【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于土层或岩石的钻进，更具体地说，是涉及一种应力环境再造的自适应掘进机器人及其掘进方法。
技术介绍
1、在岩石钻进
，随着钻进深度的增加，岩体的物理力学性质发生显著变化，导致传统的机械钻进技术面临着岩体坚硬、高磨蚀性、高地应力和矿体分散等一系列复杂的地质条件挑战。
2、目前，机械破岩技术主要包括悬臂式掘进机、掘进机(tbm)以及劈裂机等。然而在硬岩环境中，传统的悬臂式掘进机、采煤机、掘进机(tbm)和劈裂机等机械破岩技术，均存在一定的局限性。例如，悬臂式掘进机在软岩和中硬岩中表现良好，但在硬度较高的岩石面前，其经济高效性大打折扣。tbm虽然在硬岩掘进中展现出较强的破岩能力，但其高能耗、大体积以及较差的适应性和灵活性限制了其在多变地质条件下的应用。劈裂机则受限于对自由面的需求，在井下作业中通常只有一个自由面，这限制了其在井下的应用，尤其是在需要预制自由面和复杂的设备操作流程中
3、如何解除硬岩高应力问题提高破岩效率；如何优化机械掘进设备体积庞大，功耗大，适应性和灵活性问题使得进一步适应硬岩多变地质条件；如何尽可能避免装备被岩石卡住或者出现卡钻问题后如何快速安全解除卡钻问题；如何根据设备掘进的实时数据和环境变化自动调整设备决策策略的能力；为了应对这些挑战，亟需开发一种新型的机械化掘进设备，能够在井下硬岩环境中实现高效的连续掘进作业。这种设备应具备自适应能力，能够根据地质条件的变化进行实时调整，从而提高破岩效率和安全性。
技术实现思路
1、针对上述
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种应力环境再造的自适应掘进机器人，包括：动态稳定支撑系统、劈裂拉剪破岩系统、旋转支撑定位系统、预制自由面系统、凿岩系统、导轨系统、自适应智能控制系统和行走出渣系统；
4、所述动态稳定支撑系统包括第一稳定支撑油缸、第二稳定支撑油缸和弧形稳定架；第一稳定支撑油缸与导轨系统连接，弧形稳定架与导轨系统连接，第二稳定支撑油缸与弧形稳定架连接；所述弧形稳定架的构造具有弧形结构，以提供导轨系统、第一稳定支撑油缸、第二稳定支撑油缸的支撑力和反作用力；
5、所述劈裂拉剪破岩系统包括劈裂油缸、第一驱动油缸组、椎体、劈片、劈裂油缸进油口和劈裂油缸固定支撑；劈裂拉剪破岩系统与导轨系统连接；
6、所述旋转支撑定位系统包括第一旋转支撑连接件、伸缩油缸、对孔油缸、旋转油缸、第二旋转支撑连接件；旋转支撑定位系统通过第一旋转支撑连接件与导轨系统连接，旋转支撑定位系统通过第二旋转支撑连接件与行走出渣系统连接；
7、所述凿岩系统包括钻头、护杆器、钻杆、第二驱动油缸、凿岩机、油管绕线器；
8、所述预制自由面系统包括第一摆动油缸、滑轨、硬质柔性杆、第二摆动油缸和液压推进油缸；预制自由面系统的第一摆动油缸固定在滑轨上，第二摆动油缸与硬质柔性杆固定，并可以控制硬质柔性杆在滑轨上进行滑动；所述硬质柔性杆为用于预制自由面凿岩机连续钻孔时提供连续支撑力和定位的柔性杆，所述预制自由面系统对待掘进岩体进行应力环境再造。
9、所述导轨系统包括预制自由面系统导轨、旋转支撑定位系统连接件、凿岩系统导轨和劈裂拉剪破岩系统导轨，分别与预制自由面系统、旋转支撑定位系统、凿岩系统和劈裂拉剪破岩系统连接；还包括弧形稳定架连接件和第二稳定支撑油缸连接件；弧形稳定架连接件与弧形稳定架连接，第二稳定支撑油缸连接件与所述第二稳定支撑油缸连接。
10、进一步地，所述自适应智能控制系统在机器人进行掘进作业时，在预制自由面初期，通过自适应智能控制系统对预制自由面过程实时获取掘进参数，自适应智能控制系统的数据采集模块将采集到的钻头的冲击压力w、硬质柔性杆的压力p和单位时间排渣量q数据实时同步，同时通过分析地声传感器在岩体内传输的波速v和钻杆的回转扭矩τ，得到待掘进区域的所需要的劈裂力f、拉拔力t和岩体质量q，将上述数据代入掘进力与岩体质量函数：
11、w＝f(v,τ,f,t,q)
12、p＝m(v,τ,f,t,q)
13、q＝n(v,τ,f,t,q)
14、其中，w为钻头的冲击压力，p为硬质柔性杆的压力，q为单位时间排渣量v为波速，τ为钻杆的回转扭矩，f为劈裂力，t为拉拔力，q为岩体质量。
15、f、m、n分别为钻头的冲击压力w、硬质柔性杆的压力p、单位时间排渣量q与波速v、钻杆的回转扭矩τ、劈裂力f、拉拔力t和待掘进区域岩体质量q的隐函数。
16、进一步地，自适应智能控制过程包括：
17、在预制自由面中后期和掘进破岩中，将掘进力与岩体质量函数的w、p、q作为自适应智能控制系统的适应值，将采集模块实时采集到的钻头的冲击压力w1、硬质柔性杆的压力p1和单位时间排渣量q1作为实际值。
18、通过自适应学习速率法分析掘进数据、实际值和适应值，并调整学习速率来提高网络的预测精度。
19、通过模糊神经网络构建掘进机器人智能决策器的模型，通过可编程逻辑控制器(plc)在预制自由面阶段、掘进破岩阶段对钻孔、劈裂和拉剪分别控制，自动调整作业参数，。
20、通过粒子群算法进一步求救模型，优化plc控制器的参数，输出更精确的智能控制决策，执行器则负责根据智能决策器的指令，通过液压机构等完成具体的控制动作，以防止劈裂拉剪破岩机构卡钻事故的发生。
21、进一步地，如果劈裂拉剪破岩系统出现卡钻问题后，通过动态稳定支撑系统作用在相应的岩体上，控制劈裂油缸对劈裂拉剪破岩系统的椎体、劈片进行收回。
22、优选地，所述动态稳定支撑系统的第一稳定支撑油缸和第二稳定支撑油缸推力≥1500kn，弧形稳定架厚度为≥20mm；
23、优选地，所述劈裂拉剪破岩系统的劈裂油缸推进力为≥30mpa，收回力为≥90mpa；所述预制自由面系统的硬质柔性杆长度≥2500mm，中心螺旋线直径115mm，弹簧粗12mm，顶端扩角度15°；
24、优选地，所述凿岩系统的钻头直径为127mm，钻杆直径为53mm，凿岩机钻进速率≥1m/min；
25、所述的一种基于应力环境再造的自适应掘进机器人的使用方法，包括以下步骤：
26、s1、应力环境再造的自适应掘进机器人在行走出渣系统控制下移动至岩体开采工作面，使用第一稳定支撑油缸在待掘进岩体固定；凿岩系统利用凿岩机在待掘进岩体上钻一个直径130mm、孔深2m的孔，通过第二驱动油缸将凿岩系统退出第一个钻孔；
27、s2、控制预制自由面系统的第一摆动油缸和第二摆动油缸，将硬质柔性杆垂直摆动到钻好的孔口位置处，通过预制自由面系统的液压推进油缸控制第二摆动油缸将硬质柔性杆伸进钻好的孔中；
28、s本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种应力环境再造的自适应掘进机器人，其特征在于，包括：动态稳定支撑系统(1)、劈裂拉剪破岩系统(2)、旋转支撑定位系统(3)、预制自由面系统(4)、凿岩系统(5)、导轨系统(6)、自适应智能控制系统(7)和行走出渣系统(8)；
2.根据权利要求1所述的一种应力环境再造的自适应掘进机器人，其特征在于，所述导轨系统(6)包括预制自由面系统导轨(61)、旋转支撑定位系统连接件(62)、凿岩系统导轨(63)和劈裂拉剪破岩系统导轨(64)，分别与预制自由面系统(4)、旋转支撑定位系统(3)、凿岩系统(5)和劈裂拉剪破岩系统(2)连接；
3.根据权利要求1所述的一种应力环境再造的自适应掘进机器人，其特征在于，自适应智能控制系统(7)在机器人进行掘进作业时，通过数据采集模块实时获取掘进参数，包括钻头(51)的冲击压力W、硬质柔性杆(43)的压力P和单位时间排渣量q，以及地声传感器在岩体内传输的波速v和钻杆(53)的回转扭矩τ；
4.根据权利要求3所述的一种应力环境再造的自适应掘进机器人，其特征在于，自适应智能控制系统(7)通过粒子群算法进一步优化模型，优
5.根据权利要求1所述的一种应力环境再造的自适应掘进机器人，其特征在于，如果劈裂拉剪破岩系统(2)出现卡钻问题后，通过动态稳定支撑系统(1)作用在相应的岩体上，控制劈裂油缸(21)对劈裂拉剪破岩系统(2)的椎体(23)、劈片(24)进行收回。
6.一种应力环境再造的自适应掘进方法，其特征在于，使用权利要求1至5中任一项所述的应力环境再造的自适应掘进机器人，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种应力环境再造的自适应掘进机器人，其特征在于，包括：动态稳定支撑系统(1)、劈裂拉剪破岩系统(2)、旋转支撑定位系统(3)、预制自由面系统(4)、凿岩系统(5)、导轨系统(6)、自适应智能控制系统(7)和行走出渣系统(8)；
2.根据权利要求1所述的一种应力环境再造的自适应掘进机器人，其特征在于，所述导轨系统(6)包括预制自由面系统导轨(61)、旋转支撑定位系统连接件(62)、凿岩系统导轨(63)和劈裂拉剪破岩系统导轨(64)，分别与预制自由面系统(4)、旋转支撑定位系统(3)、凿岩系统(5)和劈裂拉剪破岩系统(2)连接；
3.根据权利要求1所述的一种应力环境再造的自适应掘进机器人，其特征在于，自适应智能控制系统(7)在机器人进行掘进作业时，通过数据采集模块实时获取掘进参数，包括钻...
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