一种煤矿用管道安装机器人及其工作方法与流程

1.本发明涉及煤矿井下巷道及金属矿山巷道管道安装施工领域，具体涉及一种煤矿用管道安装机器人及其工作方法。


背景技术：

2.为满足煤矿井下煤炭开采的需要，井下巷道中布置有多种功能的管道，如：给排水管、通风管、瓦斯抽采管等，担负着撒水分防尘、工业排水、煤层注浆、通风、瓦斯抽采等功能。传统的管道安装方式主要为人工搬运，手拉葫芦起吊，临时搭建操作平台的方式。具体安装方法如下：1在安装点搭建登高作业平台。2利用无轨胶轮车或有轨矿车将管道运输至安装点附近。3将管道经过简单捆绑后，使用手拉葫芦起吊管道。4调整管道，连接对接法兰进行固定。整个安装过程费时费力，特别是大直径、单管重量大的管道，安装施工难度大，安全隐患多，施工效率低。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种煤矿用管道安装机器人及其工作方法，解决了目前依赖吊装方式安装管道存在的施工难度大，安全隐患多，施工效率低的问题。
4.本发明是通过以下技术方案来实现：
5.一种煤矿用管道安装机器人，包括机械臂、履带行走机构、安装平台和操作平台；
6.安装平台设置在履带行走机构上方，机械臂底部设有回转台，回转台下方设有第一滑移机构，第一滑移机构设置在安装平台上；
7.操作平台连接在安装平台上；
8.在机械臂末端连接有夹持爪，夹持爪由两个对称的夹持件连接而成，夹持件内表面为圆弧面，形成用于夹持待安装管道的弧槽；
9.夹持爪的连接端通过柔性头和螺旋式摆动油缸与机械臂末端连接；
10.操作平台包括吊篮，及与吊篮连接的升降机构和第二滑移机构。
11.进一步，第一滑移机构包括第一滑移油缸、第一轨道和第一滑块，第一轨道和第一滑块形成轨道滑块机构，第一轨道固定在安装平台上，第一滑块固定在回转台下方，第一滑移油缸与第一滑块连接，当需要将机械臂在水平方向移动时，第一滑移油缸带动第一滑块在第一轨道上滑动。
12.进一步，第二滑移机构包括第二滑移油缸、第二轨道和第二滑块，第二轨道与第一轨道的铺设方向互相垂直；
13.第二轨道和第二滑块形成轨道滑块机构，第二轨道固定在安装平台上，第二滑块固定在回转台下方，第二滑移油缸与第二滑块连接，当需要将操作平台在水平方向移动时，第二滑移油缸带动第二滑块在第二轨道上滑动。
14.进一步，升降机构包括升降油缸和固定件，升降油缸的底部固定在第二滑移机构上，顶部通过固定件与吊篮固定连接。
15.进一步，机械臂包括由下至上依次铰接的第一臂、第二臂及第三臂，第一臂的末端与回转台之间连接有一级油缸，第二臂的末端与回转台之间连接有二级油缸，第二臂和第三臂之间连接有三级油缸；
16.螺旋式摆动油缸与机械臂的末端通过连接件连接，连接件与第三臂末端铰接，连接件与第三臂的起始端连接有四级油缸。
17.进一步，柔性头包括依次连接的第一连接板、限位板、压盖和第二连接板，在第二连接板和压盖内开有弧形腔体，弧形腔体共同形成用于容纳球形铰接头的空间，夹持爪的连接端安装在球形铰接头内，第一连接板与螺旋式摆动油缸通过螺栓相连。
18.进一步，操作平台配置有手摇式回转机构，用于实现吊篮绕手摇把中心回转调节。
19.进一步，夹持爪包括两个对称设置的夹持壳体，两夹持壳体通过销轴铰接在连接板上，在每个夹持壳体的闭口侧均连接有夹紧油缸；
20.在每个夹持壳体上还设有自旋转油缸、滑动轨道和滑块，将管道夹紧后，通过自旋转油缸伸出作用，推动滑块在滑动轨道内滑动，实现管道围绕圆心位置的原地自旋转功能。
21.进一步，在安装平台下方设有四个伸缩支撑机构，分别位于安装平台的四角位置；
22.伸缩支撑机构末端连接有支撑油缸，支撑油缸水平设置，用于带动伸缩支撑机构沿宽度方向向外伸出。
23.本发明公开了所述煤矿用管道安装机器人的工作方法，包括以下过程：
24.将管道安装机器人行驶至巷道指定位置后，伸出伸缩支撑机构，稳定机身；
25.通过夹持爪夹紧管道，机械臂将管道举升至巷道顶部，然后通过螺旋式摆动油缸和柔性头及夹持爪调整管道的位姿，对准连接法兰上的螺栓孔；
26.施工人员站在吊篮内，通过升降机构和第二滑移机构调节吊篮的位置，将施工人员移动至安装位置处，进行连接法兰上的对接螺栓的紧固工作。
27.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
28.本发明公开了一种煤矿用管道安装机器人，针对煤矿井下巷道有限的作业空间及管道布置特点，设计了一种管道抓取、举升、安装机器人，具体包括机械臂、履带行走机构、安装平台和操作平台；在机械臂末端连接有夹持待安装管道的夹持爪，夹持爪的连接端通过柔性头和螺旋式摆动油缸与机械臂末端连接；通过机械臂将管道举升至巷道顶部，然后通过螺旋式摆动油缸的轴向旋转功能和柔性头铰接球体结构的转动功能及夹持爪自旋转功能调整管道的位姿，通过升降机构和第二滑移机构调节吊篮的位置，将施工人员移动至安装位置处。与现有煤矿井下的人工搬运，手拉葫芦起吊，临时搭建操作平台的施工方法相比，本发明能够解决巷道管道安装过程中工人劳动强度大，生产效率低，安全隐患多等普遍存在的问题。
29.本发明整机设计合理，可以在煤矿巷道有限空间内实现管道的自动抓取举升，大大降低巷道管道安装过程中工人的劳动强度，提高施工效率，降低安全隐患。
30.进一步，柔性头包括依次连接的第一连接板、限位板、压盖、第二连接板，在第二连接板和压盖内开有弧形腔体，弧形腔体共同形成用于容纳球形铰接头的空间，夹持爪的连接端安装在球形铰接头内，实现在液压操作阀组不动作的情况下，夹持爪在外力摇晃下，第二连接板与限位板围绕球形铰接头圆弧形面转动，转动范围受第一连接板与限位板之间活动缝隙大小影响。当活动缝隙距离变为0时，第一连接板与限位板接触，实现阻挡继续转动
的目的。随即实现有限范围内人为干预调节位置的目的，制约范围受限位板与第一连接板之间的缝隙影响。
31.进一步，夹持爪包括两个对称设置的夹持壳体，两夹持壳体与后端连接板通过销轴铰接，在每个夹持壳体的闭口侧均连接有夹紧油缸，可以通过操作阀组控制，两个夹持壳体通过夹紧油缸伸出作用，夹持壳体围绕销轴转动，上下两个夹持壳体同时作用，将管道夹紧。在每个夹持壳体上还设有自旋转油缸、滑动轨道和滑块，将管道夹紧后，通过自旋转油缸伸出作用，推动滑块在滑动轨道内滑动，实现管道围绕圆心位置的原地自旋转功能。
32.进一步，安装平台周围水平方向连接有4个支撑油缸，支撑油缸可以在整机宽度方向沿轨道自动伸出；在安装平台下方设有四个伸缩支撑机构，沿高度方向自动上下支撑。支撑油缸与伸缩支撑机构连接，两者协同配合，增加整机的支撑面积，提高整机的稳定性，防止工作时整机倾覆。
附图说明
33.图1为本发明的一种煤矿用管道安装机器人的结构示意图；
34.图2为本发明的一种煤矿用管道安装机器人另一视图方向的结构示意图；
35.图3为图1的侧视图；
36.图4为管道安装断面示意图；
37.图5为管道安装布置示意图；
38.图6为柔性头结构示意图；
39.图7为夹持爪结构示意图。
40.其中，1、机械臂；2、液压系统；3、履带行走机构；4、安装平台；5、滑移机构；6、电气系统；7、操作平台；8、回转台；9、第一臂；10、油缸组；11、螺旋式摆动油缸；12、柔性头；13、夹持爪；14、吊篮；15、升降油缸；16、第二滑移油缸；17、第二轨道；18、手摇式回转机构；19、支撑油缸；20、巷道；21、管道；22、伸缩支撑机构；23、一级油缸；24、二级油缸；25、三级油缸；26、四级油缸；27、连接法兰；28、滑块；
41.29、球形铰接头；30、限位板；31、第一连接板；32、第二连接板；33、压盖；34、活动间隙；
42.35、销轴；36、夹紧油缸；37、自旋转油缸；38、夹持壳体；39、滑动轨道。
具体实施方式
43.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。
44.本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，因此，以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
45.需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅仅只包括那些要素，还包
括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、元素、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，术语“水平”“竖直”是基于附图所示装置或部件的方位和位置关系，仅是为了更好的描述本发明，而不是要求所示的装置、部件或设备必须具有该特定方位，因此不能理解为对本发明的限制。
46.以下结合实施例对本发明的特征和性能进一步详细说明。
47.如图1-7所示，本发明公开了一种煤矿用管道安装机器人，包括机械臂1、履带行走机构3、安装平台4和操作平台7；安装平台4设置在履带行走机构3上方，机械臂1底部设有回转台8，回转台8下方设有第一滑移机构5，第一滑移机构5设置在安装平台4上；操作平台7连接在安装平台4上；在机械臂1末端连接有夹持爪13，夹持爪13由两个对称的夹持件连接而成，夹持件内表面为圆弧面，形成用于夹持待安装管道21的弧槽；夹持爪13的连接端依次通过柔性头12和螺旋式摆动油缸11与机械臂1末端连接；操作平台7连接有升降机构和第二滑移机构5。
48.在安装平台4上还设有电气箱和液压箱，电气箱内设有电气系统6，液压箱中设有液压系统2。
49.如图3所示，机械臂1包括多级连接臂，底端连接回转台8，多级连接臂之间通过油缸组10连接，通过油缸组10的调节，可以多自由度调整末端夹持爪13的位置。
50.具体地，机械臂1包括由下至上依次铰接的第一臂9、第二臂及第三臂，第一臂9的末端与回转台8之间连接有一级油缸23，第二臂的末端与回转台8之间连接有二级油缸24，第二臂和第三臂之间连接有三级油缸25。每级油缸与液压阀组通过液压管路连接后，液压阀组操上有手柄，操作手柄就可以控制油缸动作。
51.螺旋式摆动油缸11与机械臂1的末端通过连接件连接，连接件与第三臂末端铰接，连接件与第三臂的起始端连接有四级油缸26。
52.螺旋式摆动油缸11可以绕中心线360度旋转，进而调整夹持爪13的角度。
53.如图6所示，柔性头12包括依次连接的第一连接板31、限位板30、压盖33、第二连接板32，在第二连接板32和压盖33内开有弧形腔体，弧形腔体共同形成放置球形铰接头29的空间，夹持爪13的连接端安装在球形铰接头29内，第一连接板31与螺旋式摆动油缸11通过螺栓相连。第一连接板31、限位板30之间设有活动间隙34。
54.第二连接板32和压盖33通过螺栓固定连接，限位板30与压盖33通过螺栓固定连接。
55.实现在液压操作阀组不动作的情况下，夹持爪13在外力摇晃下，第二连接板32与限位板30围绕球形铰接头29圆弧形面转动，转动范围受第一连接板31与限位板30之间活动缝隙34大小影响。当活动缝隙34距离变为0时，第一连接板31与限位板30接触，实现阻挡继续转动的目的。随即实现有限范围内人为干预调节位置的目的，制约范围受限位板30与第一连接板31之间的缝隙34影响。
56.如图7所示，夹持爪13包括两个对称设置的夹持壳体38，两夹持壳体38与后端连接板通过销轴35铰接，在每个夹持壳体38的闭口侧均连接有夹紧油缸36，可以通过操作阀组控制，两个夹持壳体38通过夹紧油缸36伸出作用，夹持壳体38围绕销轴35转动，上下两个夹持壳体38同时作用，将管道21夹紧。
57.在每个夹持壳体38上还设有自旋转油缸37、滑动轨道39和滑块40，将管道41夹紧
后，通过自旋转油缸37伸出作用，推动滑块28在滑动轨道39内滑动，实现管道21围绕圆心位置的原地自旋转功能。
58.液压系统2通过电机驱动，由液压泵，液压油箱，电磁操作阀组等组成，为整机提供行走液压驱动力。
59.电气系统6由真空磁力启动器，遥控发送器，遥控接收器，控制按钮，急停按钮等组成，通过遥控操作，控制各组电磁阀的开关，实现整机各个执行机构的动作。
60.如图1所示，第一滑移机构5可以实现夹持第一臂9沿机身长度方向调整移动，具体包括第一滑移油缸、第一轨道和第一滑块，第一轨道和第一滑块形成轨道滑块机构，第一轨道固定在安装平台4上，第一滑块固定在回转台8下方，第一滑移油缸与第一滑块连接，当需要将机械臂1在水平方向移动时，第一滑移油缸带动第一滑块在第一轨道上滑动。
61.如图2所示，操作平台7包括吊篮14、升降机构和第二滑移机构5，可以实现吊篮14高度方向升降及宽度方向轨道上的滑移，方便工人根据实际需求，调整操作位置。
62.第二滑移机构5包括第二滑移油缸16、第二轨道17和第二滑块，第二轨道17与第一轨道的铺设方向互相垂直；第二轨道17和第二滑块形成轨道滑块机构，第二轨道17固定在安装平台4上，第二滑块固定在回转台8下方，第二滑移油缸16与第二滑块连接，当需要将操作平台7在水平方向移动时，第二滑移油缸16带动第二滑块在第二轨道17上滑动。
63.升降机构包括升降油缸15和固定件，升降油缸15的底部固定在第二滑块上，顶部通过固定件与吊篮14固定连接。
64.吊篮14配置有手摇式回转机构18，可以实现吊篮14绕手摇把中心回转调节。
65.如图1所示，安装平台4周围水平方向连接有4个支撑油缸19，支撑油缸19可以在整机宽度方向沿轨道自动伸出；在安装平台4下方设有四个伸缩支撑机构22，沿高度方向自动上下支撑。
66.支撑油缸19与伸缩支撑机构22连接，两者协同配合，增加整机的支撑面积，提高整机的稳定性，防止工作时整机倾覆。
67.如图5所示，将管道21安装机器人设备行驶至巷道20指定位置后，伸出伸缩支撑机构22，稳定机身。分别通过调整一级油缸23、二级油缸24、三级油缸25、四级油缸26，将管道21举升至巷道20顶部，然后通过螺旋式摆动油缸11和柔性头12及夹持爪13调整管道21的位姿，对准连接法兰27上的螺栓孔。施工人员站在可上下升降的吊篮14内，进行管道连接法兰27上的对接螺栓的紧固工作。
68.施工过程中，工人通过手持式遥控器上的控制按钮，可以控制机器人的所有油缸及马达功能动作，包括整机行走、机械臂1升降、操作平台7升降、管道21抓取等。
69.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种煤矿用管道安装机器人，其特征在于，包括机械臂(1)、履带行走机构(3)、安装平台(4)和操作平台(7)；安装平台(4)设置在履带行走机构(3)上方，机械臂(1)底部设有回转台(8)，回转台(8)下方设有第一滑移机构(5)，第一滑移机构(5)设置在安装平台(4)上；操作平台(7)连接在安装平台(4)上；在机械臂(1)末端连接有夹持爪(13)，夹持爪(13)由两个对称的夹持件连接而成，夹持件内表面为圆弧面，形成用于夹持待安装管道(21)的弧槽；夹持爪(13)的连接端通过柔性头(12)和螺旋式摆动油缸(11)与机械臂(1)末端连接；操作平台(7)包括吊篮(14)，及与吊篮(14)连接的升降机构和第二滑移机构(5)。2.根据权利要求1所述的一种煤矿用管道安装机器人，其特征在于，第一滑移机构(5)包括第一滑移油缸、第一轨道和第一滑块，第一轨道和第一滑块形成轨道滑块机构，第一轨道固定在安装平台(4)上，第一滑块固定在回转台(8)下方，第一滑移油缸与第一滑块连接，当需要将机械臂(1)在水平方向移动时，第一滑移油缸带动第一滑块在第一轨道上滑动。3.根据权利要求1所述的一种煤矿用管道安装机器人，其特征在于，第二滑移机构(5)包括第二滑移油缸(16)、第二轨道(17)和第二滑块，第二轨道(17)与第一轨道的铺设方向互相垂直；第二轨道(17)和第二滑块形成轨道滑块机构，第二轨道(17)固定在安装平台(4)上，第二滑块固定在回转台(8)下方，第二滑移油缸(16)与第二滑块连接，当需要将操作平台(7)在水平方向移动时，第二滑移油缸(16)带动第二滑块在第二轨道(17)上滑动。4.根据权利要求1所述的一种煤矿用管道安装机器人，其特征在于，升降机构包括升降油缸(15)和固定件，升降油缸(15)的底部固定在第二滑移机构(5)上，顶部通过固定件与吊篮(14)固定连接。5.根据权利要求1所述的一种煤矿用管道安装机器人，其特征在于，机械臂(1)包括由下至上依次铰接的第一臂(9)、第二臂及第三臂，第一臂(9)的末端与回转台(8)之间连接有一级油缸(23)，第二臂的末端与回转台(8)之间连接有二级油缸(24)，第二臂和第三臂之间连接有三级油缸(25)；螺旋式摆动油缸(11)与机械臂(1)的末端通过连接件连接，连接件与第三臂末端铰接，连接件与第三臂的起始端连接有四级油缸(26)。6.根据权利要求1所述的一种煤矿用管道安装机器人，其特征在于，柔性头(12)包括依次连接的第一连接板(31)、限位板(30)、压盖(33)和第二连接板(32)，在第二连接板(32)和压盖(33)内开有弧形腔体，弧形腔体共同形成用于容纳球形铰接头(29)的空间，夹持爪(13)的连接端安装在球形铰接头(29)内，第一连接板(31)与螺旋式摆动油缸(11)通过螺栓相连。7.根据权利要求1所述的一种煤矿用管道安装机器人，其特征在于，操作平台(7)配置有手摇式回转机构(18)，用于实现吊篮(14)绕手摇把中心回转调节。8.根据权利要求1所述的一种煤矿用管道安装机器人，其特征在于，夹持爪(13)包括两个对称设置的夹持壳体(38)，两夹持壳体(38)通过销轴(35)铰接在连接板上，在每个夹持壳体(38)的闭口侧均连接有夹紧油缸(36)；在每个夹持壳体(38)上还设有自旋转油缸(37)、滑动轨道(39)和滑块(28)，将管道
(21)夹紧后，通过自旋转油缸(37)伸出作用，推动滑块(28)在滑动轨道(39)内滑动，实现管道(21)围绕圆心位置的原地自旋转功能。9.根据权利要求1所述的一种煤矿用管道安装机器人，其特征在于，在安装平台(4)下方设有四个伸缩支撑机构(22)，分别位于安装平台(4)的四角位置；伸缩支撑机构(22)末端连接有支撑油缸(19)，支撑油缸(19)水平设置，用于带动伸缩支撑机构(22)沿宽度方向向外伸出。10.基于权利要求1-9所述煤矿用管道安装机器人的工作方法，其特征在于，包括以下过程：将管道(21)安装机器人行驶至巷道(20)指定位置后，伸出伸缩支撑机构(22)，稳定机身；通过夹持爪(13)夹紧管道(21)，机械臂(1)将管道(21)举升至巷道(20)顶部，然后通过螺旋式摆动油缸(11)和柔性头(12)及夹持爪(13)调整管道(21)的位姿，对准连接法兰(27)上的螺栓孔；施工人员站在吊篮(14)内，通过升降机构和第二滑移机构(5)调节吊篮(14)的位置，将施工人员移动至安装位置处，进行连接法兰(27)上的对接螺栓的紧固工作。

技术总结
本发明涉及煤矿井下巷道及金属矿山巷道管道安装施工领域，涉及一种煤矿用管道安装机器人，包括机械臂、履带行走机构、安装平台和操作平台；安装平台设置在履带行走机构上方，机械臂底部设有回转台，回转台下方设有第一滑移机构，第一滑移机构设置在安装平台上；操作平台连接在安装平台上；在机械臂末端连接有夹持爪，夹持爪由两个对称的夹持件连接而成，夹持件形成用于夹持待安装管道的弧槽；夹持爪的连接端通过柔性头和螺旋式摆动油缸与机械臂末端连接；操作平台包括吊篮，及与吊篮连接的升降机构和第二滑移机构。本发明可以在煤矿巷道有限空间内实现管道的自动抓取举升，大大降低巷道管道安装过程中工人的劳动强度，提高施工效率。效率。效率。


技术研发人员：曹红旭 李彬 张元振 白哲 申晓龙
受保护的技术使用者：渭南陕煤启辰科技有限公司
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/13