一种磨砂射流轴向切顶钻杆推送安装装置与智能控制方法与流程

本发明涉及，尤其涉及一种磨砂射流轴向切顶钻杆推送安装装置与智能控制方法。

背景技术：

1、在煤矿冲击地压、强矿压等灾害防治方面，现广泛应用井下定向钻孔顶板分段水力压裂、浅孔顶板分段水力压裂、顶板孔内磨砂射流轴向切缝压裂技术等技术。

2、实现以上的技术应用需采用煤矿液压钻机进行顶板钻孔，其中钻杆的安装是一个关键环节。但钻杆通常具有较大的重量和长度，传统安装方式多依赖人工搬运，存在效率低下、劳动强度高、安全性差等问题。

3、尤其是在井下狭窄及复杂的工作环境中，钻杆的精准推送和角度调整尤为困难。操作人员需要频繁调整钻杆的位置和倾角，以匹配钻杆设备接口，这一过程既耗时耗力，又容易因钻杆滑动或下坠导致安全事故。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、为达到上述目的，本发明提出了一种磨砂射流轴向切顶钻杆推送安装装置，包括承载平台，承载平台设有用于承载钻杆的钻杆仓，所述钻杆仓一侧设有用于抓取钻杆并进行安装的钻杆推送组件，所述承载平台下方设有行走组件；

3、所述钻杆推送组件包括用于从钻杆仓中抓取钻杆的推送机械臂，所述承载平台上设置有用于控制推送机械臂的液压操纵总成；

4、所述推送机械臂夹持钻杆的末端设置有红外激光修正仪，钻孔中配合所述红外激光修正仪设置有红外激光接收器；

5、所述液压操纵总成、所述红外激光修正仪以及红外激光接收器均电连接或通信连接有控制中枢。

6、本发明通过承载平台集成钻杆仓和钻杆推送组件，利用推送机械臂自动抓取和安装钻杆，替代了传统的人工搬运和对接操作，显著降低了劳动强度和安全风险。行走组件使装置能够在井下巷道中自主移动，适应多点位施工需求。通过设置红外激光修正仪与钻孔内红外激光接收器的配合，可实时获取钻孔实际施工参数，为推送机械臂的精准定位提供反馈数据。液压操纵总成与控制中枢的联动控制，实现了钻杆安装过程的全流程自动化操作，有效提高了安装效率和定位精度。

7、可选地，所述推送机械臂包括液压回转支撑、主臂旋转支撑、主支臂、副臂转动支撑、副支臂、旋转液压盘、旋转支撑短接、伸缩支臂以及液压钻杆夹具；

8、所述液压回转支撑设置于所述承载平台上，用于实现主臂旋转支撑的水平方向转动；

9、所述主支臂通过所述主臂旋转支撑与所述液压回转支撑转动连接；

10、所述主支臂远离所述主臂旋转支撑一端通过副臂转动支撑转动连接有副支臂；

11、所述旋转支撑短接与所述副支臂远离所述主支臂一端通过所述旋转液压盘转动连接；

12、所述伸缩支臂与所述旋转支撑短接的末端固定连接；

13、所述液压钻杆夹具固定设置于所述伸缩支臂的末端。

14、进一步地，所述行走组件设置为履带行走机构。

15、进一步地，所述主支臂的顶端设置有感知组件，所述感知组件与所述控制中枢电连接或通信连接；所述感知组件包括高清摄像头以及激光雷达；

16、所述感知组件被配置为获取行走路径上的图像信息以及施工现场的空间信息。

17、本发明还提供一种磨砂射流轴向切顶钻杆推送安装装置的智能控制方法，将推送机械臂的各个关节点简化为a、b、c、d、e，其中，a、b、c点依次为主臂旋转支撑、副臂旋转支撑以及旋转支撑短接，cd段为伸缩支臂、de段为钻杆，布置在钻孔开口处为h点，钻孔远端任意一点为i点，a点在空间坐标系z轴方向远端任意一点为f点，h点在a点所在水平面的投影为g点；具体包括以下步骤：

18、s1、对施工现场进行扫描，构建施工现场的三维点云地图，并在该地图内建立空间坐标系；

19、s2、根据钻孔设计参数，确定钻孔的设计空间直线的参数方程，并求解钻孔设计空间直线与ag所在水平面的交点，将该交点作为初始移动目标点j1，控制装置行走至初始目标点位j1；

20、s3、通过红外激光修正仪与红外激光接收器配合，获取钻孔实际施工参数，并根据获取的钻孔实际施工参数，确定钻孔的实际空间直线的参数方程，在空间坐标系中求解钻孔实际空间直线与ag所在平面的交点，将该交点作为修正目标点位j2，控制装置行走至修正目标点位j2，并根据钻孔实际施工参数，对推送机械臂的几何位姿进行同步修正，保证a、b、c、d、e点与实际钻孔均处于同一竖直平面内；

21、s4、以保持a、c、d、e点始终位于实际施工钻孔h、i点位于同一直线上为前提，通过调整a、b、c、点的转动角度控制a、c两点的间距，从而减小e、h两点之间的间距，完成钻杆的推送动作；

22、s5、当e点与h点之间的距离达到预设阈值时，启动cd段推送功能以及液压旋转盘的旋转功能，将钻杆连接并拧紧。

23、进一步地，所述s1中，建立空间坐标系时，以磨砂射流轴向切顶施工巷道走向为y轴，倾向为x轴，垂向为z轴建立空间直角坐标系；

24、若在辅运巷进行施工，则以开切巷位置工作面所在平面、回采帮所在平面、巷道底板所在平面三个平面的交点位置为零点；

25、若在皮带巷进行施工，则以开切巷位置工作面所在平面、煤柱帮所在平面、巷道底板所在平面三个平面的交点位置为零点。

26、进一步地，所述s2中，钻孔的设计空间直线的参数方程为：

27、；

28、式中：

29、t为参数变量；

30、x0，y0，z0为钻孔设计开孔位置坐标，根据钻孔设计及钻孔走向位置确定；

31、m、n、p为钻孔所在直线分别在x、y、z方向的梯度，由钻孔的设计仰角α和设计偏角β确定，其中，钻孔设计仰角α为钻孔所在直线与水平面的夹角，钻孔设计偏角β为钻孔所在直线水平投影与x轴的夹角。

32、进一步地，所述m、n、p根据钻孔设计仰角α和设计偏角β确定的计算具体如下：

33、m=cosα*cosβ；

34、n=cosα*sinβ；

35、p=sinα。

36、进一步地，所述s2中，钻孔的设计空间直线与ag所在水平面的交点通过下式求解：

37、；

38、式中，x1、y1、z1为钻孔所在空间直线与ag所在水平面的交点j1的坐标；

39、z1为ag所在平面距离巷道底板的高度，根据测量液压回转支撑轴心距离底板高度获得。

40、进一步地，所述s3中，钻孔的实际空间直线的参数方程为：

41、；

42、式中：

43、t1为参数变量；

44、x2，y2，z2为钻孔设计开孔位置坐标，根据钻孔设计及钻孔走向位置确定；

45、m1、n1、p1为钻孔所在直线分别在x、y、z方向的梯度，由钻孔的实际仰角α1和实际偏角β1确定；其中，钻孔实际仰角α1为钻孔所在直线与水平面的夹角，钻孔实际偏角β1为钻孔所在直线水平投影与x轴的夹角。

46、进一步地，所述m1、n1、p1据钻孔设计仰角α和设计偏角β确定的计算具体如下：

47、m1=cosα1*cosβ1；

48、n1=cosα1*sinβ1；

49、p1=sinα1。

50、进一步地，所述s3中，钻孔的实际空间直线与ag所在水平面的交点通过下式求解：

51、；

52、式中，x3、y3、z3为钻孔实际空间直线与ag所在水平面的交点j2的坐标；

53、z3为ag所在平面距离巷道底板的高度，根据测量液压回转支撑轴心距离底板高度获得。

54、进一步地，对推送机械臂的几何位姿进行同步修正时，通过控制液压回转支撑旋转至β1，以使a、b、c、d、e点与实际钻孔均处于同一竖直平面内。

55、进一步地，所述s4中，具体包括如下步骤：

56、s41、发出指令使a、c两点位于直线hi上，保持ab段不动，使c点落在直线hi上，以使a、c、d、e均在直线hi上；

57、s42、保持a、c、d、e均在直线hi上，调整a、b两点的旋转角度，使e点向h点靠近。

58、进一步地，所述s41中，为使a、c、d、e均在直线hi上，假设此时∠gab为λ，则∠cab=λ-α1，lbc为机械臂bc段的长度，lab为机械臂ab段的长度，为保证ac位于直线hi上，三角形abc中各个角应该满足以下关系：

59、；

60、可得∠abc、∠bcd在s41步骤中的调整规则如下：

61、；

62、；

63、。

64、进一步地，所述s42中，通过调整a、c之间的距离来调整e、h之间的距离，调整a、c之间的距离且保证a、c、d、e在直线hi上需满足以下关系：

65、；

66、。

67、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

68、本发明具有以下有益效果：

69、1、本发明通过在推送机械臂夹持钻杆的末端设置红外激光修正仪，并在钻孔中配合设置红外激光接收器，能够实时检测钻孔的实际角度参数，实现了对设计参数与实际施工参数之间偏差的自动识别和补偿，有效消除了设备安装误差、巷道底板不平整、人为操作误差等因素对定位精度的影响，显著提高了钻杆推送的定位精度；

70、2、本发明通过液压控制总成与控制中枢的电连接或通信连接，实现了对推送机械臂各关节的集中自动化控制，配合红外激光修正仪的检测数据进行闭环控制，无需人工干预即可完成钻杆从抓取、定位到推送安装的全流程作业，有效降低了操作人员的劳动强度，提高了施工效率和作业安全性；

71、3、本发明通过构建三维空间坐标系，将钻孔设计参数转化为空间直线方程，结合红外激光修正仪检测的实际钻孔参数，实现了推送装置位置的量化计算和精确控制，避免了依靠机械限位进行粗略定位的弊端；

72、4、本发明通过控制中枢基于空间几何关系精确计算推送机械臂各关节的调整角度，能够将钻杆末端与钻孔孔口的距离控制在预设阈值范围内，为钻杆连接和推送作业提供了精确的位姿保障；

73、5、本发明通过在主支臂的顶端设置包括高清摄像头和激光雷达的感知组件，能够获取行走路径上的图像信息以及施工现场的空间信息，在装置行走过程中实现自主避障和路径规划，进一步提高了装置在井下复杂环境中的通过性和作业安全性。