一种矿井退锚方法与流程

1.本技术涉及矿井设备技术领域，具体涉及一种矿井退锚方法。


背景技术：

2.现有技术中矿业公司的综采工作面的风、运两巷的支护方式均为锚网索支护，在工作面推采过程中，由于锚网索支护效果影响，两巷顶板在工作面推进后不易冒落，极易导致工作面顶板压力增大或瓦斯积聚。为确保采空区顶板随工作面推进及时垮落，减少悬顶面积，防止顶板事故及采空区瓦斯积聚的发生，必须对采空区顶板的锚杆或锚索进行及时有效的退锚作业，对顶板进行泄压。
3.传统技术中井下顶板退锚作业多由人工手持退锚器完成。架设倒链和梯子后，退锚工作人员手持退锚器对准锚索底部，锚索深入退锚器并被锁紧后，人员躲至安全地点，启动液压泵开始对锚索进行张拉，楔形卡簧退出后，退锚器松开锚索，托盘和顶柱自由散落，完成对顶板的泄压。目前，退锚索作业必须保证三人作业，一人监护两人操作。回收后的托盘、顶柱和卡簧等存放到指定地点。
4.由于传统技术中的退锚作业不仅效率低，而且作业人员多存在一定的安全风险。为了解决上述问题，部分矿业公司采用矿用退锚车，但是矿用退锚车机械退锚操作部分全部为液压控制，液压传动系统性能和效率受温度的影响较大，控制响应速度慢，末端退锚器空间定位难度大，定位精度低。


技术实现要素：

5.本技术为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：
6.第一方面，本技术实施例提供了一种矿井退锚方法，所述方法包括：控制六轴退锚机器人行驶至巷道中作业区域任一作业点，固定后将六轴退锚机器人所在坐标点作为坐标零点获得机器人基坐标系；根据所述机器人基坐标系获得单排锚索中各个锚索底部切面中心点相对于退锚机器人基坐标系的坐标变换矩阵作为示教点；通过六轴机械臂逆运动学算法得到各关节轴需要精确旋转的关节角，驱动六轴机械臂运动合成使退锚器进口端面精确到达锚索底部切面；判断退锚器进口端面是否与锚索底部切面平行且退锚器进口端面中心点与锚索底部切面中心点在一定误差范围内重合，进行姿态矫正；退锚器保持当前姿态，六轴机械臂各轴动作，退锚器按当前姿态矩阵的z轴匀速前进一段距离，使锚索底部沿退锚器腔道进锚，当六维力传感器给出退锚器到位停止信号，机械臂停止动作，退锚器将锚索锁死，开始液压控制，完成退锚作业。
7.采用上述实现方式，退锚机器人本体携带的多种高精度传感器使其具有一定的自主规划学习和自主导航能力，可实现完全自主退锚，无须人工近距离参与，达到真正的安全作业。
8.结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述根据所述机器人基坐标系获得单排锚索中各个锚索底部切面中心点相对于退锚机器人基坐标系的坐标变换矩
阵作为示教点，包括：通过设置在六轴退锚机器人上的第一rgb-d深度相机和第二rgb-d深度相机获得锚索底部切面的在内的全部物体的空间三维坐标点的姿态矩阵和深度信息，获得锚索底部切面中心点的第一三维姿态矩阵g1；根据第一rgb-d深度相机和第二rgb-d深度相机的相对安装位置，进行坐标变换和外参标定法，得到第一三维姿态矩阵g1相对于退锚机器人基坐标系b的坐标变换矩阵控制机械臂初始伸展到一个固定高度，获得锚索底部切面中心点的第二三维姿态矩阵g2，根据第二rgb-d深度相机相对安装位置，以及六轴机械臂各轴运动学坐标转换矩阵和内参标定法，得到第二三维姿态矩阵g2相对于退锚机器人基坐标系b的坐标变换矩阵控制第一rgb-d深度相机或第三rgb-d深度相机对安装在退锚器底部的 mark标识点进行拍摄，获得mark标识点的三维姿态矩阵t；根据第一rgb-d 深度相机或第三rgb-d深度相机的相对安装位置，以及mark标识点和第二 rgb-d深度相机的相对位置，以及第二rgb-d深度相机获得的锚索底部切面中心点的第三三维姿态矩阵g3，通过坐标转换和外参标定法，获得所述第三三维姿态矩阵g3相对于退锚机器人基坐标系b的坐标变换矩阵将将和进行加权计算后，得到工作区域内单排锚索的底部切面中心点姿态矩阵相对于退锚机器人基坐标系的坐标变换矩阵
9.结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述通过设置在六轴退锚机器人上的第一rgb-d深度相机和第二rgb-d 深度相机获得锚索底部切面的在内的全部物体的空间三维坐标点的姿态矩阵和深度信息，获得锚索底部切面中心点的第一三维姿态矩阵g1，包括：控制退锚机器人第一rgb-d深度相机和第三rgb-d深度相机同时对顶板进行拍摄，获得包括锚索底部切面的在内的全部物体的空间三维坐标点的姿态矩阵和深度信息；通过图像特征点识别处理算法和筛除，得到锚索底部切面中心点的第一三维姿态矩阵g1。
10.结合第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述控制机械臂初始伸展到一个固定高度，获得锚索底部切面中心点的第二三维姿态矩阵g2，根据第二rgb-d深度相机相对安装位置，以及六轴机械臂各轴运动学坐标转换矩阵和内参标定法，得到第二三维姿态矩阵g2相对于退锚机器人基坐标系b的坐标变换矩阵包括：根据前期测得的巷道顶板高度信息，六轴机械臂初始伸展到一个固定高度记录为示教点；第二 rgb-d深度相机开始对顶板进行拍摄，获得包括锚索底部切面的在内的全部物体的空间三维坐标点的深度信息；通过图像特征点识别处理算法和筛除，得到锚索底部切面中心点的第二三维姿态矩阵g2；再根据第二rgb-d深度相机的相对安装位置，以及六轴机械臂各轴运动学坐标转换矩阵和内参标定法，得到相机视宽范围内锚索底部切面中心点的第二三维姿态矩阵g2相对于退锚机器人基坐标系b的坐标变换矩阵
11.结合第一方面第三种可能的实现方式，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述根据第一rgb-d深度相机或第三rgb-d深度相机的相对安装位置，以及mark标识点和第二rgb-d深度相机的相对位置，以及第二rgb-d深度相机获得的锚索底部切面中心点的第三三维姿态矩阵g3，通过坐标转换和外参标定法，获得所述第三三维姿态矩阵g3相对于退锚机器人基坐标系b的坐标变换矩阵包括：第一rgb-d深度相机或第三rgb-d深度相机对安
装在退锚器底部的mark标识点进行拍摄，获得mark标识点的三维姿态矩阵t；根据第一rgb-d深度相机或第三rgb-d深度相机的相对安装位置、mark标识点和第二rgb-d深度相机的相对位置及第二rgb-d深度相机获得的锚索底部切面中心点的第三三维姿态矩阵g3，通过坐标转换和外参标定法，得到相机视宽范围内锚索底部切面中心点的第三三维姿态矩阵g3相对于退锚机器人基坐标系b的坐标变换矩阵
12.结合第一方面第一至四种任一可能的实现方式，在第一方面第五种可能的实现方式中，将单排锚索中各个锚索i底部切面中心点相对于退锚机器人基坐标系的坐标变换矩阵作为示教点。
13.结合第一方面第五种可能的实现方式，在第一方面第六种可能的实现方式中，通过第三rgb-d深度相机拍摄顶板获得的深度数据，判断升降平台是否需要提升退锚机器人底座高度，在提升过程中，电控系统根据安装于升降平台的倾角传感器反馈信息，判断整机机身重心的映射点是否在履带式行走机构支撑范围内。
14.结合第一方面第六种可能的实现方式，在第一方面第七种可能的实现方式中，所述通过六轴机械臂逆运动学算法得到各关节轴需要精确旋转的关节角，驱动六轴机械臂运动合成使退锚器进口端面精确到达锚索底部切面，包括：将示教点数据传输给退锚机器人控制系统；通过六轴机械臂逆运动学算法得到各关节轴需要精确旋转的关节角；驱动六轴机械臂运动合成使退锚器进口端面精确到达锚索底部切面，并且退锚器进口端面与锚索底部切面平行。
15.结合第一方面第七种可能的实现方式，在第一方面第八种可能的实现方式中，所述判断退锚器进口端面是否与锚索底部切面平行且退锚器进口端面中心点与锚索底部切面中心点在一定误差范围内重合，进行姿态矫正，包括：第一rgb-d深度相机或第三rgb-d深度相机对安装在退锚器底部的mark标识点再次进行拍摄，获得mark标识点的三维姿态矩阵t；再通过坐标转换和外参标定法，判断退锚器进口端面是否与锚索底部切面平行且退锚器进口端面中心点与锚索底部切面中心点在一定误差范围内重合，进行姿态矫正。
16.结合第一方面或第一方面第一至八种任一可能的实现方式，在第一方面第九种可能的实现方式中，退锚完成后，重复退锚前的操作步骤，姿态矫正后进行下一次的退锚作业。
附图说明
17.图1为本技术实施例提供的一种矿井退锚方法的流程示意图；
18.图2本技术实施例提供的一种矿用六轴退锚机器人的结构示意图；
19.图3为本技术实施例提供的图2的左视图；
20.图4为本技术实施例提供的无线示教器的结构示意图；
21.图5为本技术实施例提供的应用场景示意图；
22.图1-5中，符号表示为：
23.1-底盘，2-履带式行走机构，3-前部支撑油缸，4-后部防溜坡油缸，5
‑ꢀ
激光雷达，6-第一rgb-d深度相机，7-举升油缸，8-支撑链板，9-升降平台， 10-倾角传感器，11-机械臂控制台，12-末端工具抓手，13-第二rgb-d深度相机，14-六维力传感器，15-第一机械臂关
节，16-第二机械臂关节，17-第三机械臂关节，18-第四机械臂关节，19-第五机械臂关节，20-第六机械臂关节，21-第一防爆伺服电机，22-第二防爆伺服电机，23-第三防爆伺服电机， 24-第四防爆伺服电机，25-第五防爆伺服电机，26-第六防爆伺服电机，27
‑ꢀ
退锚器固定块，28-退锚器，29-mark标识点，30-防爆兼本安控制箱，31-本安显示屏，32-隔爆电缆引入端，33-甲烷浓度传感器，34-第三rgb-d深度相机，35-防爆三相异步电机，36-第一隔爆腔，37-第二隔爆腔，38-第三隔爆腔，39-本安腔。
具体实施方式
24.下面结合附图与具体实施方式对本方案进行阐述。
25.图1为本技术实施例提供的一种矿井退锚方法的流程示意图，参见图1，本实施例提供的矿井退锚方法，包括：
26.s101,控制六轴退锚机器人行驶至巷道中作业区域任一作业点，固定后将六轴退锚机器人所在坐标点作为坐标零点获得机器人基坐标系。
27.参见图2和图3，本技术实施例提供的矿井退锚方法采用的矿用六轴退锚机器人，包括：移动底座，设置在所述移动底座上的升降装置，所述升降装置的第一端固定在所述移动底座上，第二端垂直活动；所述升降装置的第二端上设置有机械臂，所述机械臂的第一端与所述升降装置的第二端固定连接，所述机械臂的第二端设置有退锚装置，所述移动底座上设置有控制器，所述控制器分别与所述升降装置、机械臂和所述退锚装置电连接。
28.所述移动底座包括底盘1，设置在所述底盘1底部的履带式行走机构2，所述底盘1底部位于所述履带式行走机构2两侧分别设置有前部支撑油缸3 和后部防溜坡油缸4，所述底盘1的前部顶端设置有激光雷达5和第一rgb-d 深度相机6，所述激光雷达5和第一rgb-d深度相机6均与所述控制器电连接。履带式行走机构2通过底盘1上的液压系统驱动，通过液压电磁阀组和液压油管控制各油缸、液压马达动作，液压传感器反馈液压系统的运行状态。前部支撑油缸3和后部防溜坡油缸4支撑退锚机器人，避免重心不稳。
29.所述升降装置包括设置在所述底盘1上的举升油缸7和支撑链板8，所述举升油缸7和支撑链板8的第一端均固定设置在所述底盘1上，所述举升油缸7和支撑链板8的第二端均与升降平台9底部固定连接，所述升降平台9顶部的一侧设置有倾角传感器10，所述倾角传感器10与所述控制器电连接。
30.所述机械臂包括固定在所述升降平台9顶部的机械臂控制台11，所述机械臂控制台11上设置有依次活动连接的多个机械臂关节，每个所述机械臂关节分别对应设置有伺服电机，最后一个的机械臂关节的末端设置有末端工具抓手12，所述末端工具抓手12与所述退锚装置固定连接；最后一个的机械臂关节的末端设置有第二rgb-d深度相机13和六维力传感器14，所述伺服电机、第二rgb-d深度相机13和六维力传感器14均与所述控制器电连接。
31.六轴机械臂包括六个防爆伺服电机、六个机械臂关节、六个内部rv减速器、传动机构、挂臂敷设的液压油管和挂臂敷设的鼓风喇叭胶管。防爆伺服电机内部含编码器，防爆伺服电机转动驱动机械臂关节运动合成后，使末端执行机构精确到达空间中的多个指定目标点。第一机械臂关节15、第二机械臂关节16、第三机械臂关节17、第四机械臂关节18、第五机械臂关节19和第六机械臂关节20依次活动连接，对应上述机械臂关节分别设置有驱动机械
臂关节的第一防爆伺服电机21、第二防爆伺服电机22、第三防爆伺服电机 23、第四防爆伺服电机24、第五防爆伺服电机25和第六防爆伺服电机26。
32.所述退锚装置包括退锚器固定块27，设置在所述退锚器固定块27顶部的退锚器28和设置在所述退锚器固定块27底部mark标识点29。根据不同规格的退锚器28，可以更换与之匹配型号的末端工具抓手12。进一步的，末端工具抓手12构型改变，可以将退锚器28更换为其它工具装置。
33.所述控制器包括设置在所述底盘1顶部尾端的防爆兼本安控制箱30，所述防爆兼本安控制箱30上设置有本安显示屏31和隔爆电缆引入端32，所述防爆兼本安控制箱30分为多个隔爆腔和一个本安腔39，所述防爆兼本安控制箱30顶部设置有甲烷浓度传感器33、第三rgb-d深度相机34和防爆三相异步电机35。本技术中，隔爆腔包括第一隔爆腔36、第二隔爆腔37和第三隔爆腔38，分别环绕设置在所述本安腔39周围。防爆鼓风电机安装在隔爆腔中。电缆接口包括隔爆外壳电缆引入装置、本安电缆格兰头、动力电缆防爆插头和防爆插座。退锚机器人本体经拖拽电缆给整个电控系统供电，供电电压为三相660vac。
34.本实施例中工作人员可以手持无线示教器，遥控操作退锚机器人进入作业区域，无线示教器可显示图像视频信息和导航信息，操控退锚机器人按指令行走，以及示教定位空间目标点。参见图4，无线示教器包括矿用本安示教器外壳、电池、天线、本安按键和英寸显示屏。无线示教器由工作人员手持进行退锚机器人的各项操作，同时，可以通过显示屏实时查看深度相机拍摄图像信息，并可以根据控制系统图像特征点识别处理结果，确定多个目标点的空间三维姿态坐标数据，作为示教点。
35.退锚机器人由工作人员使用无线示教器遥控行走到达巷道中作业区域内某一点，该作业点靠近巷道侧帮。行进过程中，安装在底盘上的激光雷达进行平面扫描避障。退锚机器人到达作业点后，其前部支撑油缸和后部防溜坡油缸支撑到位，此时退锚机器人的坐标点定为坐标零点，作业区域垂直映射的巷道顶板中为单排的锚索，单个锚索的锚固结构如图5所示。
36.s102,根据所述机器人基坐标系获得单排锚索中各个锚索底部切面中心点相对于退锚机器人基坐标系的坐标变换矩阵作为示教点。
37.此时，退锚机器人第一rgb-d深度相机和第三rgb-d深度相机同时对顶板进行拍摄，获得包括锚索底部切面的在内的全部物体的空间三维坐标点的姿态矩阵和深度信息，通过图像特征点识别处理算法和筛除，得到锚索底部切面中心点的第一三维姿态矩阵{g1}，再根据两个深度相机的相对安装位置，进行坐标变换和外参标定法，得到相机视宽范围内锚索底部切面中心点的第一三维姿态矩阵{g1}相对于退锚机器人基坐标系{b}的坐标变换矩阵
38.通过第三rgb-d深度相机拍摄顶板获得的深度数据，判断升降平台是否需要提升退锚机器人底座高度。在提升过程中，电控系统根据安装于升降平台的倾角传感器反馈信息，判断整机机身重心的映射点是否在履带式行走机构支撑范围内。
39.根据前期测得的巷道顶板高度信息，六轴机械臂初始伸展到一个固定高度(记录为示教点a)，使安装在退锚机器人j5轴的第二rgb-d深度相机与顶板的垂直距离在1.5m以内，第二rgb-d深度相机开始对顶板进行拍摄，获得包括锚索底部切面的在内的全部物体的
空间三维坐标点的深度信息，通过图像特征点识别处理算法和筛除，得到锚索底部切面中心点的第二三维姿态矩阵{g2}，再根据第二rgb-d深度相机的相对安装位置，以及六轴机械臂各轴运动学坐标转换矩阵和内参标定法，得到相机视宽范围内锚索底部切面中心点的第二三维姿态矩阵{g2}相对于退锚机器人基坐标系{b}的坐标变换矩阵
40.此时，第一rgb-d深度相机或第三rgb-d深度相机对安装在退锚器底部的mark标识点进行拍摄，获得mark标识点的三维姿态矩阵{t}，根据第一rgb-d深度相机或第三rgb-d深度相机的相对安装位置，以及mark标识点和第二rgb-d深度相机的相对位置，以及第二rgb-d深度相机获得的锚索底部切面中心点的第三三维姿态矩阵{g3}，通过坐标转换和外参标定法，得到相机视宽范围内锚索底部切面中心点的第三三维姿态矩阵{g3}相对于退锚机器人基坐标系{b}的坐标变换矩阵
41.将和进行加权计算后，得到工作区域内单排锚索的底部切面中心点姿态矩阵{g}相对于退锚机器人基坐标系{b}的坐标变换矩阵将单排锚索中各个锚索i底部切面中心点相对于退锚机器人基坐标系的坐标变换矩阵作为示教点。
42.s103,通过六轴机械臂逆运动学算法得到各关节轴需要精确旋转的关节角，驱动六轴机械臂运动合成使退锚器进口端面精确到达锚索底部切面。
43.使用无线示教器，将示教点数据传输给退锚机器人控制系统，通过六轴机械臂逆运动学算法得到各关节轴需要精确旋转的关节角，驱动六轴机械臂运动合成使退锚器进口端面精确到达锚索底部切面，并且退锚器进口端面与锚索底部切面平行(记录为示教点b)。
44.s104,判断退锚器进口端面是否与锚索底部切面平行且退锚器进口端面中心点与锚索底部切面中心点在一定误差范围内重合，进行姿态矫正。
45.此时，第一rgb-d深度相机或第三rgb-d深度相机对安装在退锚器底部的mark标识点再次进行拍摄，获得mark标识点的三维姿态矩阵{t}，再通过坐标转换和外参标定法，判断退锚器进口端面是否与锚索底部切面平行且退锚器进口端面中心点与锚索底部切面中心点在一定误差范围内重合，进行姿态矫正。
46.s105,退锚器保持当前姿态，六轴机械臂各轴动作，退锚器按当前姿态矩阵的z轴匀速前进一段距离，使锚索底部沿退锚器腔道进锚，当六维力传感器给出退锚器到位停止信号，机械臂停止动作，退锚器将锚索锁死，开始液压控制，完成退锚作业。
47.退锚完成后，六轴机器臂各轴动作，使退锚器按当前姿态矩阵的z轴匀速后退一段距离，到达示教点b，再通过各轴运动合成，到达示教点a，第二 rgb-d深度相机再次对顶板进行拍摄，通过图像特征点识别处理后，得到锚索底部切面中心点的三维姿态矩阵{g}，再根据坐标转换矩阵和内参标定法，得到第一rgb-d深度相机或第三rgb-d深度相机对安装在退锚器底部的 mark标识点进行拍摄，获得mark标识点的三维姿态矩阵{t}，通过坐标转换和外参标定法，得到对和进行加权计算后，得到下一个锚索底部切面中心点的坐标变换矩阵使用无线示教器，将示教点数据传输给退锚机器人控制系
统，通过六轴机械臂逆运动学算法得到各关节轴需要精确旋转的关节角，驱动六轴机械臂运动合成使退锚器进口端面精确到达锚索底部切面，并且退锚器进口端面与锚索底部切面平行，姿态矫正后进行下一次的退锚作业。
48.在进行下一次退锚作业之前，重新进行上述参数标定的原因是退锚机器人在上一次退锚中由于振动或履带式行走机构发生位移等因素导致零坐标系偏移，而使的数值不再准确。
49.退锚过程中，控制系统和传感器系统始终预判退锚机器人的重心位置是否在安全范围内，否则退锚机器人将操控履带式行走机构到达另一个安全位置并固定，按照上述流程进行自动退锚作业。顶板上单排锚索处理完成后，退锚机器人行走机构后退一定距离，循环开始下一排锚索的退锚工作，其工作路径为从巷道内部到巷道外部的s型线。
50.退锚机器人本体携带的多种高精度传感器使其具有一定的自主规划学习和自主导航能力，可实现完全自主退锚，无须人工近距离参与，达到真正的安全作业。退锚机器人使用伺服驱动+图像识别精准定位技术，具有先天的技术优势，定位精度高，动作响应快，控制算法可移植，满足矿井中其它工作场景的拓展应用。机构和重心设计更合理，巷道复杂环境下，退锚机器人通过性好，结合外部重心设计和控制系统中算法控制，保证退锚机器人本体重心在作业时始终处于履带式行走机构2覆盖的安全范围内，不会发生倾覆，保证操作安全。
51.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。