井下帶式輸送機巡檢機器人系統設計應用*

路川川

(潞安化工集團司馬煤業有限公司，山西 長治 046000)

0 引 言

隨著我國對能源的需求越來越大，煤炭在我國的能源結構中占到很大的比重，是目前國民經濟發展的重要支撐力量，也是國家經濟飛速發展基本能源保障[1-2]。保證帶式輸送機連續平穩地工作，是煤礦開采、轉運和加工等工作的重要保障[2]。然而帶式輸送機工作環境惡劣以及高負荷、長時間運行、負載不均衡等工作特性，運輸中易發生斷裂、縱撕、打滑、跑偏等故障，造成突發性安全事故。在帶式輸送機運輸巷道等環境中，著火事故、爆炸性、有毒性氣體濃度超標等嚴重威脅礦山設備與工作人員的安全[3-4]。

現有的帶式輸送機巡檢工作主要是人工完成，人工巡檢工作強度大，工作人員攜帶繁重工具往返于機頭與機尾之間，采集并記錄運行狀態數據，往往使檢查結果不穩定，并且巡檢效率低、檢查不及時甚至經常出現漏檢現象；帶式輸送機運輸距離長、監控點多，監測系統設備布設困難且成本投入大，往往造成采集信息不全面，因此需要人工巡檢輔助監測系統對帶式輸送機進行靈活檢查，及時發現安全隱患排除故障[5]。對帶式輸送機巡檢技術進一步智能化的分析應用，有利于降低工人的工作強度與風險，減少企業用工成本和安全支出，并且提高巡檢效率[6]。

該項目主要針對帶式輸送機常見故障，研究一種自主運行、工作穩定可靠且功能齊全的巡檢機器人系統，代替人工進行帶式輸送機的日常巡檢[7]。結合傳統帶式輸送機監測系統實現對帶式輸送機及其工作環境的全方位實時監測，實現預防帶式輸送機故障、及時發現生產過程中安全隱患的功能，促進煤礦安全高效生產，具有巨大的經濟與社會效益。

1 智能巡檢機器人系統結構組成

由于煤礦帶式輸送機所處的環境比較惡劣，并且在實際進行巡檢的過程中并不像地面那樣平整，有時候會出現比較大的傾角，機器人可活動的空間有限，為了能夠收集到足夠多的數據，機器人要求必須要進行平穩運行，為此機器人的結構顯得尤為重要，需要滿足機器人的爬坡度要求，質量要求等[8]。首先需要將機器人布置在選煤廠車間內，通過實時捕捉現場的圖片信息經過信息的處理和分析，最終實現對車間內的巡檢。如表1所列為智能巡檢機器人技術要求參數。

表1 巡檢機器人技術要求

根據以上的設計參數，合理設計智能巡檢系統的本體結構，主要由驅動部分和本體部分兩部分組成，機器人的本體部分是包括了供電系統、數據采集系統和定位系統，其中，數據采集系統主要包括氣體傳感器、聲音傳感器和紅外熱像儀等。智能巡檢系統的結構組成如圖1所示。

圖1 巡檢機器系統系統組成圖

2 智能巡檢機器人結構設計

巡檢系統的本體結構主要是由驅動單元、導向單元、支撐單元和輔助支撐件等部分組成，其中通過內部的大容量蓄電池為機器人提供電力，驅動帶式輸送機巡檢機器人在軌道上運行，同時驅動輪、支撐輪和導向輪位于軌道兩側對稱布置。為了防止機器人在軌道兩側左右擺動，在設計時需要設計夾緊機構，夾緊機構主要是采用多輪緊箍結構，實現對軌道的抱緊和夾持，有利于提供足夠大的摩擦力，實現平穩運行[9]。

通過布置于上下夾緊機構的彈簧進行調節，自動調整夾緊力，保證軌道之間的貼合處于一個正常的范圍之內，避免造成夾緊力過大或者過小導致無法正常平穩運行。在機器人本體上方安裝有四個對稱布置的傳感器，用于對機器人本體在軌道上的位置進行實時檢測和定位，在驅動輪處安裝有旋轉編碼器，用來檢測機器人的運行速度。

巡檢系統軌道布置方案如圖2所示。

圖2 巡檢系統軌道布置方案

機器系統本體需要搭載到一個固定的支撐位置上才能夠實現平穩運行，所以首先在煤礦巷道需要架設一定數量的軌道，其中的軌道采用的是8號工字鋼，高度為80 mm，寬度為50 mm，腹板的厚度為5 mm，單根軌道的長度一般是采用標準的長度為6 m，兩根軌道之間的連接是采用的吊耳，并通過螺栓進行裝配，通過將軌道吊裝在車間房梁上，智能巡檢系統的本體卡緊于軌道上，巡檢系統本體可以在軌道上自由行走，從而完成對巷道帶式輸送機以及巷道環境的巡檢，有效避免空間占用，合理利用車間頂部的空間，相比于目前國內在煤礦巷道中使用的定點巡檢裝置而言，采用移動式巡檢最終達到的巡檢效果更好，可以及時發現事故隱患，實時檢測煤礦巷道不僅是帶式輸送機還有其他的通風設備等的運行狀況。智能巡檢系統的本體行走機構主要包括了永磁電動機、減速器、聯軸器等部分組成，本體的重量可以由軌道自身進行承載，牽引系統通過車間內部的供電系統進行供電，牽引本體沿著軌道在車間內進行全方位巡檢，不需要頻繁充電，功耗更小，克服了續航的難題。

3 巡檢機器人功能模塊設計

智能巡檢系統首先通過采集煤礦巷道環境參數信息，將物理信號轉變電信號進行初步分析和過濾。如表2所列為井下環境氣體檢測技術指標。

表2 井下環境氣體檢測技術指標

數據的采集是實現對煤礦巷道帶式輸送機進行實時巡檢的關鍵部分，巡檢系統的本體上搭載了多種智能傳感器，比如聲音傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器、一氧化碳傳感器和二氧化碳傳感器等多種傳感器，可以分別對周圍環境中的參數進行實時捕捉，通過內部嵌入的單片機進行處理和分析，與標準值進行對比，可以發現環境參數的異常，并且實時報警，有效避免事故發生[10]。如圖3所示為智能巡檢模塊組成圖。

圖3 巡檢機器人本體功能采集模塊設計原理圖

圖3中，巡檢機器人本體卡箍在軌道系統上，軌道為機器人提供運動導向，機器人本體在驅動輪的作用下在軌道上運行。由電動機控制驅動輪的轉速可以實現對機器人移動速度的控制，在運動的過程中電源為單片機供電，STM32主控制器上電，采集沿途的環境參數信息，將采集到的數據通過無線WiFi模塊上傳到上位機系統，完成整個的巡檢過程。通過現場模擬實驗運行，可以得出機器人本體標準速度下的續航時間為15 h，運行速度為2.8 m/s，比傳統的人工巡檢速度快2倍以上。為了保證設計的巡檢機器人系統能夠滿足現場巡檢要求，便于對機器人后期進行優化，最后對機器人本體進行了現場巡檢實驗。

4 現場應用實驗與效果

此套長距離帶式輸送機巡檢系統通過在巷道中架設軌道作為智能巡檢系統本體的支撐結構，整體結構更加緊湊，布置更加靈活。采用本套智能巡檢系統可以代替傳統的人工完成對長距離帶式輸送機的巡檢任務，能得到比較清晰的圖像信息。相比于傳統的定點巡檢和人工巡檢而言，采用智能巡檢系統實現了移動巡檢，巡檢的范圍更大，可以實現對對帶式輸送機的某些狹小區域的巡檢，可以實現全天不間斷自主巡檢，續航時間達到15 h以上，圖4所示為帶式輸送機巡檢系統在煤礦中的應用現場案例圖。表2所列為本巡檢技術采用的傳感器及識別基本功能。

圖4 帶式輸送機實時機器人巡檢現場圖

表2 智能傳感器檢測系統模塊參數

5 結 語

為解決目前帶式輸送機的巡檢技術問題，分析了煤礦巷道的巡檢環境，設計了一種帶式輸送機巡檢機器人系統，主要包括支撐軌道系統和巡檢機器人本體兩部分組成，其中巡檢機器人本體包括驅動部分、數據采集部分、上位機監控部分等，可以完成對煤礦巷道長距離帶式輸送機的巡檢任務。經設備調試和現場應用表明：本次設計的巡檢機器人具有結構緊湊，體積小，成本較低等優點，可以代替人工和定點監控完成對選煤廠車間人員和設備的巡檢，對環境參數的識別精度比較高，傳送到上位機的畫面比較清晰，故障報警及時，最終能夠滿足帶式輸送機的巡檢要求。