本发明涉及煤矿机械支护及钻锚技术领域，特别是涉及一种煤矿井下空中迈步支护及钻锚机器人。
背景技术：
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支护机器人和钻锚机器人的研发方向，井下支护及钻锚机械化、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、机械化锚杆钻孔支护的要求也越来越高；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。
随着装备与技术的不断进步，综合机械化掘进必将成为将来煤矿开拓掘进的主流方向，在掘进作业时，掘进机前面不得有其他人员作业，当掘进到规定距离时(一般为1000mm-2000mm)，必须停止掘进机作业，对工作面迎头的顶板及俩侧帮进行支护，严禁空顶作业，规定空顶距离一般为300mm-800mm，在工作面进行支护作业时，掘进机必须截割头落地并且停电闭锁，如何提高支护的速度，是目前急需解决的技术难题。
目前主要的支护及钻锚工艺为：
1)目前大部分仍然采用人工，采取的方法是：掘进机在迎头前面预留1500mm的煤层平台，作为人工操作平台，掘进机的截割头落在平台上，工人爬到平台上进行临时支护、对俩侧帮及顶帮进行永久支护；支护完成后，掘进机将剩余1500mm的煤层平台切割掉，掘进机的截割头落地，工人将俩侧帮剩余部分进行永久支护。存在的主要不足：工人在工作面进行临时支护及永久支护作业时，存在高处坠落、顶板及侧帮围岩垮落伤人等安全风险；一般采用单体锚杆钻机或锚杆钻车，依靠人工频繁搬运，辅助时间长、劳动强度大、效率低。
2)掘进机与锚杆钻车联合工艺，技术相对比较成熟，其不足是：掘进机掘进到一定的距离，必须多次倒车向巷道的左侧(或右侧)靠车，为钻车让道，并在掘进迎头为钻车让开施工空间，以5000mm巷道为例，掘进机外形尺寸一般为长10000mm，宽3500mm，高2000mm，倒车及靠车非常麻烦，用时长，一般30分钟至60分钟，工作效率低。
3)最近几年掘锚一体机已经在各大煤矿应用，效率显著提高，存在的主要不足：掘进机体型庞大，空间狭窄，特别是在掘进机上再安装锚杆机械臂后，空间更小，由于仍然人工换钻杆、安装锚固剂、安装锚杆，在狭窄的空间内攀爬工作，存在很大的安全隐患；因为工作空间狭窄，工作效率低。
4)专利号为201410122231.x的发明专利《悬挂式全方位锚杆钻车》，申请公布日2015年09月30日，主要存在不足：①需要先打锚杆，固定该设备，效率低；②该机前端没有加护网，没有临时支持，人工换钻头及锚杆时，属于空顶作业，违反安全规范；③钻机机构及钻臂结构复杂且不稳定，无法实现钻孔，不具有实用性；④空中迈步太复杂，且很难实现。
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或锚杆钻车设备，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。
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。
技术实现要素：
本发明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空中迈步支护及钻锚机器人。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种煤矿井下空中迈步支护及钻锚机器人，包括钻机组件、机械臂组件、支护组件、内滑板、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、推拉装置、移动装置、检测系统、控制系统、液压系统、垂直陀螺仪系统和遥控器，所述内滑板安装在框架平台内，通过燕尾结构联接，并通过推拉装置实现前后滑移，推拉装置的后端固定在框架平台两外侧的后端，推拉装置的前端固定在内滑板两外侧的中部，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，液压系统控制移动装置的液压马达实现丝母座移动，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，所述机械臂组件的回转装置ⅱ的下端安装在内滑板前端的中部，机械臂组件的回转装置ⅲ一侧安装钻机组件，所述支护组件的支撑油缸ⅰ的底法兰安装在内滑板前端两侧的上面，支护组件的支撑油缸ⅱ的底法兰对称安装在内滑板前端两侧的下面，所述钻机组件安装在机械臂组件的回转装置ⅲ内实现摆动以便于调整转杆与顶板的角度，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和行走器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；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。
优选的，所述钻机组件包括钻杆、液压夹持器、液压夹持回转器、滑道座和传动装置，所述液压夹持器安装在滑道座的右端，液压夹持回转器安装在滑道座的左端，并沿着滑道座左右移动；本发明采用深孔钻井设备的技术原理，对钻机组件创新设计，国内首创，回转半径小，节省了操作空间，重量轻，工作扭矩小，转臂结构紧凑且强度高；钻杆从液压夹持回转器的后端安装进入，通过液压夹持回转器自动进给，实现打孔，打孔完毕，自动退回，下次重复循环，这特别适用于长钻杆，不用接钻杆，提高了工作效率，另外对于空间高度受限的场合，也可以接钻杆，退回时，通过液压夹持器夹住前端的钻杆，防止打顶帮时钻杆下落砸到人，存在安全隐患，也防止打地帮时钻杆下落进孔内。
优选的，所述机械臂组件包括机械臂ⅰ、机械臂ⅱ、回转装置ⅰ、回转装置ⅱ、回转马达ⅰ、回转马达ⅱ、回转装置ⅲ和回转马达ⅲ，所述机械臂ⅰ的一端连接回转装置ⅰ，另一端连接回转装置ⅲ；机械臂ⅱ的一端连接回转装置ⅰ，另一端连接回转装置ⅱ；机械臂ⅰ以回转装置ⅰ的中心灵活转动，机械臂ⅱ以回转装置ⅱ的中心灵活转动，空中实现距离调节。
优选的，所述支护组件设置为2个，支护组件包括支撑油缸ⅰ、顶板网、顶端法兰、支撑油缸ⅱ和底座；支撑油缸ⅰ安装在内滑板前端两侧的上方，支撑油缸ⅱ安装在内滑板前端两侧的下方；支撑油缸ⅰ将顶板网固定在顶板上，支撑油缸ⅱ顶在迎头前面预留1500mm的煤层平台上，支撑油缸ⅰ和支撑油缸ⅱ的顶紧压力由液压系统控制，主要作用就是，稳定住内滑板，实现空中支护的同时，实现锚杆钻孔。
优选的，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，柔性短接的上端与油缸的缸体底部法兰连接，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；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；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。
优选的，所述液压系统包括液压泵站、电机、叶片泵、电接触比例阀、管路系统等，液压系统安装在内滑板的上面，另一种方案放在掘进机上，与掘进机同步前行。
本发明的有益效果是：
(1)国内首创，符合国家政策，符合国家煤矿安全的要求，井下掘进巷道采用支护机器人和钻锚机器人，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。
(2)采用空中迈步，实现空中行走，避免掘进机为钻车让道，提高了工作效率。
(3)与传统的锚杆钻机不同，实现空中支护及钻锚，占用空间小，设备外型小，灵活性好。
(4)由于钻机部分特殊设计，即小又轻，转动灵活，效率高。
附图说明
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。
图1是本发明所述的一种煤矿井下空中迈步支护及钻锚机器人的主视图。
图2是本发明所述的一种煤矿井下空中迈步支护及钻锚机器人中钻机组件的主视图。
图3是本发明所述的一种煤矿井下空中迈步支护及钻锚机器人中机械臂组件的主视图。
图4是本发明所述的一种煤矿井下空中迈步支护及钻锚机器人中支护组件的主视图。
图5是本发明所述的一种煤矿井下空中迈步支护及钻锚机器人中行走器ⅰ的主视图。
图6是本发明所述的一种煤矿井下空中迈步支护及钻锚机器人中移动装置的主视图。
图7是本发明所述的一种煤矿井下空中迈步支护及钻锚机器人中迈步位置及钻孔位置示意图。
图中：01—钻机组件，02—机械臂组件，03—支护组件，04—内滑板，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—推拉装置，13—移动装置，14—检测系统，15—控制系统，16—液压系统，17—垂直陀螺仪系统，18—遥控器，0101—钻杆，0102—液压夹持器，0103—液压夹持回转器，0104—滑道座—0105传动装置，0201—机械臂ⅰ，0202—机械臂ⅱ，0203—回转装置ⅰ，0204—回转装置ⅱ，0205—回转马达ⅰ，0206—回转马达ⅱ，0207—回转装置ⅲ，0208—回转马达ⅲ，0301—支撑油缸ⅰ，0302—顶板网，0303—顶端法兰，0304—支撑油缸ⅱ，0305—底座，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
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一些实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，本具体实施例中提供的煤矿井下空中迈步支护及钻锚机器人包括钻机组件01、机械臂组件02、支护组件03、内滑板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、推拉装置12、移动装置13、检测系统14、控制系统15、液压系统16、垂直陀螺仪系统17和遥控器18，行走器ⅱ07、行走器ⅲ08、行走器ⅳ09、行走器ⅴ10、行走器ⅵ11的结构与行走器ⅰ06完全一样；内滑板04安装在框架平台05内，通过燕尾结构联接，并通过推拉装置12实现前后滑移，推拉装置12的后端固定在框架平台05两外侧的后端，推拉装置12的前端固定在内滑板04两外侧的中部；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16控制移动装置13的液压马达1304实现丝母座1303移动；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的下端通过柔性短接0601与丝母座1303连接；机械臂组件02的回转装置ⅱ0204的下端安装在内滑板04前端的中部；机械臂组件02的回转装置ⅲ0207一侧安装钻机组件01；支护组件03的支撑油缸ⅰ0301的底法兰安装在内滑板04前端两侧的上面，支护组件03的支撑油缸ⅱ0304的底法兰对称安装在内滑板04前端两侧的下面；钻机组件01安装在机械臂组件02的回转装置ⅲ0207内实现摆动以便于调整转杆0101与顶板的角度，垂直陀螺仪系统17安装在框架平台05的中部。垂直陀螺仪系统17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；检测系统14包括红外线距离检测仪、激光扫描仪、tof相机和定位系统，红外线距离检测仪用于检测锚杆的具体位置，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ⅵ11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；控制系统15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。
钻机组件01包括钻杆0101、液压夹持器0102、液压夹持回转器0103、滑道座0104和传动装置0105，液压夹持器0102安装在滑道座0104的右端，液压夹持回转器0103安装在滑道座0104的左端，并沿着滑道座0104左右移动，本发明采用深孔钻井设备的技术原理，对钻机组件01创新设计，国内首创，长度仅为1300mm，回转半径小，节省了操作空间，重量仅为125kg，重量轻，工作扭矩小，转臂结构紧凑且强度高；钻杆0101从液压夹持回转器0103的后端安装进入，通过液压夹持回转器0103自动进给，实现打孔，打孔完毕，自动退回，下次重复循环，特别适用于长钻杆，不用接钻杆，提高了工作效率，另外对于空间高度受限的场合，也可以接钻杆，退回时，通过液压夹持器0102夹住前端的钻杆，防止打顶帮时钻杆下落砸到人，存在安全隐患，也防止打地帮时钻杆下落进孔内。
机械臂组件02包括机械臂ⅰ0201、机械臂ⅱ0202、回转装置ⅰ0203、回转装置ⅱ0204、回转马达ⅰ0205、回转马达ⅱ0206、回转装置ⅲ0207和回转马达ⅲ0208，机械臂ⅰ0201的一端连接回转装置ⅰ0203，另一端连接回转装置ⅲ0207，机械臂ⅱ0202的一端连接回转装置ⅰ0203，另一端连接回转装置ⅱ0204，机械臂ⅰ0201以回转装置ⅰ0203的中心灵活转动，机械臂ⅱ0202以回转装置ⅱ0204的中心灵活转动，空中实现距离调节。
支护组件03设置为2个，支护组件03包括支撑油缸ⅰ0301、顶板网0302、顶端法兰0303、支撑油缸ⅱ0304和底座0305，支撑油缸ⅰ0301安装在内滑板04的前端两侧上方，支撑油缸ⅱ0304安装在内滑板04的前端两侧下方；支撑油缸ⅰ0301将顶板网0302固定在顶板上，支撑油缸ⅱ0304顶在迎头前面预留1500mm的煤层平台上，支撑油缸ⅰ0301和支撑油缸ⅱ0304的顶紧压力由液压系统16控制，主要作用就是，稳定住内滑板04，实现空中支护的同时，实现锚杆钻孔。
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；柔性短接0601的上端与油缸0602的缸体底部法兰连接；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；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；液压机械手夹持器0605包括内半锥瓦、锥套、液压组件、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。
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。
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。
液压系统16包括液压泵站、电机、叶片泵、电接触比例阀、管路系统等，液压系统16安装在内滑板04的上面，另一种实施方案为液压系统16放在掘进机上，与掘进机同步前行。
本发明的煤矿井下空中迈步支护及钻锚机器人可以在内滑板04的底部中央安装一抓斗或箱体，运输锚杆，成为空中迈步运输机器人。
本发明的煤矿井下空中迈步支护及钻锚机器人采用液压系统，也可以采用风动或水压系统，本发明中的所有电器元件和控制系统等均有严格的防爆要求。
本发明的煤矿井下空中迈步支护及钻锚机器人中的电源采用直接接电源线或自带蓄电池。
本发明的煤矿井下空中迈步支护及钻锚机器人中的丝杠和活塞杆外漏组件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。
如图7所示，行走器ⅰ06、行走器ⅱ07、行走器ⅲ08、行走器ⅳ09、行走器ⅴ10、行走器ⅵ11，向前移动l后，轨迹点为06a、07a、08a、09a、10a、11a；钻杆0101的轨迹点为0101a、0101b、0101c，向前移动l后，轨迹点为0101d、0101e、0101f；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；稳定性强，垂直陀螺仪系统17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，保证了内滑板04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，可以一步到位，效率高。
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15，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。
如图7所示，钻杆0101，打孔轨迹为0101a、0101b、0101c，向前移动l后，轨迹点为0101d、0101e、0101f，实现顶板的钻孔，并安装锚杆；支护组件03的支撑油缸ⅰ0301将顶板网0302固定在顶板上，支撑油缸ⅱ0304顶在迎头前面预留1500mm的煤层平台上，支撑油缸ⅰ0301和支撑油缸ⅱ0304的顶紧压力由液压系统16控制，主要作用就是，稳定住内滑板04，实现空中支护的同时，实现锚杆钻孔。
控制系统15同时与遥控器18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。
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。
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。