礦井智能巡檢機器人系統模型構建

劉潤虎

(國能神東煤炭集團有限責任公司大柳塔煤礦，陜西 榆林 719315)

0 引言

隨著井下開采面積的不斷增大，各種大型防爆機械設備也越來越多，使得井下變電所變得越來越重要，但是變電所占地面積大，各種電回路多，運行工作環境復雜。國家加大力度整治和規范煤礦的本質安全型管理，同時極力推進煤礦企業向“自動化、數字化、無人化”方向發展。同時隨著人口老齡化的加劇及用工成本的攀升，“減員提效”已經成為該行業內推動發展的有力措施，所以急需大量的機械化、智能化設備來削弱日常生產對人員的需求。

防爆巡檢機器人的誕生是科學技術高速發展后的產物。它不同于傳統的控制檢測設備，因為傳統控制檢測設備僅僅依靠固定的傳感器辨別故障發生，重點巡檢部位必須由人工完成。而新一代的防爆巡檢機器人不僅具備傳統控制檢測設備的功能，而且能夠通過自身的“鼻子”“眼睛”及“耳朵”全方位的對設備進行移動式巡檢，巡檢手段比人工巡檢更加專業，比傳統的巡檢手段更加完善，同時能大幅度減輕工人的工作強度。另外，新一代的防爆巡檢機器人還可以成為傳統控制檢測設備的一個延伸，使過去的檢測方式更加全面。總之，防爆類巡檢機器人的使用絕對是提升企業安全管理水平及提高巡檢質量的“法寶”。

在當下煤炭行業，設備傳統的巡檢工作一般都依靠人工完成，不僅消耗大量的人力資源，工作流程也較為繁瑣，特別是高危行業，巡檢過程中可能存在巨大風險，人員工作環境也會比較惡劣。隨著《中國制造2025》制造強國科學技術的進步，在電力和石化行業中，輪式的巡檢機器人或是軌道式的吊掛巡檢機器人已經有了眾多應用案例，機器人在巡檢過程中對被檢設備有很強的針對性巡檢，工作質量甚至比人還要專業，兢兢業業，不知疲倦。因此，針對礦井變電所這種復雜環境場所，更需要一種礦井變電所巡檢機器人，這對于煤礦的“減員提效”工作有著巨大的推動作用，對提升礦山智能化水平具有重大意義。

1 巡檢機器人系統組成及功能

為適應當前煤礦電力系統的需要，結合智能機器人技術和礦井變電站巡檢任務，在當前實際礦井變電站復雜環境運行中，特提出一種巡檢機器人，并實時獲取監測數據，這種巡檢機器人主要由機器人本體、無線基站、磁性軌道、防爆充電裝置、遠程控制站組成。機器人系統組成如圖1所示。

圖1 機器人系統組成示意Fig.1 Composition of robot system

1.1 機器人本體

機器人本體包含輪式運動底盤、智能雙視云臺模塊、云臺升降機模塊、避障傳感器、導航傳感器及高增益通信天線等部分組成。

其中機器人輪式運動底盤采用四輪驅動，每個驅動配備了大功率伺服電機，使機器人能夠具備一定的爬坡越障能力。通過自身攜帶的大容量電池，為輪式運動平臺的自由移動提供了有力的動力支撐。相關傳感器的搭載和輔助設備的應用也為機器人能夠在各種復雜使用環境下運行提供堅實的保證。

防爆雙視云臺模塊：防爆雙視云臺上搭載高清攝像儀與紅外熱成像儀，可對現場設備進行高效巡視，鏡頭雨刷能夠清理鏡頭玻璃上的水漬和浮煤等，同時進行燈光補償，使井下采集照片更加清晰。紅外熱成像儀采用高空間分辨率，非制冷Vox微測熱輻射計，從而大幅提升機器人的應用價值。

防爆避障模塊：此模塊選用的是米銥optoNCDT2300BL激光位移傳感器來實現精準定位，具有探測距離遠、受可見光干擾小、使用方便等特點，集發射與接收于一體，檢測距離可以在0～3 m內進行調節。巡檢機器人在前、后各安裝一個避障傳感器，可以有效提高機器人在運行過程中的安全性能。

防爆導航模塊：防爆巡檢機器人導航采用穩定的磁導航技術和防爆處理技術，巡檢機器人本體前、后方底部搭載導航傳感器，可實現以下特點。①低功耗，內部采用精密開關電源，轉換效率75%～88%，功耗始終在0.7 W以下；②線圈元件代替霍爾元件，沒有溫漂問題，不用溫度補償；③靈敏度高，檢測點多又密，采用16點檢測，點間距1 cm，巡檢機器人高速或轉彎時不易丟失導航信號；④響應速度快，通常的信號輸出周期在10 ms左右，最快可以做到2 ms；⑤機器人前、后底部搭載的導航傳感器可以確保機器人無論是前進還是后退均能實現靈活控制。

防爆定位模塊：巡檢機器人采用磁導航與激光自主導航相結合的方式，搭載防爆定位傳感器，產生超高頻信號讀取地理標簽，該模塊體積小、功耗低、在軌跡行使路線上預先設置多個帶有坐標信息的RFID(radio frequency identification)卡片，此模塊有先進的抗干擾性能，地理標簽本身為無電源型，讀取地理標簽如圖2所示，標簽識讀率≥190 tags/s。

圖2 讀取地理標簽示意Fig.2 Reading of geotags

防爆語音對講模塊:巡檢機器人配備大口徑鍍金震膜咪頭，采用ClearSpeech自適應動態降噪處理技術，內置高速DSP數字信號處理器，采用大功率揚聲器；語音對講模塊設計獨特的"電子噪聲動態閉環抑制電路"，徹底消除“嘶嘶”電子噪聲，為機器人系統對現場工況設備故障噪聲的分辨提供了保證。此模塊噪聲極低，采音廣泛。防爆語音對講模塊參數見表1。

表1 防爆語音對講模塊參數Table 1 Parameters of explosion-proof voice intercom module

2 礦用隔爆兼本安型無線基站

無線通信系統主要包括信號轉換器、直流穩壓電源、定向天線、光纜、光纖分線盒等，信號轉換器主要用于搭建無線通信網絡平臺，實現整個系統中控制上位機與巡檢機器人之間的信息傳輸。為使通信系統達到通暢和穩定的指標，根據現場情況，每200 m左右安裝一臺信號轉換器，IP65的防護等級可以保證信號轉換器在具有有害氣體，粉塵和淋水的條件下直接使用，不需要搭建額外的防護罩。在通信系統穩定運行時，無線帶寬最高可達150 m，保證高清視頻流暢傳輸的同時，也能支持其他無線設備的聯網訪問。

無線基站需采用防爆設計，多臺無線基站之間通過光纖進行連接，保證通信數據的穩定可靠，實現機器人數據能夠與遠程工作站之間進行監控、分析、告警等功能。

3 磁性軌道

巡檢機器人為覆蓋巡檢區域，保證運行的承重需求，運行軌道必須使用大于(或等于)8#工字鋼的型材做機器人軌道；煤礦井下環境潮濕惡劣，軌道表面需要做防銹處理；為保證軌道連接后具備很好的平整性、一體性，軌道連接處需具備機械的連接裝置。軌道連接處同時需要具備吊掛孔，便于軌道吊掛安裝。

磁條軌道尺寸選用10 mm×10 mm×1 000 mm，機器人的行走軌跡為尋磁行走，預先為機器人鋪好軌道，預先確定運行軌跡，機器人軌道安裝示意如圖3所示。

圖3 機器人軌道安裝示意Fig.3 Robot track installation

4 防爆充電裝置

對比表2中3種無線充電方式的特點，選用磁耦合諧振式無線充電方式對機器人充電，巡檢機器人充電防爆裝置由防爆充電器、防爆插頭組成，兩設備之間由電纜進行連接；充電電流5 A，充電時間短，充電接觸部均需采用電氣閉鎖技術，不充電時或故障狀態下，觸點嚴禁帶電。

表2 3種無線充電方式特性對比Table 2 Comparison of characteristics of three wireless charging methods

5 遠程控制平臺

基于巡檢機器人軟件平臺實現對巡檢機器人的遠程控制，軟件平臺安裝于地面控制室的遠程控制站內或是井下集控室防爆計算機處，同時在軟件平臺上能直觀地反映出機器人本體采集的視頻信息及各種參數。

遠程工作站功能類似于人類的大腦，除了機器人本身的動作控制指令由此發布外，同時對機器人本體所采集的圖像、數據等信息，進行深度分析處理。能夠形成實時報警記錄、歷史報警記錄并存入機器人數據庫中，可按日期、按設備隨時查詢設備信息和存檔圖片。此遠程控制站可以將當前機器人本體實時信息、歷史信息，上報至更高級控制系統或專家系統，便于智慧礦山大系統的集成，成為有機的一體，提升應用價值。

6 結論

(1)機器人驅動機構按照沿固定工字鋼軌道自行走的方式進行設計，在機器人運行沿線鋪設工字型軌道，為機器安全巡檢提供保證。

(2)機器人本體搭載高清拾音器及高分貝揚聲器，可實現機器人本體與遠程控制站之間的雙向對講功能，實現現場工況聲音的采集，具備設備異常的聲音識別功能。

(3)機器人本體安裝多氣體檢測傳感器，實時對井下CO、H2S、CH4、O2氣體進行監控，若變電所內氣體濃度出現異常及時報警并告知具體濃度。例如：搭載煙霧探測傳感器，檢測巷道環境中煙霧濃度，超限報警并在遠程控制站處實現自動報警。

(4)機器人本體搭載高清攝像儀并配有高亮度補光燈，實現了在煤礦使用環境下攝像儀的高清視頻采集，實時提取變電所內的基本情況，以及設備運行情況，實現機器人系統對變電所內可視部分的視頻采集。

礦用隔爆兼本安型輪式巡檢機器人可代替巡檢工人進行設備及環境巡檢，能夠有效減輕工作人員的勞動強度，降低巡檢過程中存在的安全隱患，提升巡檢質量的同時，最大限度地提升煤礦企業的本質安全水平。此巡檢機器人系統模型重點對井下變電所內部設備進行巡檢作業，同時還可以延伸到洗煤廠等其他防爆場所使用。