礦用巡檢機(jī)器人能源動(dòng)力技術(shù)研究

金建成

（中國(guó)華能華亭煤業(yè)集團(tuán)華亭煤礦，甘肅 華亭 744100）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家極力推進(jìn)煤礦企業(yè)向“數(shù)字化、無(wú)人化”的方向發(fā)展，為響應(yīng)國(guó)家政策，各地煤礦積極地開(kāi)展井下“無(wú)人化”改造工作[1]。在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中，具有運(yùn)量大、運(yùn)力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)的皮帶運(yùn)輸機(jī)是煤炭開(kāi)采的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，其一旦發(fā)生故障，會(huì)對(duì)生產(chǎn)以及人員產(chǎn)生極大威脅，因此，對(duì)皮帶機(jī)巡檢工作的無(wú)人化改造是改造工作中極為重要的一環(huán)[2]。目前，普遍采用的方法是由巡檢機(jī)器人來(lái)完成無(wú)人化的巡檢工作，盡管許多專(zhuān)業(yè)人員對(duì)巡檢機(jī)器人的能源供給問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，但其一直是困擾巡檢技術(shù)發(fā)展的重大阻礙。

1 巡檢機(jī)器人供電裝置設(shè)計(jì)研究

巡檢機(jī)器人的供電裝置主要由充電插座、充電插頭以及充電箱組成。其中，插頭固定于軌道，通過(guò)電纜與充電箱連接，充電插座集成于機(jī)器人本體，可以隨機(jī)器人進(jìn)行移動(dòng)。插座和插頭均設(shè)計(jì)有遮塵機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)防塵、防水保護(hù)。防爆充電裝置采用電氣閉鎖技術(shù)，當(dāng)不充電或處于故障狀態(tài)時(shí)，繼電器打開(kāi)，機(jī)器人無(wú)法接觸到電壓信號(hào)，觸點(diǎn)嚴(yán)禁帶電，以保障運(yùn)行安全；當(dāng)機(jī)器人接收到充電指令且機(jī)器人運(yùn)行到預(yù)定充電位置后，繼電器閉合，充電樁與機(jī)器人之間構(gòu)成閉環(huán)回路即可正常充電。

初始狀態(tài)：插座、插頭各有一套隔爆閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)，初始狀態(tài)下隔爆閥處于關(guān)閉狀態(tài)，形成隔爆腔；插頭、插座的隔爆閥腔體中各有4個(gè)接線柱，初始狀態(tài)下，接線柱均不帶電。

充電狀態(tài)：當(dāng)執(zhí)行充電命令后，機(jī)器人本體帶著插座向插頭移動(dòng)，通過(guò)導(dǎo)向桿、導(dǎo)向套導(dǎo)正后保證插座的前端與插頭前端的圓形臺(tái)階對(duì)正插入，觸發(fā)機(jī)械閉鎖機(jī)構(gòu)后，形成隔爆腔，滿(mǎn)足圓筒隔爆要求；同時(shí)觸發(fā)到位開(kāi)關(guān)，延時(shí)5 s后，插座和插頭的隔爆閥均開(kāi)始動(dòng)作，執(zhí)行打開(kāi)命令。當(dāng)隔爆閥完全打開(kāi)后，插頭1的隔爆導(dǎo)柱向前移動(dòng)，使插頭和插座的4個(gè)接線柱接觸，檢測(cè)到位后，開(kāi)始充電。

分離狀態(tài)：當(dāng)檢測(cè)到蓄電池已經(jīng)充滿(mǎn)電后，插頭和插座的4個(gè)接線柱斷電，插頭的隔爆導(dǎo)柱開(kāi)始反向移動(dòng)，遠(yuǎn)離插座。當(dāng)檢測(cè)隔爆導(dǎo)柱到達(dá)初始位置時(shí)，插頭與插座的隔爆閥開(kāi)始旋轉(zhuǎn)關(guān)閉，形成隔爆腔。檢測(cè)隔爆閥關(guān)閉到位后，卸扣執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，機(jī)械閉鎖機(jī)構(gòu)釋放，插座與插頭分離，同時(shí)插座遮塵罩機(jī)構(gòu)和插頭遮塵罩機(jī)構(gòu)開(kāi)始動(dòng)作，插座遮塵罩和插頭遮塵罩關(guān)閉，發(fā)揮防塵、防水的作用，充電動(dòng)作結(jié)束。

機(jī)器人具備防爆充電功能后，就不需要在現(xiàn)場(chǎng)更換電池并拿到其他地點(diǎn)充電了，且充電閉鎖設(shè)計(jì)完備，可以防止不安全操作，保障了充電的安全性。其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕且電壓輸入范圍寬，適用于電壓波動(dòng)大的情況，充電效率高，發(fā)熱量小，不存在溫升導(dǎo)致設(shè)備高溫失效的問(wèn)題，同時(shí)還有防爆設(shè)計(jì)，可以在易燃、易爆環(huán)境中使用。

2 巡檢機(jī)器人供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 供電電池設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

對(duì)煤礦巡檢機(jī)器人供電電池的首要要求是電池的續(xù)航能力。而目前，我國(guó)煤礦巡檢機(jī)器人大多采用鉛酸蓄電池，鉛酸蓄電池具有較多的弊端：使用壽命短、維護(hù)量大、充電時(shí)間長(zhǎng)以及安全性能較低。而鋰電池是一種使用新型環(huán)保材料的電池，具有體積小、重量輕、密度高、壽命長(zhǎng)、耐溫差大以及安全性能好等優(yōu)點(diǎn)。2種電池性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 鋰電池與鉛酸蓄電池性能對(duì)比

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在重量能量密度、體積能量密度以及使用壽命等方面，鋰電池具有較大優(yōu)勢(shì)，約為鉛酸蓄電池的2～3倍，這使鋰電池更輕、更小；另外，鋰電池充電速度較快，環(huán)保性能較好。

為保證巡檢機(jī)器人在煤礦井下依然能夠穩(wěn)定、高效地工作，選用高性能的鋰離子低溫電池作為工作狀態(tài)下的供電電源。低溫鋰電池是一種采用特殊材料及工藝制成的電池，其放電容量及工作性能表現(xiàn)優(yōu)異。低溫鋰電池具有常規(guī)鋰電池的安全性能和存儲(chǔ)功能，可以有效提高電池的放電性能，降低電池內(nèi)阻，達(dá)到高倍率放電的效果[3]。

在滿(mǎn)足煤礦井下巡檢機(jī)器人續(xù)航要求的前提下，設(shè)計(jì)了一種容量為23 Ah、電壓為3.79 V的低溫鋰電池，其具體的單體性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 低溫鋰電池單體性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電池在模擬環(huán)境以及無(wú)外部加熱條件的情況下，以0.8 C放電，截至電壓為2.5 V時(shí)，放電容量大于80%，同時(shí)初始最低電壓大于3.2 V。兩電池實(shí)驗(yàn)組均滿(mǎn)足性能要求，其中，C02-008實(shí)驗(yàn)組表現(xiàn)更優(yōu)。實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的鋰電池符合《礦用鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求》的相關(guān)要求且滿(mǎn)足煤礦巡檢機(jī)器人的續(xù)航要求。

所研制的供電電源系統(tǒng)由28個(gè)鋰電池單體電芯組成，另配有電池箱體、含模塊化電氣輔件以及1套電源管理系統(tǒng)。該電源系統(tǒng)的鋰電池組整體性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 鋰電池組性能參數(shù)

所設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)整體電壓為48V、容量為20Ah且其外殼防護(hù)達(dá)到了IP65級(jí)別。

2.2 電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于供電電源由28個(gè)鋰電池單體電芯組合而成，因此，為使鋰電池組能夠穩(wěn)定、安全地工作，必須為其設(shè)置1套可靠的電源管理系統(tǒng)。巡檢機(jī)器人上設(shè)置有雙目相機(jī)、激光避障傳感器、溫濕度傳感器以及紅外熱成像儀等多種傳感器，各傳感器所要求的額定電壓、額定電流各不相同，可靠的電源管理系統(tǒng)能夠?yàn)楦饔秒娫骷峙錅?zhǔn)確的電壓與電流，在延長(zhǎng)各元器件壽命的同時(shí)也保證系統(tǒng)可以安全、高效地運(yùn)行。

所設(shè)計(jì)的鋰電池組電源管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：1）實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地采集并分析電源的充電電壓信號(hào)、放電狀態(tài)下的電壓信號(hào)、電流信號(hào)以及電源溫度。2）檢測(cè)電池組的剩余電量。3）與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。4）電池保護(hù)。5）故障分析與報(bào)警[3]。

鋰電池組電源管理系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：電源系統(tǒng)控制開(kāi)關(guān)接通后，電源管理系統(tǒng)上線，管理系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化自檢，閉合電源系統(tǒng)動(dòng)力輸出回路；如果檢測(cè)到電池組剩余電量不足，則信號(hào)與外部充電機(jī)電壓信號(hào)進(jìn)入充電模式，為巡檢機(jī)器人充電，否則進(jìn)入放電模式；實(shí)時(shí)采集電流、電壓以及溫度等信號(hào)，判斷電池保護(hù)模塊的啟停，監(jiān)測(cè)分析與故障報(bào)警；電源系統(tǒng)控制開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，電源系統(tǒng)下線。其工作流程如圖1所示。

圖1 電源管理系統(tǒng)工作流程圖

該電池管理系統(tǒng)采用充、放異口方案，支持加熱控制、外部開(kāi)關(guān)控制以及485通信，具有過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)、過(guò)流保護(hù)以及溫度保護(hù)等功能，滿(mǎn)足自行走軌道式巡檢機(jī)器人在礦下巡檢應(yīng)用項(xiàng)目中的使用需求。

3 巡檢機(jī)器人充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 充電系統(tǒng)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的高度無(wú)人化運(yùn)行，該文還設(shè)計(jì)了分布式全自動(dòng)充電站，以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)充電的功能。正常情況下，機(jī)器人運(yùn)行不需要人員參與，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)人化巡檢與值守。長(zhǎng)距離巡檢路徑中設(shè)置有多個(gè)充電站，分布式充電站可自動(dòng)為巡檢機(jī)器人充電，當(dāng)機(jī)器人剩余電量低于設(shè)定閾值時(shí)，機(jī)器人在控制系統(tǒng)的操控下，自主前往距離最近的充電站進(jìn)行充電，電量充滿(mǎn)后自動(dòng)開(kāi)始巡檢作業(yè)，不需要額外的人為干預(yù)，極大地減少了人工充電的勞動(dòng)強(qiáng)度[4]。

分布式充電站的核心裝置為充電機(jī)構(gòu)與充電箱體，采用接觸式防打火充電技術(shù)，既安全又可靠。

充電機(jī)構(gòu)可以在機(jī)器人接入時(shí)通過(guò)導(dǎo)電板為機(jī)器人充電，機(jī)器人則通過(guò)充電觸頭獲取電能，將電能儲(chǔ)存在鋰電池組中。巡檢機(jī)器人的充電過(guò)程如下：當(dāng)機(jī)器人駛?cè)霗C(jī)庫(kù)的指定位置時(shí)，位于巡檢機(jī)器人本體上的限位傳感器檢測(cè)到安裝在機(jī)庫(kù)側(cè)壁上的到位檢測(cè)板，限位傳感器給上位機(jī)發(fā)送信號(hào)，上位機(jī)則下達(dá)“到達(dá)充電位置”控制命令，并控制機(jī)器人停車(chē)制動(dòng)。巡檢機(jī)器人根據(jù)自身電量判斷是否需要充電，如果此時(shí)機(jī)器人剩余電量低于預(yù)設(shè)閾值，則會(huì)停留在充電站并等待充電器供電，否則駛離充電站；充電站控制系統(tǒng)檢測(cè)到機(jī)器人停留時(shí)長(zhǎng)達(dá)到預(yù)設(shè)“充電延時(shí)”的時(shí)長(zhǎng)閾值后，便會(huì)給充電機(jī)構(gòu)通電，并通過(guò)充電觸頭與機(jī)器人鋰電池組建立充電回路，開(kāi)始充電。

為了確保充電機(jī)構(gòu)與巡檢機(jī)器人充電觸頭的可靠接觸，導(dǎo)電板被設(shè)計(jì)為滑觸式，這是一種可升降彈性自適應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要包括導(dǎo)電板與彈性柱塞。在機(jī)器人到達(dá)充電位置時(shí)，導(dǎo)電板會(huì)被充電觸頭頂起，受彈性柱塞的作用，會(huì)對(duì)導(dǎo)電板施加一定的正壓力，使導(dǎo)電板壓緊充電觸頭，確保充電時(shí)導(dǎo)電裝置的可靠接觸。

此外，巡檢機(jī)器人本體上設(shè)置有應(yīng)急充電接口。當(dāng)巡檢機(jī)器人因特殊情況不能正常使用自動(dòng)充電功能時(shí)，可以使用應(yīng)急充電線將充電箱與機(jī)器人本體上的應(yīng)急充電接口連接起來(lái)，手動(dòng)為巡檢機(jī)器人進(jìn)行應(yīng)急充電操作。避免了機(jī)器人在充電站因故障而發(fā)生卡死的現(xiàn)象。

3.2 充電輔熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

充電輔熱系統(tǒng)主要的作用是為鋰電池提供合適的充電溫度。在進(jìn)行自動(dòng)充電作業(yè)時(shí)，電池組的隔熱保溫設(shè)計(jì)與電池組內(nèi)部配備的輔助加熱模塊相互配合，確保電池在充電之前達(dá)到充電所要求的溫度范圍，實(shí)現(xiàn)充電效率最大化的同時(shí)，保障充電的安全性。

電池組可以輔助加熱系統(tǒng)電路。在某些特殊情況下，機(jī)器人自身的保溫加熱系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足充電所要求的條件，為滿(mǎn)足煤礦井下的使用需求，保證設(shè)備的可靠運(yùn)行，在充電站增加外部加熱設(shè)備，對(duì)電池進(jìn)行加熱保護(hù)。外部加熱設(shè)備是在充電箱內(nèi)設(shè)置硅膠加熱片及溫度傳感器。在充電前先為機(jī)器人加熱，滿(mǎn)足充電溫度條件后，再為機(jī)器人充電。溫度傳感器檢測(cè)到充電箱內(nèi)的溫度低于設(shè)定的溫度閾值時(shí)，控制系統(tǒng)便會(huì)給硅膠加熱片通電加熱，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到溫度適當(dāng)時(shí)，控制系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)加熱電路，停止對(duì)硅膠加熱片通電，從而控制溫度。

4 充電機(jī)庫(kù)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)驗(yàn)

4.1 機(jī)庫(kù)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核

為避免巡檢機(jī)器人充電裝置在煤礦井下受到滲水的影響，也為了避免機(jī)器人充電時(shí)因?qū)щ姲辶芩鴮?dǎo)致供電箱漏電，在充電站及軌道的外側(cè)設(shè)置有充電站機(jī)庫(kù)。除上述作用外，機(jī)庫(kù)也可在機(jī)器人待機(jī)檢修時(shí)為機(jī)器人提供保護(hù)，為了便于檢修操作，機(jī)庫(kù)頂蓋設(shè)計(jì)為可開(kāi)合式，頂蓋關(guān)閉時(shí)用彈簧卡進(jìn)行鎖緊，需要檢修時(shí)可以快速開(kāi)蓋進(jìn)行檢修。

在充電站機(jī)庫(kù)整體結(jié)構(gòu)中，鉸鏈與安裝架作為主要受力部件，其設(shè)計(jì)合理度與強(qiáng)度極為重要。現(xiàn)對(duì)鉸鏈進(jìn)行校核計(jì)算。選用高負(fù)載鉸鏈的負(fù)載力可達(dá)450 N，單側(cè)配置數(shù)量為3個(gè)，總負(fù)載能力為1 350 N，頂蓋重量約為300 N，所選鉸鏈安全系數(shù)為4.5，強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

為保證內(nèi)部安裝架的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，安裝架的材質(zhì)選用合金鋼材質(zhì)。對(duì)安裝架進(jìn)行ANSYS靜力學(xué)受力分析，建立幾何模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，添加約束與載荷，直觀展示其受力規(guī)律。分析表明，在正常受力狀態(tài)下，其產(chǎn)生的最大應(yīng)力為87.26 MPa，而所選合金鋼的屈服強(qiáng)度為620.42 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力，安全系數(shù)達(dá)到7.11，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)安裝與實(shí)驗(yàn)

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性，電源現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所使用的樣機(jī)包括巡檢機(jī)器人的所有系統(tǒng)，例如供電系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及傳感系統(tǒng)等。為模擬真實(shí)工況，實(shí)驗(yàn)選擇的軌道具有小于25°的斜坡，水平大于1.5 m、垂直大于4 m的轉(zhuǎn)向半徑，行走速度調(diào)整為0.1 m/s～0.5 m/s自適應(yīng)，雙目相機(jī)、激光避障傳感器、溫濕度傳感器以及紅外熱成像儀等多種傳感器全部開(kāi)機(jī)處于工作狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度0 ℃。

巡檢機(jī)器人滿(mǎn)載60 kg，所有用電元器件滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，在上述實(shí)驗(yàn)條件下，充電時(shí)間小于2 h，每次充電可不間斷運(yùn)行大于8 h，雙機(jī)交替充電工作即可實(shí)現(xiàn)24 h不間斷巡檢，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的巡檢要求。

5 結(jié)語(yǔ)

該文所研制的應(yīng)用于煤礦井下的礦用巡檢機(jī)器人充電供電系統(tǒng)應(yīng)用大容量、耐低溫鋰電池，保證了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定工作，該系統(tǒng)具有以下5個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）供電充電系統(tǒng)具備低溫適應(yīng)能力，在煤礦井下能夠維持系統(tǒng)正常工作狀態(tài)。2）鋰電池組電源管理系統(tǒng)具有自主判斷充放電模式、監(jiān)測(cè)故障與電池保護(hù)的功能。3）長(zhǎng)距離巡檢路徑中分布的多個(gè)充電站使巡檢機(jī)器人真正實(shí)現(xiàn)了24 h不間斷巡檢，達(dá)到了自動(dòng)充電、無(wú)人值守的目的。4）充電輔熱系統(tǒng)能夠使機(jī)器人充電效率最大化，同時(shí)保障充電的安全性。5）IP65級(jí)別的防水機(jī)庫(kù)為巡檢機(jī)器人的安全充電提供了保護(hù)，同時(shí)也為機(jī)器人提供了快速檢修的平臺(tái)。