淺析礦用巡檢機器人設計及其應用

(甘肅華亭煤電股份有限公司華亭煤礦，甘肅平?jīng)鍪校?44100) 雷鵬飛 楊國宏 張 浩

我國每年因煤礦生產(chǎn)死亡的工人數(shù)量均世界之首，不僅給亡者家庭帶來傷害還對社會乃至國家的財產(chǎn)造成了巨大損失[1]。要保障我國煤礦工人的人身安全，就必須從危險系數(shù)極高的井下環(huán)境巡檢工作入手，目前我國的機器人技術日漸成熟且逐步應用到了各行各業(yè)之中，礦井下高危環(huán)境尤其適合應用該技術。如何解決機器人在復雜礦井環(huán)境下爬坡、越障、跨越溝壑等行走問題是提高及其使用效率、可靠性的關鍵。

1 懸掛式巡檢機器人整體方案設計

1.1 巡檢環(huán)境分析

為了保障機器人可以在礦井下平穩(wěn)順利行走，其需要通過懸掛在以鋼絲繩制作的移動軌道中完成對礦井下環(huán)境以及煤礦設備狀態(tài)的巡檢工作。因此在規(guī)劃其巡檢路徑的時候，需要考慮其在行走過程中鋼絲繩桿怎樣布置才能不被壓彎、壓斷，首先要選擇輕質(zhì)的材料制作機器人，其次是需要將鋼絲繩安裝在礦井下各個通道的側(cè)壁之上。礦井下環(huán)境存在以下四個特點，①礦井下的空氣成分復雜，充斥著瓦斯、CO 等危險氣體，且這類危險氣體的濃度較高；②礦井下照明條件差，整個巡檢的視野較暗；③整個井下的巷道臂展較長且各個巷道都含有斜巷；④低溫濕度高[2]。這四個特點給機器人帶來設計問題，要考慮到礦下容易發(fā)生瓦斯爆炸問題，巡檢光線較差且坡度高,機器人在下面經(jīng)過各個分巷道需要進行拐彎的角度不一，因此要想順利通過各個巷道十分困難。礦井下采煤機器在進行作業(yè)的時候會向其作業(yè)地點噴灑出大量的水，而礦井下環(huán)境本身就很陰暗潮濕且溫度低，這也可能會導致機器人在巡檢過程中發(fā)生故障。

1.2 巡檢機器人功能及技術要求

針對礦井下環(huán)境特點，因此要求巡檢機器人必須具備如下功能：①在懸掛的鋼絲繩上平穩(wěn)行動，在遇到障礙時可以躲避或跨越，運輸進行上下坡活動，在過彎道時能夠不打滑；②要求機器人具有小體積小重量，但與此同時其也需要滿足所需功能要求，能夠為后續(xù)安裝電源、傳感器以及控制器提供合理的空間；③能夠抵抗惡劣的空氣和環(huán)境；④具有較高的續(xù)航能力。

2 懸掛式機器人具體方案設計

2.1 整體結(jié)構(gòu)設計

我國近年來隨著科技的發(fā)展也研發(fā)創(chuàng)新了很多類型的機器人，其中應用最頻發(fā)的有三種，分別為仿生臂攀援式、多節(jié)分體式以及輪臂復合式，但由于其內(nèi)部設計結(jié)構(gòu)非常復雜，因此整體的移動速度較為緩慢，因此需要額外安裝控制系統(tǒng)才能滿足礦井下巡檢工作要求的速度，而輪臂復合式相較于其他兩種機器人的優(yōu)勢在于其不僅可以滿足礦井下巡檢工作要求，本身的質(zhì)量也非常輕，所以可采用該類型的機器人來設計礦井下懸掛式巡檢機器人。為了提高輪臂復合式機器人的工作效率，可以在其本身的結(jié)構(gòu)上加設行走結(jié)構(gòu)和過障結(jié)構(gòu)。

2.2 懸掛桿設計

為了保證機器人在礦井下可以正常行走，在安裝機器人身上的螺絲（膨脹）的時候需要將其中一側(cè)安裝在井下巷道的側(cè)壁部位以及鋼絲繩的兩端。在進行設計時，為了保證機器人在礦下進行巡檢工作時可以穩(wěn)定通過鋼絲繩，需要在安置懸線桿時將鋼絲繩進行固定。注意安裝時一定要保障其橫截面和上半圓弧的完整，不能夠直接將凸塊安裝在上半圓弧上。

2.3 過彎結(jié)構(gòu)設計

機器人在礦井下進行直線巡檢工作的時候，其行走的軌道經(jīng)過水平投影可呈一條直線，在機器人進行過彎的時候其軌道投影則會從一條直線變?yōu)閹в谢《鹊膱A弧。如果在其過彎的時候仍然采用其直線行走時使用的柔性鋼絲繩那么可能會值得機器人實際拐彎弧度大于預期值，因此需要另外設計機器人在過彎時的鋼軌。過彎鋼軌可采取三個懸線桿制作，將整個鋼軌架安裝在井下巷道的拐角處。

2.4 驅(qū)動結(jié)構(gòu)設計和選型

在設計整個懸掛式機器人的驅(qū)動結(jié)構(gòu)時需要將驅(qū)動結(jié)構(gòu)安裝在原先設計的行走結(jié)構(gòu)的封閉部位，這樣可以減輕機器人在工作時產(chǎn)生的側(cè)擺情況，另外需要注意在設計驅(qū)動結(jié)構(gòu)時要保證其有足夠的力矩，這樣不僅解決機器人在巡檢過程中出現(xiàn)重心偏移的情況，還提高其整體的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

總而言之，利用懸掛式機器人對礦井下環(huán)境進行巡檢可以彌補既往人工巡檢中存在的諸多弊端和缺陷，但要提高懸掛式機器人整體的靈活性和自主性，還需要充分結(jié)合礦井下的環(huán)境以及巷道坡度以及分布情況，通過對其驅(qū)動結(jié)構(gòu)、過彎結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計來滿足不同礦井下環(huán)境的巡檢需求。