井下膠帶機道自動巡檢機器人的研究與應用

張 永，趙 偉

(棗莊礦業集團新安煤業有限公司，山東 棗莊 277642)

隨著我國人口老齡化程度加劇，企業減員提效政策的實施，迫切需要開展膠帶機巡檢的智能化研究。針對膠帶機巡檢面臨的勞動力減少及傳統檢測手段缺失的問題，探索通過機器人技術輔助人工巡檢或者代替人工巡檢，在減輕基層員工勞動強度的同時，也降低人工巡檢的安全風險，實現有效、可靠巡檢，能夠有效提升煤礦企業的本質安全管理水平。隨著科學技術的快速發展，越來越多的機器人出現在我們身邊，像變電站巡檢機器人、安防機器人、石化領域應用的滅火偵查機器人無不映射著科技的魅力[1-3]。2019年，政府工作報告中提出了“智能+” 的重要戰略，這是“智能+”首次寫入政府工作報告，卻已是人工智能連續3年被寫入政府工作報告，也反映出國家在推動智能化發展中擁有的決心。國家煤礦安全監察局也提出要大力發展和推廣在煤礦井下等易爆危險場所應用具備巡檢、勘察、探測等功能的機器人，以代替人工，降低勞動風險和強度，提高勞動效率。巡檢機器人不僅能將巡檢員從惡劣的工作環境中解脫出來，減輕工人的勞動強度，而且能提高巡檢質量，實現設備保護由點監護提升到面監護，對設備故障進行超前預控，減少設備停機時間，降低機電事故造成的經濟損失，延長設備使用壽命，創造可觀的經濟效益，對煤礦安全生產具有重大意義[4-6]。另外，礦用巡檢機器人在礦山應用后，能夠有效減輕基層員工的勞動強度和人員需求，對礦山“減員提效”提供支撐，同時能有效提升煤礦企業的本質安全管理水平，對煤礦工業機器人的技術革新具有重要的理論研究價值和現實意義。

1 研究方法及技術路線

(1)研究方法[7-9]。①通過對機器人系統硬件的研發，使之具備無線通信系統、設備的穩定發電供電系統、現場聲音采集系統、可見光及熱成像檢測系統、多氣體檢測裝置。②通過對上位機軟件的研發，使之具備監控部分、聲音采集部分、視頻分析部分、歷史報表部分、數據存儲部分。③通過對機器人硬件設備的研究、機器人機軟件開發，組成整體機器人系統，使機器人能夠代替人在膠帶機道進行巡檢。

(2)技術路線[10-12]。①對新安煤礦實際情況進行分析，設計科學合理的技術方案。②調研論證井下膠帶機道自動巡檢機器人技術方案的可行性。③進行理論分析和設計，樣機生產、調試、優化。④技術方案的現場實施。研究技術路線如圖1所示。

圖1 研究技術路線Fig.1 Research technical route

2 井下膠帶機道自動巡檢機器人系統

系統主要由機器人本體、基站、軌道系統、遠程控制站組成[13-15]。井下膠帶機道自動巡檢機器人系統如圖2所示。

圖2 井下膠帶機道自動巡檢機器人系統Fig.2 Automatic inspection robot system for underground belt conveyor track

2.1 巡檢機器人本體設計

巡檢機器人本體設計有本安雙視云臺攝像機(含紅外熱像儀、可見光攝像機、補光燈)、避障傳感器、天線、前置攝像機、RFID、補光燈等，能夠自動沿軌道往復移動，對煤礦生產設備及生產環境進行全方位監測。巡檢機器人本體實物如圖3所示。

圖3 巡檢機器人本體實物Fig.3 Physical inspection robot body

2.2 無線基站

無線基站主要包括無線設備模塊、定向天線、饋線等[16-18]，搭建無線通信網絡平臺，實現整個系統中上位機與巡檢機器人本體之間的信息傳輸，也允許符合國際標準的其他無線設備接入網絡。無線基站實物如圖4所示。

圖4 無線基站實物Fig.4 Wireless base station

2.3 機器人運行軌道

機器人運行軌道采用標準8號工字鋼軌道，高度80 mm，寬度50 mm，腹板厚度5 mm，單根軌道長度6 m，單重8.33 kg/m，長度以及軌道彎曲角度依據現場情況調整，并實施不同安裝方案。機器人運行軌道如圖5所示。

圖5 機器人運行軌道示意Fig.5 Robot running track

2.4 巡檢機器人控制軟件

巡檢機器人控制軟件用于巡檢機器人采集信息的顯示、報警、存儲、查詢及智能化學習和分析處理。工作站界面由系統、控制、查詢、配置等部分組成，程序啟動后，通過選擇菜單欄，可進入相應的界面，實現機器人遠程控制。

3 井下膠帶機道自動巡檢機器人設計

3.1 自發電設計

發電機機構組件主要由驅動支架、發電機、主動輪、從動輪和減速器組成，主動輪和從動輪安裝在驅動支架上，與減速器組成伺服輪結構，發電機輸出軸安裝有小齒輪，與減速機嚙合[19-20]。巡檢機器人工作時，主動輪和從動輪分別位于軌道的兩側并將軌道夾緊，在鋼絲繩牽引下，主動輪與軌道摩擦轉動，變速后帶動發電機旋轉，輸出電能。發電機設計安裝在防爆箱體內，滿足礦用防爆技術要求。發電機機構組件如圖6所示。

3.2 控制及傳感器技術設計

機器人本體核心包括：機器本體控制單元、外圍傳感器、高亮度補光燈、發電管理系統、無線通信模塊、本安雙視云臺等關鍵部分。控制及傳感器技術如圖7所示。

圖6 發電機機構組件Fig.6 Generator mechanism components

圖7 控制及傳感器技術Fig.7 Control and sensor technology

3.3 上位機軟件設計

上位機軟件設計流程如圖8所示。

圖8 上位機軟件設計流程Fig.8 Design process of host computer software

上位機軟件主要包括登錄模塊、主監測界面模塊、數據分析模塊、調試升級模塊、設備信息模塊、歷史報表模塊。

(1)采用MODBUS TCP通信協議與井下膠帶智能機器人進行遠程通信，實現機器人控制、實時采集顯示機器人運行數據功能。

(2)實現機器人可見光圖像、紅外熱成像圖像的實時采集、顯示、實現云臺攝像機控制、抓拍、錄像、語音對講等功能。

(3)通過可見光攝像機實時采集現場膠帶機設備工作是否異常，對于超限運行的設備，及時發出語音報警提示。

(4)實現有毒有害氣體濃度顯示、分析、報警。

4 系統優點及功能

4.1 系統優點

(1)機器人軌道系統采用標準工字鋼型材，首尾通過特殊的鎖扣進行連接，使機器人運行更加平穩。軌道連接處采用柔性吊掛方式與巷道頂板或側壁進行連接，避免了巷道受地壓變形時對軌道產生影響。

(2)機器人本體搭載多傳感器，高清攝像儀、紅外熱像儀、拾音器、避障傳感器、多參數氣體測定儀、煙霧傳感器，確保機器人巡檢過程的高效及全面性。

(3)高效穩定的無線通信網絡。通過數臺防爆無線基站均勻地分布在膠帶沿線，每臺基站通過光纖進行串聯，最終與地面工作站連接在一起，組成一個網絡系統。為了避免井下高濕度對無線信號的影響，機器人本體采用雙天線設計，有效提升了無線信號的連接質量和基站之間的切換速度。

(4)智能的地面控制及分析系統。該系統主要以工作站作為支撐，結合機器人現場采集的信息，通過“視”、“聽”、“覺”全方位地對現場設備進行智能分析保護，同時能將分析后的數據傳遞到上級管理部門，實現數據信息共享，膠帶機各項保護更立體化、全面化，有效縮短設備的非正常停機時間，提升噸煤效益。

4.2 系統功能

(1)智能分析：通過音頻、視頻、相關傳感器等設備，豐富機器人自身的識別功能，基于大數據分析預警技術，對煤礦設備運行故障超前預判、預警，減少故障停機時間。在膠帶巡檢應用中，可與固定值守機器人相配合，為設備提供更完善的監控。智能分析如圖9所示。

圖9 智能分析Fig.10 Intelligent analysis

(2)具備音頻異常分析功能，如電機、軸承等，音頻異常報警。

(3)具備雙向對講功能，滿足遠程人員指揮、警告現場作業人員。

(4)具備語音智能提示功能，遠程端、機器人本體端都具備語音智能提示，如警告人員避讓、設備異常、自身異常報警提示等。

5 效益分析

5.1 經濟效益

巡檢人員按4班3運轉配置，井下每條膠帶最少需要4名巡檢工，年工資總和40萬元左右，加上操作用工具、其他辦公耗材等費用，每年人工巡檢的費用約50萬元。如果推行使用巡檢機器人，將大大降低巡檢工人數量，為煤礦帶來可觀的效益。同時，機器人實施后，可以有效對故障進行預判，降低重大事故發生概率，同時能有效縮短設備非正常停機時間，經濟效益巨大。

5.2 社會效益

項目開發成功后，不僅能大量減少人工費用，同時可與設備控制系統融為一體，將點保護變為面保護，大大提高生產效率和設備運行的可靠性、安全性，提升了礦山的智能化水平，還能提升集團公司裝備制造的核心競爭力。

6 結語

巡檢機器人可以代替巡檢工定時、定點、高質量地完成井下設備的日常巡檢任務，機器人本體吊掛于軌道在巷道內往復運行，模擬巡檢工井下巷道行走，巡檢機器人搭載多種傳感器，實時采集巡檢現場的圖像、聲音、紅外熱像及溫度數據、煙霧、多種氣體濃度參數等信息，不僅模擬實現巡檢工巡檢作業時的“望、聞、問、切”，而且將傳統的無法復現記錄和不能準確量化對比的人工感官現象，以圖像、聲音和準確的數據實時歸類存儲，便于故障問題的查詢復現。巡檢機器人在完成巡檢工日常巡檢任務的基礎上，增加了強大的智能化大數據分析功能，它將采集到的數字化信息采用智能感知關鍵技術算法進行深入處理，綜合分析、準確判斷設備當前運行狀態，并基于大數據分析預警技術，對煤礦設備運行故障超前預判、預警，減少故障停機時間。巡檢機器人不僅能將巡檢員從惡劣的工作環境中解脫出來，大量減少人工費用，同時可與設備控制系統融為一體，將點保護變面保護，大大提高生產效率和設備運行的可靠性、安全性，提升了礦山的智能化水平外，提升集團公司裝備制造的核心競爭力，對煤炭安全生具有重要的戰略意義。

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