一种六轴串联机械手柔顺加卸钻杆系统及加卸钻杆方法与流程

1.本发明属于煤矿井下钻探装备领域，涉及一种六轴串联机械手柔顺加卸钻杆系统及加卸钻杆方法。


背景技术：

2.面对以信息化、智能化为特征的新一轮能源科技革命，为实现井下“机械化换人、自动化减人、智能化无人”的目标，减人增效驱动技术创新，发展智能钻探技术装备是大势所趋。作为煤矿安全领域关键装备——钻机，其自动化程度的提升，显得尤为重要。煤矿钻机应用六轴串联机械手进行钻杆加卸，这种基于刚性关节的机械手容易产生刚性碰撞，机械手末端微小的位置偏差都可能导致巨大的接触力，容易对机械手造成伤害，煤矿钻机用机械手、钻杆箱、主机位于钻机履带车体平台上，用于钻孔施工时钻杆存放、加卸钻杆，需便于钻杆存放和抓取，而现有技术存在以下缺点：机械手装卸钻杆的过程需要二次定位，影响加杆效率；钻杆箱容量小，不能满足一口井所需钻杆的用量；钻杆排列时，列与列之间需要一定间隙，以满足钻杆抓取条件。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种六轴串联机械手柔顺加卸钻杆系统及加卸钻杆方法，克服现有技术中存在的刚性机械手在装卸钻杆时受到反力抱死及机械手加卸钻杆的过程需要二次定位等问题。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
5.一种六轴串联机械手柔顺加卸钻杆系统，包括三自由度主机、杆箱、位于三自由度主机和杆箱之间的六轴串联机械手以及六轴串联机械手末端的钻杆抓取柔顺构件；所述三自由度主机包括给进机身、卸扣器和前夹持器、后夹持器、动力头、给进油缸、拖板、平移油缸、平移卡板、给进位移传感器组件、平移位移传感器组件、变幅稳固装置；所述变幅稳固装置通过举升油缸安装在履带车体平台上，变幅稳固装置的回转支撑连接给进机身一侧；所述平移油缸平移、变幅稳固装置的举升油缸举升及回转支撑旋转能实现主机三个自由度的调节；所述杆箱包括箱体支架、钻杆限位架、挡杆、垫板、前仓门、挡板组件和后仓门；杆箱具有多层、多列容纳钻杆的空间，并通过调整侧面垫板和底面钻杆限位架能适应不同直径的钻杆；所述六轴串联机械手包括底座、臂体和伺服电机；臂体在底座上的旋转角度范围-180
°
～ 180
°
，伺服电机能控制臂体顺序或同步动作，实现末端位置的变化，用于将钻杆从杆箱中抓取到三自由度主机的钻杆放置位置；所述钻杆抓取柔顺构件包括n形架、安装在n形架上的第一油缸、位于第一油缸下方的柔性件和齿轮齿条组以及手爪，还包括弹性组件、接近开关、磁铁和磁性开关组件；所述第一油缸能推动齿轮齿条组带动手爪打开与闭合以抓取钻杆。
6.本发明还包括如下技术特征：
7.具体的，所述三自由度主机的卸扣器和前夹持器以及后夹持器螺接在给进机身的
安装板上，并与动力头配合实现钻杆的自动装卸；动力头与拖板通过销轴连接，拖板与给进油缸的缸筒连接并随给进油缸的缸筒运动，动力头与拖板随着给进油缸的伸出与缩回在给进机身上滑移，实现钻机的下钻与起钻；给进油缸一端连接在给进机身前端，另一端固定在给进机身后端；给进位移传感器组件一端固定在给进机身上，另一端固定在拖板上，实时检测及反馈给进油缸的行程位置；平移油缸一端铰接在给进机身前端，另一端铰接在给进机身后端，缸筒与平移卡板连接，通过平移油缸的伸缩带动给进机身前后移动，调节给进机身与钻孔孔口距离；平移位移传感器组件一端固定在给进机身上，另一端固定在平移卡板上，检测及反馈平移油缸的平移量。
8.具体的，所述变幅稳固装置包括立柱油缸滑轨组件、回转支撑、编码器、举升油缸、举升位移传感器组件、立柱下稳固组件和旋转式上稳固组件；
9.所述立柱油缸滑轨组件套装在两个立柱下稳固组件上，立柱油缸滑轨组件的前壁安装回转支撑，回转支撑与给进机身之间通过l形支撑板连接，回转支撑的旋转涡轮能带动l形支撑板及给进机身转动；回转支撑内装有制动件，制动件能对旋转涡轮进行液力制动锁死；编码器通过安装座连接在制动件上，编码器的内轴通过传动轴与l形支撑板连接，实现对钻孔倾角的直接测量；
10.所述举升油缸下端螺接在履带车体平台上，举升油缸上端与立柱油缸滑轨组件的后壁螺接，通过举升油缸的伸缩使给进机身沿立柱油缸运动，实现钻机开孔高度调节；
11.所述举升位移传感器组件一端螺接在立柱油缸滑轨组件上，另一端螺接在履带车体平台上，用以检测及反馈举升油缸的位移量。
12.具体的，所述立柱下稳固组件有两个且相互平行，立柱下稳固组件包括下立柱及其内部下方的下顶液压油缸，该下顶液压油缸的活塞杆内设有位移传感器；
13.所述旋转式上稳固组件有两个且均与立柱下稳固组件平行，旋转式上稳固组件通过其下部的旋转套与立柱下稳固组件连接，旋转式上稳固组件包括上立柱及其内部上方的上顶液压油缸，在旋转式上稳固组件下端设有限位销；运输时旋转式上稳固组件利用限位销与履带车体平台固定，使上稳固组件收回，与车体宽度保持一致；
14.在施工稳固状态时，拔出限位销将两个旋转式上稳固组件均向外旋转90
°
至车体外即立柱下稳固组件两侧以增大稳固间距，提高稳固可靠性；运输时旋转式上稳固组件的上顶液压油缸活塞杆向上和立柱下稳固组件的下顶液压油缸活塞杆向下分别伸出，对钻机进行稳固操作。
15.具体的，所述杆箱的箱体支架包括方形底架和四角位置的四个侧板，方形底架包括两条相互平行的侧梁和两条相互平行的端梁，每条侧梁上设有两个竖向的所述侧板以围挡钻杆；钻杆限位架有两个且相互平行并均垂直连接在两个侧梁之间，钻杆限位架上设有等间距排布的弧形槽以码放钻杆保证钻杆按照固定的间距码放排列，钻杆垂直于钻杆限位架放置；挡杆可拆卸设在两个相对的侧板之间并与钻杆限位架平行以防止整箱钻杆运输时震动引起钻杆掉落，钻机工作时将挡杆拆除放到箱体支架后的两组支座通孔内；垫板螺接在侧板上，通过调整垫板厚度及更换钻杆限位架可满足不同直径钻杆并适应不同形式的手抓；前仓门和后仓门平行相对且分别设在两个端梁上方的两个侧板之间，前仓门与挡板组件螺接在一起后再螺接到两个平行相对的侧板上，在钻机工作时从箱体支架上拆除，用以限定钻杆箱内钻杆在钻机行走时轴向限位。
16.具体的，所述六轴串联机械手的臂体能以底座为中心水平转动，底座设有0基准；臂体包括依次相连的肩部、大臂、小臂和手腕，肩部下端与底座连接，肩部上端通过伺服电机控制的肩关节与大臂一端连接，大臂另一端通过伺服电机控制的肘关节与小臂一端连接，小臂另一端通过伺服电机控制的腕关节与手腕上部连接，手腕下端连接钻杆抓取柔顺构件。
17.具体的，所述钻杆抓取柔顺构件的第一油缸贯穿并安装在n形架的顶板上，第一油缸下端安装柔性件，柔性件的中间轴下部与齿轮齿条组相连；齿轮齿条组包括齿条、安装轴和齿轮；齿条与柔性件的中间轴相连，齿轮套在安装轴上，安装轴设在n形架的两个侧板之间；在安装轴上还设有两个所述手爪以通过第一油缸推动齿轮齿条组运动能实现手爪的开合；磁性开关组件和磁铁安装在n形架下方的两个手爪之间，磁性开关组件中的油缸能控制磁铁是否带有磁性；弹性组件连在磁铁上端和n形架侧壁外之间。
18.具体的，所述柔性件包括连接壳体、弹簧、斜楔、关节轴承、上壳体、滑块、下壳体、弹性元件、连接盘和中间轴；
19.所述连接壳体和上壳体之间以及上壳体和下壳体之间均通过螺栓连接；弹簧安装在连接壳体内壁顶部凸起和斜楔上端之间，斜楔安装在上壳体的滑槽内，斜楔下端斜面与滑块的一端的斜面接触且滑块安装在下壳体内上平面上；关节轴承安装在滑块内，关节轴承的外圈与滑块固定，内圈与中间轴一端配合，中间轴的另一端与齿轮齿条组连接；弹性元件通过螺钉固定在连接盘和下壳体内上平面之间，连接盘连在中间轴和弹性元件之间，使中间轴可绕滑块摆动扭动。
20.一种所述的六轴串联机械手柔顺加卸钻杆系统的加卸钻杆方法，该方法的加杆过程包括以下步骤：
21.步骤a1：初始化六轴串联机械手和三自由度主机，六轴串联机械手、三自由度主机均回到标定零点，卸扣器闭合、后夹持器张开，动力头回到标定位置；
22.步骤a2：防爆遥控器给三自由度主机输入施工目标孔参数；
23.步骤a3：三自由度主机按计算结果运动到指定位置，并将坐标位置反馈给控制器；
24.步骤a4：防爆遥控器发送加杆指令给三自由度主机和六轴串联机械手；
25.步骤a5：三自由度主机等待加杆，六轴串联机械手及其末端的钻杆抓取柔顺构件取杆；
26.步骤a6：六轴串联机械手根据三自由度主机反馈的坐标值，抓取钻杆放入夹持器设定位置；
27.步骤a7：夹持器夹紧，并发送信息给钻杆抓取柔顺构件控制手爪松开；
28.步骤a8：六轴串联机械手运动到指定安全位置，并发送信息给三自由度主机；
29.步骤a9：动力头回转给进至压力达到设定值；
30.步骤a10：通过压力突变判断上扣完成，夹持器松开；
31.步骤a11：动力头回转给进至压力达到设定值；
32.步骤a12：通过压力突变判断上扣完成，卸扣器松开，完成加杆。
33.一种所述的六轴串联机械手柔顺加卸钻杆系统的加卸钻杆方法，该方法的卸杆过程包括以下步骤：
34.步骤b1：六轴串联机械手初始化，同时检测三自由度主机状态，在主动钻杆与钻杆
分离、前夹持器夹住钻杆闭合、后夹持器张开的待卸杆状态；
35.步骤b2：动力头给进至标定位置，上后端扣；
36.步骤b3：动力头回转给进，通过压力突变判断上扣完毕后，前夹持器松开；
37.步骤b4：动力头起拔至标定位置，前夹持器夹紧，卸前端扣；
38.步骤b5：动力头回转起拔，通过压力突变判断卸扣完毕后，动力头起拔至标定位置；
39.步骤b6：后夹持器夹紧，卸后端扣；
40.步骤b7：动力头回转起拔，通过压力突变判断卸扣完毕后，动力头起拔至标定位置，发送当前位置坐标给主控制器，同时给六轴串联机械手发送等待卸杆信号；
41.步骤b8：六轴串联机械手及其末端钻杆抓取柔顺构件夹紧钻杆，后夹持器松开，六轴串联机械手将钻杆放入杆箱设定位置，在此过程中六轴串联机械手运动到指定安全位置时发送信息给三自由度主机。
42.本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
43.本发明提供了一种六轴串联机械手及末端钻杆抓取柔顺构件、匹配其码垛程序的大容量钻杆箱，六轴串联机械手从钻杆箱中直接抓取钻杆送到主机指定位置，不需要二次定位和精确定位，简化了加杆流程，提高了加杆效率。
44.本发明末端钻杆抓取柔顺构件可实现多自由度和多方向的柔顺控制，在钻杆装卸过程中起到一定缓冲作用，可使机械臂不受反力，起到保护机械臂的作用，提高其工作寿命；末端钻杆抓取柔顺构件的磁性抓取件可直接从码垛排列的钻杆箱中取杆，有效的减少钻杆之间排列间隙，减小了钻杆箱的宽度、高度尺寸。
45.本发明三自由度主机施工时，稳固油缸可旋转至履带车体两侧，增大稳固间距，提高稳固可靠性，同时更易于机械手抓着钻杆从两个稳固立柱之间穿过；运输时稳固油缸可收回至与车体宽度保持一致，有效的减小了履带车体宽度。
46.本发明钻杆箱中钻杆采用码垛排布，依靠最下端的钻杆限位板实现钻杆的码垛，可保证钻杆按照固定的间距排列；也可通过更换零件适应不同直径规格钻杆，可满足不同钻孔直径的施工需求；同时大容量钻杆箱还可满足煤矿井下一个钻孔的施工要求，为全自动钻进施工提供了保障；并通过在钻杆箱上做行列标识，停机后开机时操作人员在遥控器上输入当前钻杆对应的行列则可直接进入钻机工作模式不需要巡检当前钻杆位置，减少钻机钻孔施工准备时间，提高效率；在提高钻机施工安全性、钻孔效率和降低劳动强度的同时，更促进了钻探装备技术自动化、智能化的发展。
附图说明
47.图1是本发明安装在履带车体上的整体结构示意图；
48.图2是本发明抓杆示意图；
49.图3是本发明三自由度主机结构示意图；
50.图4是本发明变幅稳固装置结构示意图；
51.图5是本发明杆箱结构示意图；
52.图6是本发明六轴串联机械手及其末端钻杆抓取柔顺构件结构示意图；
53.图7是本发明钻杆抓取柔顺构件示意图，(a)为手爪闭合，(b)为手爪张开；
54.图8是本发明柔性件结构示意图；
55.图9是本发明给进位移传感器组件示意图；
56.图10是履带车体结构示意图；
57.图11是本发明系统安装在履带车体上组成的一体式钻孔机器人结构示意图；
58.附图标号含义：
59.1.三自由度主机，2.履带车体，3.压力表组件，4.阀组，5.杆箱，6.油箱总装，7.冷却器总装，8.矿用隔爆型急停按钮，9.电机泵组，10.主控制器，11.六轴串联机械手，12.钻杆抓取柔顺构件；13.给进机身，14.卸扣器和前夹持器，15.后夹持器，16.变幅稳固装置，17.动力头，18.给进油缸，19.拖板，20.平移油缸，21.平移卡板，22.给进位移传感器组件，23.平移位移传感器组件；24.回转支撑，25.编码器，26.举升位移传感器组件，27.举升油缸，28.立柱油缸滑轨组件，29.立柱下稳固组件，30.旋转式上稳固组件；31.履带车体平台，32.行走履带总成，33.矿用本安双轴倾角传感器，34.吊装索具，35.操纵台阀组，36.压力变送器组件，37.接线盒组件；38.箱体支架，39.钻杆限位架，40.挡杆，41.垫板，42.前仓门，43.挡板组件，44.后仓门；45.底座，46.臂体，47.伺服电机；48.第一油缸，49.n形架，50.齿轮齿条组，51.柔性件，52.弹性组件，53.接近开关，54.磁铁，55.手爪，56.磁性开关组件；57.连接壳体，58.弹簧，59.斜楔，60.关节轴承，61.上壳体，62.滑块，63.下壳体，64.弹性元件，65.连接盘，66.中间轴。
具体实施方式
60.以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
61.实施例1：
62.本实施例提供一种六轴串联机械手柔顺加卸钻杆系统，如图1至图9所示，包括三自由度主机1、杆箱5、位于三自由度主机1和杆箱5之间的六轴串联机械手11以及六轴串联机械手11末端的钻杆抓取柔顺构件12；三自由度主机1包括给进机身13、卸扣器和前夹持器14、后夹持器15、动力头17、给进油缸18、拖板19、平移油缸20、平移卡板21、给进位移传感器组件22、平移位移传感器组件23、变幅稳固装置16；变幅稳固装置16通过举升油缸27安装在履带车体平台31上，变幅稳固装置16的回转支撑24连接给进机身13一侧；平移油缸20平移、变幅稳固装置16的举升油缸27举升及回转支撑24旋转能实现主机三个自由度的调节；杆箱5包括箱体支架38、钻杆限位架39、挡杆40、垫板41、前仓门42、挡板组件43和后仓门44；杆箱5具有多层、多列容纳钻杆的空间，并通过调整侧面垫板41和底面钻杆限位架39能适应不同直径的钻杆；六轴串联机械手11包括底座45、臂体46和伺服电机47；臂体46在底座45上的旋转角度范围-180
°
～ 180
°
，伺服电机47能控制臂体46顺序或同步动作，实现末端位置的变化，用于将钻杆从杆箱5中抓取到三自由度主机1的钻杆放置位置；钻杆抓取柔顺构件12包括第一油缸48、n形架49、齿轮齿条组50、柔性件51、弹性组件52、接近开关53、磁铁54、手爪55和磁性开关组件56；第一油缸能推动齿轮齿条组带动手爪打开与闭合以抓取钻杆。
63.加卸钻杆系统中，六轴串联机械手11可满足加卸钻杆所需的臂展和末端负载，通过控制实现三自由度主机1工作空间内加卸钻杆；钻杆抓取柔顺构件12是一种结构简单、适用性强、用于煤矿机器人抓取钻杆时多方向被动柔顺装置，保护刚性机械臂；杆箱5具有多
层、多列容纳钻杆的空间，并通过调整能适应不同直径的钻杆；通过应用多机器人协作控制技术与柔顺控制技术，实现了机器人加卸钻杆。通过控制六轴串联机械手11和钻杆抓取柔顺构件12，完成从杆箱5与三自由度主机1之间的加卸钻杆任务；由于各部件是安装在同一车体平台上，则六轴串联机械手11与杆箱5和三自由度主机1之间的距离是相对固定的；调试时对机械手标零，三自由度主机1标零，并测出钻杆箱5与机械手之间、零点主机与机械手的相对坐标值，在工作中，三自由度主机1坐标值的变化通过主机上的三个传感器传递给控制器，则控制器发送命令给机械手，机械手把钻杆送入指定位置；机械手从钻杆箱5抓取钻杆时，因为钻杆是按照固定行距和列距排列的，每次会根据上一次的坐标值通过码垛算法计算出当前的抓取坐标值，从而能准确的抓取；并在指定的装卸钻杆次数内，应用均值法得到误差均值，并自动补偿。
64.三自由度主机1的卸扣器和前夹持器14以及后夹持器15螺接在给进机身13的安装板上，并与动力头17配合实现钻杆的自动装卸；动力头17与拖板19通过销轴连接，拖板19与给进油缸18的缸筒连接并随给进油缸18的缸筒运动，动力头17与拖板19随着给进油缸18的伸出与缩回在给进机身13上滑移，实现钻机的下钻与起钻；动力头17后端盖装有转速传感器，用于实时检测回转速度；给进油缸18一端连接在给进机身13前端，另一端固定在给进机身13后端；给进位移传感器组件22一端固定在给进机身13上，另一端固定在拖板19上，实时检测及反馈给进油缸18的行程位置；双作用平移油缸20一端铰接在给进机身13前端，另一端铰接在给进机身13后端，缸筒与平移卡板21连接，通过平移油缸20的伸缩带动给进机身13前后移动，调节给进机身13与钻孔孔口距离；平移位移传感器组件23一端固定在给进机身13上，另一端固定在平移卡板21上，检测及反馈平移油缸20的平移量；变幅稳固装置16通过举升油缸27安装在履带车体平台31上，变幅稳固装置16的回转支撑24连接给进机身13一侧；平移油缸20平移、变幅稳固装置16的举升油缸27举升及回转支撑24旋转能实现主机三个自由度的调节。
65.变幅稳固装置16包括立柱油缸滑轨组件28、回转支撑24、编码器25、举升油缸27、举升位移传感器组件26、立柱下稳固组件29和旋转式上稳固组件30；
66.立柱油缸滑轨组件28套装在两个立柱下稳固组件29上，立柱油缸滑轨组件28的前壁安装回转支撑24(实现给进机身13倾角调节范围-90
°
～ 90
°
，各种调节方便可靠)，回转支撑24与给进机身13之间通过l形支撑板连接，回转支撑24的旋转涡轮能带动l形支撑板及给进机身13转动；回转支撑内装有制动件，制动件能对旋转涡轮进行液力制动锁死，显著提升主机作业的稳定性和作业的安全系数；编码器25通过安装座连接在制动件上，编码器25的内轴通过传动轴与l形支撑板连接，实现对钻孔倾角的直接测量；更具体的，回转支撑24的外圈固定在立柱油缸滑轨组件28的前壁，回转支撑24的内圈旋转涡轮与l形支撑板固连，l形支撑板与给进机身13固连；编码器25的内轴与传动轴一端连接，传动轴另一端与l形支撑板连接。
67.举升油缸27下端螺接在履带车体平台31上，举升油缸27上端与立柱油缸滑轨组件28的后壁螺接，通过举升油缸27的伸缩使给进机身13沿立柱油缸运动，实现钻机开孔高度调节；
68.举升位移传感器组件26一端螺接在立柱油缸滑轨组件28上，另一端螺接在履带车体平台31上，用以检测及反馈举升油缸27的位移量；
69.立柱下稳固组件29有两个且相互平行，立柱下稳固组件29包括下立柱及其内部下方的下顶液压油缸，该下顶液压油缸的活塞杆内设有位移传感器，可实时监测钻机本体平台前端的升高量，立柱下稳固组件29内部上半部分为空心结构，在保证结构强度的前提下可以减轻该立柱本身质量，位移传感器信号线从立柱空心部分穿出至顶部端盖，立柱侧面设置有安装顶丝的通孔，用于固定位移传感器；
70.旋转式上稳固组件30有两个且均与立柱下稳固组件29平行，旋转式上稳固组件30通过其下部的旋转套与立柱下稳固组件29连接，旋转式上稳固组件30包括上立柱及其内部上方的上顶液压油缸，在旋转式上稳固组件30下端设有限位销；运输时旋转式上稳固组件30利用限位销与履带车体平台31固定，使上稳固组件收回，与车体宽度保持一致；
71.在施工稳固状态时，拔出限位销将两个旋转式上稳固组件30均向外旋转90
°
至车体外即立柱下稳固组件29两侧(通过限位块限位)，并将连接板两端销孔与旋转式上稳固组件30及车体平台销孔对齐，分别插入销轴，限制其自由度，增大稳固间距，提高稳固可靠性，同时更易于机械手抓着钻杆从两个稳固立柱之间穿过；运输时旋转式上稳固组件30的上顶液压油缸活塞杆向上和立柱下稳固组件29的下顶液压油缸活塞杆向下分别伸出，对钻机进行稳固操作，增大了上稳固之间的间距，为钻杆自动装卸系统留出了足够的空间，同时增大了下稳固范围，增大稳固区域，从而增强了钻孔施工的稳定性。
72.杆箱5的箱体支架38包括方形底架和四角位置的四个侧板，方形底架包括两条相互平行的侧梁和两条相互平行的端梁，每条侧梁上设有两个竖向的侧板以围挡钻杆；钻杆限位架39有两个且相互平行并均垂直连接在两个侧梁之间，钻杆限位架39上设有等间距排布的弧形槽以码放钻杆保证钻杆按照固定的间距码放排列，钻杆垂直于钻杆限位架39放置；挡杆40可拆卸设在两个相对的侧板之间并与钻杆限位架39平行以防止整箱钻杆运输时震动引起钻杆掉落，钻机工作时将挡杆40拆除放到箱体支架38后的两组支座通孔内；垫板41螺接在侧板上，通过调整垫板41厚度及更换钻杆限位架39可以满足不同直径钻杆，并适应不同形式的手抓；前仓门42和后仓门44平行相对且分别设在两个端梁上方的两个侧板之间，前仓门42与挡板组件43螺接在一起后再螺接到两个平行相对的侧板上，在钻机工作时从箱体支架38上拆除，用以限定钻杆箱5内钻杆在钻机行走时轴向限位。杆箱5具有多层、多列容纳钻杆的空间，并通过调整侧面垫板41和底面钻杆限位架39适应不同直径的钻杆。
73.六轴串联机械手11的臂体46能以底座45为中心水平转动，底座45设有0基准，臂体46旋转角度范围-180
°
～ 180
°
；臂体46包括依次相连的肩部、大臂、小臂和手腕，肩部下端与底座45连接，肩部上端通过伺服电机47控制的肩关节与大臂一端连接，大臂另一端通过伺服电机47控制的肘关节与小臂一端连接，小臂另一端通过伺服电机47控制的腕关节与手腕上部连接，手腕下端连接钻杆抓取柔顺构件12；六个矿用隔爆型伺服电机47用于关节部位的控制，使机械手六个串联轴顺序或同步动作，实现末端手爪55位置的变化，用于将钻杆从杆仓中抓取到主机的钻杆放置位置。防爆六自由度机械手整机防护等级为ip54，适应煤矿井下潮湿、多粉尘等复杂环境下的作业要求。
74.钻杆抓取柔顺构件12的第一油缸48安装在n形架49上，第一油缸48下端通过柔性件51连接齿轮齿条组50，齿轮齿条组50与手爪55相连，以通过第一油缸48推动齿轮齿条组50运动能实现手爪55的开合，当机器人装卸钻杆时手爪55受到x、y、z方向和绕x轴、y轴、z轴方向的力时，会产生位置偏移和角度偏移，通过柔性件51能将反力消除；磁性开关组件56和
磁铁54安装在n形架49下方的两个手爪55之间，磁性开关组件56中的油缸能控制磁铁54是否带有磁性；弹性组件52连在磁铁54上端和n形架49侧壁外之间，磁铁54在手爪55夹紧钻杆时若受到反力，则通过弹性组件52消除，对刚性机械臂起到保护作用。
75.第一油缸48贯穿并安装在n形架49的顶板上，第一油缸48下端安装柔性件51，柔性件51的中间轴66下部与齿轮齿条组50相连；齿轮齿条组50包括齿条、安装轴和齿轮；齿条与柔性件51的中间轴66相连，齿轮套在安装轴上，安装轴设在n形架49的两个侧板之间；在安装轴上还设有两个手爪55；第一油缸48能带动中间轴66驱动齿条移动，齿条带动齿轮转动从而驱动两个手爪55打开或闭合；
76.柔性件51包括连接壳体57、弹簧58、斜楔59、关节轴承60、上壳体61、滑块62、下壳体63、弹性元件64、连接盘65和中间轴66；连接壳体57和上壳体61之间以及上壳体61和下壳体63之间均通过螺栓连接，两层螺栓连接位置错开45
°
，方便装卸；弹簧58安装在连接壳体57内壁顶部凸起和斜楔59上端之间，斜楔59安装在上壳体61的滑槽内，斜楔59下端斜面与滑块62的一端的斜面接触且滑块62安装在下壳体63内上平面上，可在x轴、y轴、z轴方向平移；关节轴承60安装在滑块62内，关节轴承60的外圈与滑块62固定，内圈与中间轴66一端配合，中间轴66的另一端与齿轮齿条组50连接；弹性元件64通过螺钉固定在连接盘65和下壳体63内上平面之间，连接盘65连在中间轴66和弹性元件64之间，使中间轴66可绕滑块62摆动扭动；在机器人未受到反力时，柔性件51保持刚性；当受到外力时，通过手爪55传递到中间轴66，中间轴66会带动滑块62进行位置偏移，该位置偏移可转换为斜楔59沿滑槽方向的位移，此时弹簧58被压缩后产生竖直向下的回复力，使斜楔59和滑块62复原，从而使柔性件51在x轴、y轴、z轴方向具有柔顺性，当有角度偏移时，弹性元件64的弹性回复力使中间轴66复原，从而能使柔性件51实现绕x轴、y轴、z轴方向的柔顺，最终通过柔性件51使机械臂不受反力，实现对机械臂的保护。
77.实施例2：
78.本实施例提供一种实施例1中的的六轴串联机械手柔顺加卸钻杆系统的加卸钻杆方法，该方法的加杆过程包括以下步骤：
79.步骤a1：初始化六轴串联机械手和三自由度主机，六轴串联机械手、三自由度主机均回到标定零点，卸扣器闭合、后夹持器张开，动力头回到标定位置；
80.步骤a2：防爆遥控器给三自由度主机输入施工目标孔参数；
81.步骤a3：三自由度主机按计算结果运动到指定位置，并将坐标位置反馈给控制器；
82.步骤a4：防爆遥控器发送加杆指令给三自由度主机和六轴串联机械手；
83.步骤a5：三自由度主机等待加杆，六轴串联机械手及其末端的钻杆抓取柔顺构件取杆；
84.步骤a6：六轴串联机械手根据三自由度主机反馈的坐标值，抓取钻杆放入夹持器设定位置；
85.步骤a7：夹持器夹紧，并发送信息给钻杆抓取柔顺构件控制手爪松开；
86.步骤a8：六轴串联机械手运动到指定安全位置，并发送信息给三自由度主机；
87.步骤a9：动力头回转给进至压力达到设定值；
88.步骤a10：通过压力突变判断上扣完成，夹持器松开；
89.步骤a11：动力头回转给进至压力达到设定值；
90.步骤a12：通过压力突变判断上扣完成，卸扣器松开，完成加杆。
91.该方法的卸杆过程包括以下步骤：
92.步骤b1：六轴串联机械手初始化，同时检测三自由度主机状态，在主动钻杆与钻杆分离、前夹持器夹住钻杆闭合、后夹持器张开的待卸杆状态；
93.步骤b2：动力头给进至标定位置，上后端扣；
94.步骤b3：动力头回转给进，通过压力突变判断上扣完毕后，前夹持器松开；
95.步骤b4：动力头起拔至标定位置，前夹持器夹紧，卸前端扣；
96.步骤b5：动力头回转起拔，通过压力突变判断卸扣完毕后，动力头起拔至标定位置；
97.步骤b6：后夹持器夹紧，卸后端扣；
98.步骤b7：动力头回转起拔，通过压力突变判断卸扣完毕后，动力头起拔至标定位置，发送当前位置坐标给主控制器，同时给六轴串联机械手发送等待卸杆信号；
99.步骤b8：六轴串联机械手及其末端钻杆抓取柔顺构件夹紧钻杆，后夹持器松开，六轴串联机械手将钻杆放入杆箱设定位置，在此过程中六轴串联机械手运动到指定安全位置时发送信息给三自由度主机。
100.实施例3：
101.本实施例提供一种基于六轴机械手加卸钻杆的一体式钻孔机器人，包括实施例1中的加卸钻杆系统，如图10和图11所示，还包括履带车体2和主控制器10；其中，实施例1中的加卸钻杆系统安装在履带车体2。
102.履带车体2包括履带车体平台31、行走履带总成32、矿用本安双轴倾角传感器33、吊装索具34、操纵台阀组35、压力变送器组件36和接线盒组件37；行走履带总成32设在履带车体平台31左右两侧；矿用本安双轴倾角传感器33设在履带车体平台31上，并与履带车体2控制部分一起组成自调平和自稳固系统，实现履带车体2的自动定位和自动稳固，稳定的履带车体平台31是钻机进行工作的前提保证，使安装于履带平台上的三自由度主机1能够稳定、准确的按照设定要求工作；吊装索具34焊接在履带车体平台31侧面，满足钻机在装配或运输中的吊装；操纵台阀组35通过螺栓与车体平台相连，应用阀类组合，通过防爆遥控器控制，实现钻机各个动作的控制和执行机构之间的联动功能，保护罩将操纵阀组4台包裹在内，保证钻机整齐美观、防止误操作，在维修、调试或控制系统出现故障时，需先安装电磁阀手柄，再进行手动操作；压力变送器组件36用以实时检测钻机主泵、副泵、给进、起拔、正转、反转和回油工作压力，同时显示在压力表组件3和防爆遥控器控制界面上，方便施工操作人员观察。接线盒组件37螺接在履带车体平台31上，用于连接主控制器10和压力变送器组件36。
103.主控制器10安装在履带车体平台31后方的托架上，与履带车体平台31通过螺栓连接，能控制履带车体2自调平、自稳固和自动加卸钻杆、自动调节开孔姿态和自动钻进。
104.具体的，主控制器10与履带车体平台31通过螺栓连接；运输时可拆除托架及主控制器10，减少履带车体平台31的长度尺寸；控制器是钻机的控制中枢和操作指令的集成处理中心，接收并处理传感器组发出的各种信号，根据通讯协议将需要进行显示的信息打包后通过无线网收发模块向外传输；控制器还接收并处理无线网收发模块收到的控制信号，通过程序控制操纵台阀组35的各类防爆电控阀组4、液压阀组4、传感器系统、数字阀和防爆
伺服电机47的电流值，进而控制比例电磁阀的换向与阀口开度、数字阀以及防爆伺服电机47的旋转速度和旋转方向，达到控制履带车体2自调平、自稳固和自动加卸钻杆、自动调节开孔姿态、自动钻进的目的。
105.本实施例基于六轴机械手加卸钻杆的一体式钻孔机器人还包括油箱总装6、冷却器总装7、矿用隔爆型急停按钮8、电机泵组9、主控制器10和防爆遥控器，主控制器10和防爆遥控器通过无线网络模块连接。
106.油箱总装6与履带车体平台31螺接，包括回油滤油器、空气滤清器、与防爆遥控器通讯的无线网络模块、矿用本质安全型温度变送器、本安型液位传感器、自封式吸油滤油器、高压滤油器，可实时将油箱内油液温度及油箱液位高度传输到主控制器10；自封式吸油滤油器，无须排出液压油，油路自动密封，可直接拔出滤芯更换。
107.冷却器总装7与油箱总装6连接，包括冷却器安装壳体、手把、冷却器芯和接头，冷却器芯固定在壳体中，壳体通过螺接方式连接到油箱总装6上，方便维修和更换；冷却器总装7连接系统多路阀回油、齿轮箱回油，为液压回油降温，保持油温在正常工作范围之内，起到减少液压元件的老化和磨损。
108.矿用隔爆型急停按钮8，当发生紧急异常情况时，可通过快速按下此按钮使钻机停止工作，起到保护作用。
109.电机泵组9是钻机的动力源，包括防爆电动机、ⅰ泵、ⅱ泵；ⅰ泵、ⅱ泵采用串联方式连接，为充分合理利用空间，电机采用内轴式，直接与ⅰ泵通过花键连接，通过泵座竖直螺接到履带车体平台31上，电机泵组9嵌于履带车体平台31内，这种安装方式大大增加了钻机的紧凑性。
110.防爆遥控器与主控制器10连接，包括plc模块，无线网收发模块ⅱ，液晶显示屏和操作面板；操作面板、液晶显示屏和无线网收发模块ⅱ分别与plc模块连接；plc模块接收操作面板发出的指令，按照通信协议将指令打包后传给无线网收发模块ⅱ发出；无线网收发模块ⅱ接收无线网收发模块发出的信号，并将信号传送给plc模块进行处理；液晶显示屏用于显示履带车体2和钻进机器人的运动状态，液压系统压力、钻孔深度、钻杆回转转速、油液温度、钻孔方位角和调角角度、钻杆直径和相关警告提示信息；操作面板包括左右履带行走控制手柄，自调平、自稳固启动/停止按钮，一键钻进按钮，各执行机构单动按钮，功能选择按钮，数字输入键盘等。其中，对左右履带控制手柄处理值进行了油门曲线优化，增强了履带行走速度的可控性。
111.本实施例钻孔机器人能实现自动控制的功能，传感器组能否稳定可靠工作是决定该系统能否稳定可靠工作的关键因素；传感器组包括安装在稳固油缸(即下顶液压油缸)内，用于检测稳固油缸伸出长度的位移传感器；连接在液压管路中，用于检测油压压力的压力变送器；安装在履带平台上，用于检测履带平台倾角的双轴倾角传感器；安装在三自由度主机1上，用于检测给进油缸18、平移油缸20和举升油缸27位移的拉绳传感器；安装在调角装置(即变幅稳固装置16)，用于检测主机倾角的多圈绝对值编码器25；安装在动力头17后端，用于检测动力头17转速的转速传感器；安装在油箱上，用于检测油温的温度传感器和油箱油液高度的液位传感器；安装在手抓末端，用于检测手抓是否接近钻杆的接近传感器；这些传感器采用can总线的方式，将数据传送给主控站；传感器组还包括安装在防爆伺服电机47内部，起反馈作用的绝对值编码器25，工况智能识别模块。
112.标定工作包括机器人标零、三自由度主机1标零(调角装置主机倾角多圈绝对值编码器25标零，举升油缸27初始位置标零，平移油缸20初始位置标零)、给进油缸18位移拉绳传感器位置标定z1、z2、z3、z4(位置z1：动力头17运动的最前端，给进油缸18最小行程，用于钻进时上后端扣；位置z2：自动钻进时上前端扣(中间钻杆与孔口钻杆之间的丝扣)及自动起钻时卸前端扣；位置z3：自动钻进时上后端扣位置及自动起钻时卸后端扣；位置z4：动力头17运动的最后端，给进油缸18最大行程，等待加杆位置，加杆时避让钻杆。)
113.实施例4：
114.本实施例提供一种基于六轴机械手加卸钻杆的一体式钻孔机器人的控制方法，包括钻进过程和起钻过程；
115.钻进过程包括以下步骤：
116.步骤a1：初始化六轴串联机械手和三自由度主机，六轴串联机械手、三自由度主机均回到标定零点，卸扣器闭合、后夹持器张开，动力头回到标定位置z4；
117.步骤a2：防爆遥控器给三自由度主机输入施工目标孔参数；
118.步骤a3：三自由度主机按计算结果运动到指定位置，并将坐标位置反馈给控制器；
119.步骤a4：防爆遥控器发送加杆指令给三自由度主机和六轴串联机械手；
120.步骤a5：三自由度主机等待加杆，六轴串联机械手及其末端的钻杆抓取柔顺构件取杆，六轴串联机械手及其末端的钻杆抓取柔顺构件按照钻杆之间的距离及钻杆排布规律编写的码垛程序抓取钻杆；
121.步骤a6：六轴串联机械手根据三自由度主机反馈的坐标值，应用轨迹规划算法规划的运动轨迹抓取钻杆放入夹持器设定位置；
122.步骤a7：夹持器夹紧，并发送信息给钻杆抓取柔顺构件控制手爪松开，同时手爪控制程序调用被动柔顺控制程序，避免钻杆装卸作业过程中，夹持器夹持钻杆时对六轴串联机械手及其末端的钻杆抓取柔顺构件产生的冲击破坏；
123.步骤a8：六轴串联机械手根据轨迹规划算法规划的运动轨迹运动到指定安全位置，并发送信息给三自由度主机；
124.步骤a9：动力头回转给进至压力达到设定值；
125.步骤a10：通过压力突变判断上扣完成，夹持器松开；
126.步骤a11：动力头回转给进至压力达到设定值；
127.步骤a12：通过压力突变判断上扣完成，卸扣器松开；
128.步骤a13：全自动自适应钻进：设定参数钻进或设定档位钻进，根据钻进参数，实施自动增减给进压力、回转压力；
129.步骤a14：检测到动力头给进至标定位置z1，三自由度主机停止动作，卸扣器夹紧，卸后端扣；
130.步骤a15：通过压力突变判断卸扣完毕后，判断钻杆数量是否达到要求设计孔深，则停止作业，若未达到设计孔深，则回到步骤a4进行下一个循环。
131.起钻过程包括以下步骤：
132.步骤b1：六轴串联机械手初始化，同时检测三自由度主机状态，在主动钻杆与钻杆分离、前夹持器夹住钻杆闭合、后夹持器张开的待卸杆状态；
133.步骤b2：动力头给进至标定位置z1，上后端扣；
134.步骤b3：动力头回转给进，通过压力突变判断上扣完毕后，前夹持器松开；
135.步骤b4：动力头起拔至标定位置z2，前夹持器夹紧，卸前端扣；
136.步骤b5：动力头回转起拔，通过压力突变判断卸扣完毕后，动力头起拔至标定位置z3；
137.步骤b6：后夹持器夹紧，卸后端扣；
138.步骤b7：动力头回转起拔，通过压力突变判断卸扣完毕后，动力头起拔至标定位置z4，发送当前位置坐标给主控制器，同时给六轴串联机械手发送等待卸杆信号；
139.步骤b8：六轴串联机械手及其末端钻杆抓取柔顺构件夹紧钻杆，后夹持器松开，六轴串联机械手按照轨迹规划算法规划的运动轨迹将钻杆放入杆箱设定位置，在此过程中六轴串联机械手运动到指定安全位置时发送信息给三自由度主机；
140.步骤b9：判断起钻钻杆数量是否达到要求，若起钻完毕，则停止作业，若未起钻完毕，则回到步骤b1进行下一次循环。