸鉆作業(yè)；

27、多次重復(fù)步驟三與步驟四，直至完成所有的鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)結(jié)束。

28、作為更近一步的優(yōu)選方案，煤礦鉆孔機(jī)器人在鉆進(jìn)不同煤巖時(shí)，鉆進(jìn)負(fù)載感知模塊利用支持向量機(jī)對(duì)鉆進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行分類，基于鉆進(jìn)狀態(tài)分類信息，鉆進(jìn)過程控制器依據(jù)最優(yōu)轉(zhuǎn)速和給進(jìn)量的關(guān)系求解得到不同的轉(zhuǎn)速和給進(jìn)量目標(biāo)值；結(jié)合實(shí)時(shí)反饋的轉(zhuǎn)速和給進(jìn)位移信息，下發(fā)不同的控制指令至三位四通比例閥一和三位四通比例閥二，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程的自主調(diào)整；

29、旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)到的液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，與目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比產(chǎn)生轉(zhuǎn)速誤差，所述控制器經(jīng)過控制算法計(jì)算，最后作用于三位四通比例換向閥一與三位四通比例換向閥二，實(shí)現(xiàn)自主鉆進(jìn)。

30、作為更近一步的優(yōu)選方案，鉆進(jìn)最優(yōu)轉(zhuǎn)速和給進(jìn)量的關(guān)系求解，利用鉆桿進(jìn)給量與回轉(zhuǎn)扭矩的關(guān)系計(jì)算得到目標(biāo)進(jìn)給量并發(fā)送給鉆進(jìn)過程控制器，鉆進(jìn)過程控制器調(diào)整鉆進(jìn)過程的進(jìn)給量；不同性狀的煤巖有不同的轉(zhuǎn)速，基于煤巖硬度系數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系調(diào)整鉆進(jìn)過程的轉(zhuǎn)速。

31、有益效果

32、本發(fā)明通過增加鉆進(jìn)負(fù)載感知模塊，實(shí)現(xiàn)煤礦鉆孔機(jī)器人鉆進(jìn)系統(tǒng)的煤巖性狀感知，并具有自主裝卸鉆桿功能。鉆進(jìn)過程中，可自適應(yīng)煤巖性狀的改變，跟隨煤巖性狀的變化而調(diào)整不同的鉆進(jìn)速度，同時(shí)，具有自主裝卸鉆桿功能，可實(shí)現(xiàn)自主鉆進(jìn)控制，從而保障煤礦鉆孔機(jī)器人的可靠高效運(yùn)行，提高煤礦鉆孔機(jī)器人的鉆進(jìn)效率。