煤礦巷道履帶式巡檢機器人系統設計

石宏民

（晉能控股煤業集團馬道頭煤業有限責任公司，山西 大同 037000）

0 引言

近年來，隨著煤礦開采量和開采深度的逐年增加，煤礦開采環境更加復雜[1]，面臨著各種可能發生的煤礦安全事故，比如在2004 年10 月20 日在河南鄭州礦務局發生一起瓦斯爆炸，事故一共造成148 名礦工死亡，35人受傷，直接經濟損失達到3 935.7 萬元，事故的原因是架線電機車與架線之間產生摩擦高溫，由于巡檢不到位導致高溫逐漸產生火花最終引發瓦斯爆炸；在2019 年3月21日發生在江蘇響水天公司的一起瓦斯爆炸，造成64人死亡，重傷73人，造成重大經濟損失。為了保證煤礦安全高效開采，根據煤礦技術文件《煤礦安全管理規范手冊》的相關要求，需要對煤礦巷道進行定期巡檢，從而保證煤礦生產的順利進行，避免不必要的煤礦事故發生，保證礦工生命安全[2]。對煤礦巷道進行實時巡檢并保證準確采集環境參數信息是煤礦企業安全生產的重要保證，對于保證煤礦安全高效生產具有重要的作用[3]。

目前，國內各煤礦均安排了專門的巡視工人對巷道進行定期查看，主要是采用人工來完成，人工巡檢存在嚴重的弊端，煤礦巷道較短的是十幾千米、較長的巷道達到幾百千米，僅僅靠人力進行巡檢存在巡檢工人勞動強度比較大，工作環境惡劣、巡檢效率比較低、巡檢不到位或出現漏檢等問題，為煤礦事故埋下安全隱患。近年來，隨著機器人技術不斷發展，利用機器人進行煤礦巷道巡檢的思想逐漸得到廣泛認可，國外的很多專家開始研制煤礦巷道巡檢機器人[4]，許旺[5]設計了一種輪式移動巡檢機器人，通過在機器人平臺搭建監測設備實現監測，采用輪式巡檢并不適合井下復雜的地質環境。為此，設計一種適用于煤礦井下巡檢的機器人系統迫在眉睫。

為此本文從煤礦井下智能巡檢要求角度出發，設計了一種履帶式煤礦巷道巡檢機器人，并搭載了多種傳感器和監控設備，可以代替人工完成對長距離巷道的智能巡檢，巡檢準確度更高，續航時間更長，從而有效避免煤礦事故的發生。

1 煤礦巷道智能巡檢機器人設計要求

由于煤礦巷道環境較為特殊，常年處于潮濕、多塵、易燃易爆氣體環境中，并且含有某些像硫化氫等腐蝕性的氣體，為此對于設計的煤礦巷道巡檢機器人需要滿足煤礦井下防爆、防塵、防濕的要求[5]；煤礦巷道內部錯綜復雜，地面砂礫較多，包括物料運輸巷道、通風巷道、采掘巷道以及采空區巷道等，所有的巷道都交錯分布，相對而言距離都比較長，在實際巡檢過程中需要具有較好的轉彎性能和通過性能，能夠保證機器人在煤礦巷道內全方位移動和行走。

為了滿足巷道巡檢要求，對巡檢機器人提出以下幾點設計要求：（1）機器人結構要緊湊，重量要盡可能輕，滿足強度要求；（2）為完成巡檢任務，需要保證機器人頂部具有較大的可擴展空間，用于搭載巡檢設備和機械臂，并留有安裝孔便于安裝；（3）需要保證機器人有較好的通過性和轉彎半徑；（4）機器人本體需要具有較高的可靠性，具有防水防爆特性。

2 履帶式巡檢機器人總體方案設計

根據煤礦巷道巡檢對機器人硬件系統的設計要求，結合機械結構模塊化、集成化設計思想，使用Solid-Works 2019 分別設計了履帶式巡檢機器人的各個模塊，包括新型履帶行走輪、高清攝像頭模塊、機械臂模塊等，其中高清攝像頭可以在空間360°自由轉動，并具有自動清潔鏡片的功能，并對建立好的各個模塊進行了總體裝配，最終可以得到如圖1 所示的煤礦巷道履帶式巡檢機器人系統三維模型。

圖1 履帶式行走機器人三維模型

履帶式巡檢機器人系統主要由內置驅動的底盤、履帶式行走機構、機械臂、應急箱和360°高清攝像頭組成，可以實現對煤礦巷道的安全監控，其中360°高清攝像頭內部嵌入防抖動模塊，并且具有夜視功能，可以在夜間采集到煤礦巷道清晰圖像，對煤礦巷道中的設備和人員進行實時巡檢。采用履帶式差速行走機構具有較大的通過能力和爬坡能力，頂部搭載的機械臂和應急箱可以在緊急狀況下，攜帶食物或水利用自身結構小巧的優勢到達井下搜救人員和送去物資，整體結構緊湊，布置靈活。

3 巡檢機器人系統關鍵結構設計與研究

3.1 差速履帶式行走機構

由于煤礦井下地質復雜，巷道地面存在大量的砂石且地面布置有較多的電纜，需要保證機器人具有較好的通過性能，同時受煤礦巷道獨特的地理位置特點，存在較多的大坡度工況，需要保證機器人的爬坡越障性能，然而傳統的履帶式行走機構主要適用于較為復雜的地面，并不具備大坡度爬行能力。

本文設計了差速履帶行走機構，圖1 所示為履帶式行走機構方案，采用4 個差速輪不僅可以實現在地面上行走，同時前端的斜面可以保證履帶式巡檢機器人具有較好的通過能力，在運動過程中保持平穩性。本套移動機構采用行星輪履帶式行走，主要功能是實現機器人本體的移動，可以實現直行、轉彎、爬坡、越障、清障、頂部高負載，轉向靈活，可以實現垂直越障。

3.2 機械臂抓取機構

由于煤礦井下大多存在大塊的石頭或者在巡檢過程中前方具有障礙物，導致機器人在實際運動過程中受到阻礙，同時在應用于井下救援過程中需要對機器人前方進行清障，為此設計了機械臂抓取機構。

機械臂抓取機構主要由扇形齒輪、夾鉗、減速器、電動機、二級開式齒輪等部分組成，步進電動機驅動減速器運動，傘齒輪發生周期性轉動并帶動一級齒輪轉動，隨后驅動左右輪控制夾鉗動作，將障礙物夾住或釋放。在機械臂移動過程中需要使用電控系統對整個電路系統進行控制。

4 履帶式機器人電路系統設計

機器人的控制系統主要分為電動機驅動、紅外線攝像頭云臺、工控機、傳感器及機械臂模塊5部分組成。

4.1 數據采集與發送模塊原理

履帶式巡檢機器人數據采集模塊是實現正常巡檢的關鍵環節，由于煤礦井下環境惡劣，伴隨著瓦斯、CO、CO2以及硫化氫等有毒有害氣體[6]，需要首先對煤礦井下環境進行實時數據采集，從而保證煤礦井下的安全運行。

利用機器人自身搭載了數據采集與傳感器模塊，構建出數據采集系統，主要功能為采集并處理末端傳感器獲得的檢測信息，主要采集到的信息包括煙霧濃度、CH4濃度、CO濃度、CO2濃度和溫濕度等環境參數信息。

圖2 環境數據采集與發送模塊系統

數據采集與發送模塊是以STM32 單片機作為主控制器，通過在機身上搭載多種傳感器實現對環境信號的采集，利用無線WiFi 通信模塊自身建立的端口TCP 服務器，將井下采集到的數據信息上傳到設計的上位機監控系統，將采集到的煙霧信號、溫濕度信號、CH4氣體濃度、CO 濃度、CO2濃度等上傳到上位機通過可視化界面高清顯示井下環境參數信息，從而有效避免局部瓦斯濃度過高或者某區域內出現CO 超限等問題導致的煤礦事故。表1所示為井下環境參數氣體檢測技術指標。

表1 井下環境氣體檢測技術指標

4.2 數據采集系統硬件

由于履帶式巡檢機器人數據采集模塊所選用的CH4傳感器、CO傳感器、煙霧傳感器都是模擬量輸出，在實際進行硬件電路設計時，單片機僅僅可以讀取二進制數字信號，必須要通過模數進行轉換，從而將氣體傳感器采集到的物理信號轉變為數字信號輸出，圖3 所示為煙霧傳感器模塊電路系統。利用STM32 的ADC 通道采集到各個傳感器輸出的模擬電壓信號，并且其中的12 位的ADC 是一種模擬數字轉換器[7]，模擬電壓是由ADC 轉化為一個12位的數字值，通過設計如圖所示的PI模塊可以實現將所有獲取到的信號輸入，進行比例積分調節，最終可以得到穩定的信號輸出[8-9]。

圖3 煙霧傳感檢測模塊電路

除了可以采集煙霧信號，對于井下有毒有害氣體如CO 需要采集數據，采用ME3-CO 傳感器具有低功耗、高精度、高靈敏度等優勢[10-12]，圖4 所示為ME3-CO 傳感器信號采集電路系統。如圖所示，其中的3 個引腳分別為對電極C，工作電極W、恒定電位R 極，傳感器的靈敏度為( 0.070±0.015 )μA/ppm，容易受到外部的干擾信號。

圖4 ME3-CO傳感器信號采集電路系統

軟件程序設計流程如圖5 所示。數據采集模塊軟件開發流程中，實際傳感器的電流經過運算放大電路可以轉變為模擬電壓并且被放大，可以直接接入單片機ADC 電壓采集通道中，ADC 數據采集是由內部不同的通道程序分別采集煙霧、CO 和CH4，輸出引腳的模擬量，然后實現數模轉換通過計算得到對應的濃度值。相類似的氣體傳感器均可以使用該套流程，首先通過初始化設置ADC 工作參數和工作時鐘等參數，然后調用全局數據結構體，讀取輸入到ADC 通道中的數據并進行數據運算，最后返回到濃度值就可以對采集到的環境參數進行顯示。

圖5 數據采集模塊軟件設計流程

通過設計履帶式煤礦巷道巡檢機器人硬件系統和軟件系統，可以實現對煤礦井下履帶式行走巡檢、對障礙物的清除和對煤礦井下有毒有害氣體環境參數的采集。為了高清呈現煤礦井下的實際環境，利用labview 2019設計了一套履帶式巡檢機器人上位機監控系統，可以實現對煤礦井下環境參數的全方位監控。

5 履帶式機器人功能測試與應用

煤礦巷道履帶式巡檢機器人數據顯示系統包括5 大監控模塊，參數設置模塊、按鍵控制操作模塊、巡檢環境數據監控模塊、歷史數據模塊和郵件報警模塊。通過設置參數保機器人本體系統與上位機進行通訊，通過上位機可以自動控制機器人的運動和云臺的轉動，當煤礦井下發生緊急狀況時可以通過郵件報警模塊快速接收到郵件并及時進行處理。為了研究設計的履帶式巡檢機器人通過性能，僅對行走機構進行了樣機現場模擬測試，拆除了機械臂和應急箱，圖6 所示為測試應用現場。

圖6 實驗性能測試

通過在地面設置高度為100 mm 的橫木作為障礙物，模擬井下巷道地面障礙，對機器人的越障性能進行測試。實驗表明：該套履帶式巡檢機器人系統車體尺寸為1 000 mm×600 mm×400 mm，車體總質量為50 kg，該行星輪履帶式行走機構可以爬坡角度小于15°的斜坡，在平地上運動的最大速度為0.5 m/s，上位機監控系統采集到的數據與真實環境數據誤差小于0.56%，取得良好的實驗結果。

6 結束語

隨著煤礦開采難度的逐漸增加，煤礦巡檢勢在必行。傳統的井下人工巡檢存在工人勞動強度大、生產效率低、巡檢不到位、伴隨著有毒有害氣體等問題，本文通過對煤礦井下巡檢要求進行分析，結合煤礦井下復雜的地質條件環境要求，設計了一套履帶式巡檢機器人系統，主要由機器人本體硬件系統方案和軟件系統組成，包括機器人本體結構方案設計、機械臂結構設計、行星輪履帶式行走機構設計等，最后通過對機器人進行現場測試和應用，實驗結果表明：機器人具有較好的越障能力和數據采集功能，可以代替人工完成對煤礦巷道的智能巡檢任務，整機巡檢續航時間達到12 h，取得良好的應用效果。