露天煤礦巡檢機器人的設計及現場測試

徐金鑫

（山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業有限公司， 山西 忻州 034000）

引言

帶式輸送機為煤礦生產的關鍵運輸設備，隨著采煤技術和采煤設備自動化水平的提升，煤礦采煤能力不斷提升，帶式輸送機朝著長距離、大運量以及大功率的方向發展。在實際生產中帶式輸送機可能存在跑偏、撕裂、打滑等事故的發生，為避免帶式輸送機事故的發生影響煤礦的正常生產，需對帶式輸送機的運行狀態進行監測。傳統帶式輸送機的人工巡檢的效率低、監測效率低、監測精度低且工作人員勞動強度大[1]，為解決人工巡檢的問題需要為露天煤礦配置巡檢機器人。本文著重對露天煤礦巡檢機器人進行設計，并對其進行現場測試。

1 巡檢機器人的總體設計

本文以對露天煤礦帶式輸送機的監測為背景，為帶式輸送機的運行參數的監測設計巡檢機器人，且著重對帶式輸送機驅動裝置故障、輸送帶失效以及托輥故障等特征進行監測，對應的監測參數為皮帶機的電機溫度、轉速、振動情況；輸送帶的轉速、張力以及偏移角度等。

根據帶式輸送機的故障類型和巡檢機器人的監測參數，可將巡檢機器人分為驅動系統、控制系統和人機交互界面。為保證帶式輸送機的高效運輸效果，對巡檢機器人提出如下要求：

1）要求巡檢機器人能夠實現對長距離帶式輸送機參數的監測，且能夠實時對皮帶機運行參數進行采集；

2）要求巡檢機器人體積適中，不能夠影響皮帶機的正常運行；

3）要求巡檢機器人為電動驅動系統，具有較長的續航里程；

4）要求巡檢機器人可搭載各種傳感器對運行參數進行監測，并與上位機實現無線通訊，且具有實時顯示皮帶機運行參數和故障、報警類型的用戶界面[2]。

根據巡檢機器人的功能要求，設計巡檢機器人的總體結構框圖如圖1所示。

圖1 巡檢機器人總體設計框圖

2 巡檢機器人驅動系統的設計

目前，可應用于巡檢機器人驅動的方式包括有輪式驅動結構、履帶式驅動結構、懸線式驅動結構以及軌道式驅動結構。鑒于露天煤礦帶式輸送機所需巡檢的距離較長、巡檢目標相對單一且巡檢路線固定。本文采用軌道式驅動結構實現對巡檢機器人的驅動控制，具體可通過鋼絲繩拖拽驅動和齒輪齒條驅動方式。

其中，鋼絲繩拖拽驅動結構具有控制簡單、維修方便的優勢，但鑒于露天煤礦溫差較大在寒冷季節容易出現結冰和積水情況影響巡檢機器人的驅動，且鋼絲繩拖拽方式不適用于長距離路線的鋪設。自驅動式齒條齒輪驅動方式具有可靠性高、環境適應性好、結構緊湊等優勢。因此，選擇自驅動式齒輪齒條驅動方式實現對巡檢機器人的驅動控制[3]。此外，對于自驅動式齒輪齒條的驅動方式可將齒條安裝于側面或底部，而將齒條安裝于側面的穩定性較差且裝配工藝較差，齒條安裝于底部對系統的裝配要求高。

綜上所述，選擇將齒條安裝于底部的自驅動式齒條齒輪的驅動系統。結合露天煤礦工作面的實際情況，設定巡檢機器人的最大巡檢速度為0.5 m/s。結合帶式輸送機的坡度和長度，要求巡檢機器人的續航時間不得少于6 h，續航里程不得少于200 m。

根據巡檢機器人的整機質量為25 kg，帶式輸送機最大傾角α為11°，則巡檢機器人電源所輸出的最小扭矩如式（1）所示：

式中：FG為巡檢機器人的重力，取250 N；m為齒輪齒條的模數，取2.5；Z為齒輪的齒數，取23；η為驅動系統的總效率，取0.90。

經計算可得，巡檢機器人的電機的最小扭矩為1.92 N·m。根據上述計算結果，為巡檢機器人驅動系統配置驅動電機，其類型為Maxon EC直流電機，型號為Maxon-4，該型號電機所能提供的最小扭矩為4 N·m。

3 巡檢機器人控制系統的設計

控制系統為巡檢機器人的核心系統，基于控制系統能夠實現系統內各個模塊之間的數據通訊，通過所采集到的數據推斷出帶式輸送機的工作狀態，并對異?，F場發出報警。結合巡檢機器人的功能要求，為其設計如圖2所示的控制系統結構框圖。

圖2 巡檢機器人控制系統結構框圖

如圖2所示，巡檢機器人控制系統主要由控制系統、數據采集系統、通訊系統和電池供電系統組成[4]。結合工控行業中的選型經驗為巡檢機器人控制系統的硬件選型結果如表1所示。

4 巡檢機器人的現場測試

根據上述配置完成巡檢機器人控制系統和驅動系統設計后，為保證其在實際應用中的穩定性和高效性，設計一款巡檢機器人的樣機對其應用情況進行測試分析，主要包括有巡檢機器人的爬坡性能和續航能力進行現場測試。

表1 巡檢機器人控制系統硬件選型結果

4.1 巡檢機器人爬坡性能測試

根據露天煤礦帶式輸送機的使用情況，模擬巡檢機器人所監測帶式輸送機的坡度為20°，巡檢長度為9 m，現場環境的溫度為20～37℃。實踐表明，巡檢機器人可在不同電機轉速下實現平穩爬坡，且爬坡過程中未出現卡頓的現象[5]。此外，經現場測量不同電機轉速下巡檢機器人的爬坡速度與理論速度的差值僅為6%。

4.2 巡檢機器人的續航測試

為充分驗證巡檢機器人的續航能力，在不同環境溫度下測試巡檢機器人的續航時間，測試結果如圖3所示。

圖3 續航測試結果

如圖3所示，巡檢機器人隨著環境溫度的升高，其續航能力提升，且巡檢機器人的平均巡航時間為10 h，滿足續航時間不少于6 h的要求。

4 結論

1）采用齒條安裝于底部的自驅動齒輪齒條的驅動方式，且采用直流電機驅動，并根據巡檢機器人的工作環境為其配置扭矩不小于1.92 N·m的電機；

2）根據巡檢機器人的功能要求，為其主控制系統完成工控機、電機控制器、溫度采集模塊、圖像采集模塊的選型；

3）經對巡檢機器人現場測試可得，其在坡度為20°的工況下工作，其實際巡檢速度與理論巡檢速度的差值僅為6%；在20～37℃環境中的平均續航時間為10 h，滿足續航時間不少于6 h的要求。