專利名稱：懸臂掘進機頭位姿的測量系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種煤礦井下作業的懸臂掘進機頭，具體而言是一種懸臂掘進機頭的位 姿(位置和姿態)的測量系統。
背景技術：
現有煤礦井下巷道掘進廣泛采用懸臂式掘進機。懸臂式掘進機是集截割、裝運、行走、 滅塵等功能于一體的巷道聯合掘進機組，通過掘進機體的行走、懸臂的回轉擺動、垂直擺動、 伸縮運動以及掘進頭的旋轉截割出巷道斷面。掘進機的操縱采用手動方式，司機通過人眼觀 察掘進機頭的運動位置、運動速度和運動趨勢，手動操縱懸臂升降、回轉油缸和掘進機行走 馬達的液壓控制闊，調整掘進機體的位置和掘進機頭的空間位置，實現掘進機頭的位置和姿 態的定位；由于掘進過程中工作面粉塵較大，作業現場光線較差，特別是掘進機頭在掘進巷 道底板時，司機的視線要受到掘進機體的遮擋，使得掘進機頭在巷道掘進過程中，其位置和 姿態難于準確判斷，給掘進機頭的行進控制造成很大困難；另外，在掘進準備和掘進過程中， 手動操縱的掘進機經常需要人工測量已掘進巷道的輪廓尺寸，工人勞動強度大，掘進速度緩 慢，生產效率低，巷道超挖、和欠挖現象嚴重，成本較高，施工質量很大程度上取決于掘進 司機的經驗和熟練程度。雖然有些掘進機上采用了遙控器操縱，如公開號為CN2864092，名 稱為"掘進機恒功率截割的遠程控制裝置"的實用新型專利提出了一種遠程控制裝置，但只 是操作者可以遠離操作位置進行遠程操作，仍然為目測掘進機頭位置和姿態的手工操作方式，
沒有解決掘進機頭位置和姿態的自動測量。公開號為CN201013380,名稱為"全自動掘進機" 的實用新型專利提出采用航天導航定位儀測量掘進機的位置，但沒有測量掘進機車體的位置 和姿態和掘進機頭的位置和姿態。
掘進機車體及掘進機頭的位置和姿態的檢測是掘進巷道斷面成形控制的基礎，為了提高
掘進速度和掘進質量，保證所掘巷道的空間位置、形狀的準確性，掘進過程中必須對掘進機 頭的位置和姿態進行實時測量和定位， 一方面為掘進操作提供參考依據，另一方面通過掘進 機頭位置和姿態的檢測與反饋，可實現掘進過程的自動控制。 發明內容
本實用新型要解決的問題是懸臂掘進機在掘進時掘進頭的位置和姿態的測量問題，解決 人工目測觀察掘進頭的位置和姿態造成巷道掘進斷面成形質量差的問題，其目的是提供一種 懸臂掘進機頭位置和姿態的測量系統。實現上述目的，本實用新型所采用的技術方案包括懸臂掘進機及其懸臂升降油缸、懸臂 回轉油缸和掘進機頭伸縮油缸，反射棱鏡，激光機動全站儀，無線通訊模塊，雙軸傾角傳感 器，油缸行程傳感器，車體偏擺角傳感器，數據采集模塊和計算機，其特征在于激光機動全 站儀設置在己掘成形的巷道壁上，反射棱鏡和雙軸傾角傳感器安裝在懸臂掘迸機的后機架上， 車體偏擺角傳感器安裝在反射棱鏡后，懸臂升降油缸、懸臂回轉油缸和掘進機頭伸縮油缸中 安裝有油缸行程傳感器，兩個無線通訊模塊分別安裝在激光機動全站儀的支架上和掘進機的 控制箱上，無線通訊模塊將激光機動全站儀的測量數據傳輸給計算機，數據采集模塊和計算 機安裝在掘進機的控制箱里，數據采集模塊采集車體偏擺角傳感器、雙軸傾角傳感器和油缸 行程傳感器的數據，計算機對測量數據進行處理，計算掘進機頭的位置和姿態。
本實用新型上述的技術方案所述的激光機動全站儀設置在已掘成形的巷道壁上的位置是 在懸臂掘進機車體后與掘進機的后支架同水平的、距掘進機車體lm 10m之間的巷道壁上； 所述的懸臂掘進機頭的位置和姿態測量系統，其特征在于反射棱鏡是180度的激光測量棱鏡; 所述的懸臂升降油缸、懸臂回轉油缸和掘進機頭伸縮油缸中安裝有油缸行程傳感器是油缸行 程傳感器的測量桿從缸體的安裝端沿軸線插裝在缸體和缸桿里，感應磁環固定在缸桿上，感 應磁環隨著缸桿和油缸活塞的運動沿著測量桿滑動，傳感器引線從缸體的安裝端引出。
本實用新型懸臂掘進機頭位置和姿態的測量系統與現有技術相比，其優點與積極效果在
于
(1) 本實用新型懸臂掘進機頭位置和姿態的測量系統中設置了測量掘進機車體位置和姿
態的激光機動全站儀、180度激光反射棱鏡、掘進機車體偏擺角傳感器、雙軸傾角傳感器和 油缸行程傳感器，實現了掘進機車體相對大地坐標系的三維位置和姿態以及掘進機頭相對掘 進機車體坐標系的位置和姿態的測量，使掘進機頭的位置和姿態的測量不僅相對于掘進機車 體，而且可相對于掘進巷道的大地坐標系，前者有助于掘進過程中對掘進機頭的位置和姿態 的測量與定位控制，后者可實現對成形的巷道輪廓及巷道中心線相對于大地坐標系的定位， 本測量系統的角度測量精度可達1分，位置測量和定位精度在土20mm以內。
(2) 本實用新型懸臂掘進機頭位置和姿態的測量系統，根據礦井的特殊環境，設置防爆 型測量系統，測量過程自動化，位置和姿態測量精度高，解決了掘進司機目測掘進機頭位置 和姿態的定位不準確，超挖和欠挖現象嚴重，控制精度低的問題，降低了勞動強度，改善了 工作環境，提高了巷道成形質量和掘進速度，并為掘進的自動控制提供了條件。
(3) 本實用新型懸臂掘進機頭位置和姿態的測量系統，分別測量掘進機車體的位置和姿 態以及掘進機懸臂各關節的變量值，采用空間坐標變換計算掘進機頭在掘進機車體坐標系和 大地坐標系中的位置和姿態，提高了成形巷道輪廓及其中心線的定位精度。
圖1是本實用新型的結構組成示意圖
圖2是本實用新型的掘進機車體及懸臂坐標系統示意圖
圖3是本實用新型的掘進機車體姿態角示意圖
圖4是本實用新型的掘進機作業坐標系統示意圖
圖5是本實用新型的油缸行程傳感器安裝示意圖
圖中1:計算機 2:無線通訊模塊 3:激光機動全站儀 4:反射棱鏡 5:車體 偏擺角傳感器 6:后機架 7:雙軸傾角傳感器 8:掘進機 9:懸臂升降油缸 10: 懸臂回轉油缸 11:掘進機頭伸縮油缸 12:油缸行程傳感器 13:數據采集模塊 14: 控制箱 15:傳感器引線 16:安裝端 17:感應磁環 18:油缸活塞 19:測量桿 20: 缸體21:缸桿具體實施方式
本實用新型在上述基礎上，下面用懸臂掘進機頭的位置和姿態測量系統的具體實施例來 進一歩詳細說明本實用新型的技術實施方案。 實施例1
如圖1和圖5所示，懸臂掘進機頭的位置和姿態測量系統由懸臂掘進機8的懸臂升降油 缸9、懸臂回轉油缸10和掘進機頭伸縮油缸11，油缸行程傳感器12,激光機動全站儀3，反 射棱鏡4，無線通訊模塊2，車體偏擺角傳感器5，雙軸傾角傳感器7，數據采集模塊13和計 算機1構成。
1) 在掘進機8車體后己掘成形的、與掘進機8的后支架6同水平的、距掘進機車體1米 至10米之間的巷道壁上設置有激光機動全站儀3的安裝平臺，并測量安裝平臺在大地坐標系 中的三維坐標和姿態角，將激光機動全站儀3安裝在該平臺上，激光機動全站儀3的測量方 向朝向掘進機8。
2) 在掘進機8的后機架6上安裝雙軸傾角傳感器7，雙軸傾角傳感器7的兩個測量軸分 別平行于掘進機車體的縱軸和橫軸。
3) 在掘進機8的后支架6上安裝反射棱鏡4，反射棱鏡4是一個可以180度反射激光機 動全站儀3的測量激光的棱鏡，反射棱鏡4的橫軸平行于掘進機車體的橫軸安裝，反射棱鏡 4的反射面朝向激光機動全站儀3。
4) 在反射棱鏡4后緊貼反射棱鏡4安裝掘進機車體偏擺角傳感器5。
5) 沿著軸線，分別對懸臂升降油缸9、懸臂回轉油缸10和掘進機頭伸縮油缸11的缸體 20和缸桿21鉆孔，用于安裝油缸行程傳感器12。油缸行程傳感器12由傳感器引線15、感應磁環17和測量桿19構成，傳感器引線15從缸體20的安裝端16引出，測量桿19從缸體 20的安裝端16沿軸線插裝在缸體20和缸桿21中，感應磁環17固定在缸桿21上，并隨油 缸活塞18和缸桿21的運動沿著測量桿19滑動。油缸行程傳感器12的測量桿19通過螺紋固 定在缸體20中，感應磁環17由壓緊螺母固定在缸桿21中。
6) 無線通訊模塊2有兩個， 一個安裝在激光機動全站儀3的支架上，另一個安裝在掘進 機8的控制箱14上。
7) 計算機1和數據采集模塊13安裝在掘進機8的防爆控制箱14里。 實施例2
如圖2和圖4所示，懸臂掘進機頭位置和姿態的測量方法的解決是建立大地坐標系OXYZ、 測量坐標系0。X。Y。Z。、掘進機車體坐標系0。X。Y。Z。、懸臂回轉關節坐標系0AYA、懸臂升降關 節坐標系02X2Y2Z2、掘進機頭伸縮關節坐標系03XJ3Z3和巷道斷面坐標系OJhYhZh，各坐標系統 串聯構成空間坐標變換尺寸鏈。
圖2所示的掘進機系統的簡化模型上建立了掘進機車體坐標系統和懸臂關節坐標系統。 9 1、 9 2和d分別是掘進機懸臂的回轉關節、升降關節和掘進機頭伸縮關節變量，即懸臂水
平回轉角ei、懸臂垂直升降角e 2和掘進機頭伸縮量d，掘進機懸臂連桿參數為
連桿序號ia hdi9i關節變量
1ai(Tb2、0,
2a2-90°00202
3b3-90°a3+d(Td
相鄰兩連桿的坐標變換關系'-;r為
cos《 一sin《 0 aw
卜卞 sin《cosaw cos《coaZw -sinaM (1)
' sin《sinorw cos《sino^ coso^ diCOsaw
0 0 0 1
掘進機頭坐標系03X3Y3Z3相對掘進機車體坐標系0。X。Y。Z。的位置和姿態變換矩降q/可表示
為
y^T^r^r (2) 掘進機車體坐標系0。X。Y。Z。相對大地坐標系0XYZ的變換。r由掘進機車體相對測量儀器坐 標系0XY。Z。的變換^和測量儀器坐標系(XX。Y。Z。相對大地坐標系0XYZ的變換J兩部分組成。 y的參數包括激光機動全站儀3測量的掘進機車體的三維坐標(Sx Sy, Sz)，雙軸傾角傳感器7測量的掘進機車體的仰俯角a和橫滾角P以及掘進機車體偏擺角傳感器5測量的掘進機 車體偏擺角Y。 ^的計算公式為
^^/ ofl7，"xWo《:r，/ )x/ o《X，a)xTrans (Sx, Sy, Sz) (3)
其中，/to《2，"是繞Z軸旋轉Y角的齊次旋轉變換矩陣；及o/(y，灼是繞Y軸旋轉e角的齊
次旋轉變換矩陣；i o《I,^)是繞X軸旋轉a角的齊次旋轉變換矩陣；TransSx Sy， Sz)是車體坐
標系0。X。Y。Z。相對測量坐標系OXY。Z。的齊次平移變換矩陣。
測量坐標系0。X。Y。Z。相對大地坐標系0XYZ的變換;r由激光機動全站儀3的安裝平臺的三
維位置坐標與姿態角決定，該安裝平臺在大地坐標系中的三維坐標和姿態角通過全站儀預先
測得，所以J為已知量。
掘進機車體坐標系0。X。Y。Z。相對大地坐標系0XYZ的變換。r可由下式計算
07^c7Xr (4) 設掘進機頭在坐標系0^3^中的齊次坐標為
3P = [Px Py Pz l]r (5) 式中記號[]T表示矩陣[]的轉置。
由(2)式可計算掘進機頭相對掘進機車休坐標系0。X。Y。Z。的位置坐標V為
。戶々xlP (6)
由(2)式和(4)式可計算掘進機頭相對大地坐標系OXYZ的位置坐標戶為-尸=07^》3戶 (7)
當掘進機懸臂按水平回轉角e i和垂直升降角e 2擺動時，由(6)式和(7)式可分別計
算掘進機頭在掘進機車體坐標系和大地坐標系中的位置和姿態，實現掘進機頭的位置和姿態 的測量。
懸臂掘進機頭的位置和姿態測量方法的步驟為
1) 啟動激光機動全站儀3，激光機動全站儀3自動捕捉和跟蹤掘進機8上的180度激光 反射棱鏡4，測量掘進機車體的三維坐標Sx、 Sy和Sz。
2) 安裝在180度激光反射棱鏡4后的掘進機車體偏擺角傳感器5測量激光機動全站儀3 的測量激光射入反射棱鏡4的水平入射角，也就是掘進機車體的偏擺角Y。
3) 掘進機8的后機架6上安裝的雙軸傾角傳感器7測量掘進機車體的仰俯角a和橫滾 角0。4) 掘進機8的懸臂升降油缸9、懸臂回轉油缸10和掘進機頭伸縮油缸11中的油缸行程 傳感器12為線性測量傳感器，感應磁環17相對測量桿19的位置通過測量桿19里的測量電 路轉換成反映油缸行程量的電信號，由油缸行程傳感器12輸出電壓信號，經下式計算懸臂各 關節的變量值ei、 6 2和d:
其中，X為各關節的變量值9 1或0 2或d; V為油缸行程傳感器的輸出電壓值；k為測 量系數，由傳感器、電路及機械參數決定。
5) —對無線通訊模塊2將上述1)中所述的激光機動全站儀3的測量數據傳輸給掘進機 8控制箱14中的計算機1。
6) 掘進機8控制箱14里的數據采集模塊13采集車體偏擺角傳感器5、雙軸傾角傳感器 7和油缸行程傳感器12的測量數據，并傳輸給計算機1。
7) 計算機1根據上述測量數據，由上述(6)式和(7)式分別計算掘進機頭相對掘進 機車體坐標系和大地坐標系的位置和姿態，即測量得到掘進機頭的位置和姿態。
權利要求1. 懸臂掘進機頭位姿的測量系統，包含有懸臂掘進機(8)及其懸臂升降油缸(9)、懸臂回轉油缸(10)和掘進機頭伸縮油缸(11)，反射棱鏡(4)，激光機動全站儀(3)，無線通訊模塊(2)，雙軸傾角傳感器(7)，油缸行程傳感器(12)，車體偏擺角傳感器(5)，數據采集模塊(13)和計算機(1)，其特征在于激光機動全站儀(3)設置在已掘成形的巷道壁上，反射棱鏡(4)和雙軸傾角傳感器(7)安裝在懸臂掘進機(8)的后機架(6)上，車體偏擺角傳感器(5)安裝在反射棱鏡(4)后，懸臂升降油缸(9)、懸臂回轉油缸(10)和掘進機頭伸縮油缸(11)中安裝有油缸行程傳感器(12)，兩個無線通訊模塊(2)分別安裝在激光機動全站儀(3)的支架上和掘進機(8)的控制箱(14)上，無線通訊模塊(2)將激光機動全站儀(3)的測量數據傳輸給計算機(1)，數據采集模塊(13)和計算機(1)安裝在掘進機(8)的控制箱(14)里，數據采集模塊(13)采集車體偏擺角傳感器(5)、雙軸傾角傳感器(7)和油缸行程傳感器(12)的數據，計算機(1)對測量數據進行處理，計算掘進機頭的位置和姿態。
2. 如權利要求1所述的懸臂掘進機頭位姿的測量系統，其特征在于激光機動全站儀(3) 設置在已掘成形的巷道壁上的位置是在懸臂掘進機(8)車體后與掘進機(8)的后支架(6)同水 平的、距掘進機車體lm 10m之間的巷道壁上。
3. 如權利要求1所述的懸臂掘進機頭的位姿測量系統，其特征在于反射棱鏡(4)是180度 的激光測量棱鏡。
4. 如權利要求1所述的懸臂掘進機頭位姿的測量系統，其特征在于懸臂升降油缸(9)、懸 臂回轉油缸(10)和掘進機頭伸縮油缸(11)中安裝有油缸行程傳感器(12)是油缸行程傳感器 (12)的測量桿(19)從缸體(20)的安裝端(16)沿軸線插裝在缸體(20)和缸桿(21)里，感應磁環 (17)固定在缸桿(21)上，感應磁環(17)隨著缸桿(21)和油缸活塞(18)的運動沿著測量桿(19) 滑動，傳感器引線(15)從缸體(20)的安裝端(16)引出。
專利摘要懸臂掘進機頭位姿的測量系統，特征是激光機動全站儀設置在已掘成形的巷道壁上，測量掘進機車體在大地坐標系的坐標，車體偏擺角傳感器安裝在反射棱鏡后，測量掘進機車體偏擺角，雙軸傾角傳感器測量掘進機車體仰俯角和橫滾角，油缸行程傳感器安裝在懸臂升降、懸臂回轉和掘進機頭伸縮油缸中測量油缸行程，無線通訊模塊和數據采集模塊將激光機動全站儀、油缸行程傳感器、雙軸傾角傳感器和車體偏擺角傳感器的測量數據傳輸給計算機，計算機采集和處理，并計算懸臂掘進機頭相對車體以及大地坐標系的位姿，實現懸臂掘進機頭位姿的測量。本實用新型具有實時性好，精度高，適用于懸臂掘進機等掘進設備的掘進機頭位姿的測量。
文檔編號E21C25/06GK201247045SQ200820077149
公開日2009年5月27日 申請日期2008年4月30日 優先權日2008年4月30日
發明者廉自生, 萍 李, 李元宗, 李軍利, 王維虎, 邢建華, 郭厚明 申請人:山西焦煤集團有限責任公司;太原理工大學