井下巷道沖塵機器人研究

文 彪,張瑞平

(山西大同大學 煤炭工程學院,山西 大同 037003)

粉塵是煤礦井下生產過程中的五大災害之一。一方面,煤礦粉塵中的呼吸性粉塵吸入肺部可能引起塵肺病,對煤礦井下各作業點工人的身體健康造成巨大的威脅。目前,煤礦工人患塵肺的病例占到全國職業性塵肺病總量的一半以上,在各類煤礦安全事故中導致死亡的人數占到70%以上。在2021年的統計數據[1]中,我國累計報告職業性塵肺病例中,由于煤礦粉塵導致的塵肺病占到了50%以上。目前來說,針對塵肺病沒有行之有效的治療方案,對于人體肺部是一種不可逆的損傷。另一方面,粉塵會導致井下設備加速磨損,嚴重時可能引發粉塵爆炸,造成巨大的人員傷亡和經濟損失。

目前,我國煤礦的降塵措施主要采用人工定期沖洗除塵。井下作業人員需要手持軟管進行噴水沖塵,這種除塵方式對于作業人員的工作量是個不小的挑戰,同時在人工沖塵中不可避免地吸入煤塵,影響了作業人員的身體健康。沖塵過程中往往需要3至4人協同作業才能進行工作。對于一些狹窄的巷道來說,沖洗工作妨礙正常的人員流通和運輸效率降低,導致煤礦的生產效率受到一定程度的影響。即便投入如此大的人力作業,沖洗除塵效果也會隨著人員的疲乏導致下降。在煤礦特殊的巷道中,沖洗作業人員無法展開工作,煤塵依然不能被有效的清除,從而使得井下煤塵含量居高不下,影響了煤礦的安全生產。

近年來,巷道沖塵車正逐步應用到井下,輪軌式巷道灑水沖塵車[2]運用于有軌巷道,由工人進行輔助沖塵,相較于傳統人工沖塵,速度有所提升,但靈活性差,除塵效果難以保障。隨著礦山智能化轉型,巷道沖塵機器人的出現,能夠彌補當前巷道除塵車難以解決的一些難題。

1 巷道沖塵機器人除塵要素和設計要求

煤礦巷道作為井下重要的人員、煤炭、電力、水源輸送的渠道,巷道的安全性極大地影響著煤礦企業的生產效率。煤礦巷道存在可視性差,煤塵污染嚴重,空間較為狹小,地形復雜等一系列的問題[3]。煤塵不僅會導致井下人員極易患上塵肺病,而且可能會引起煤塵爆炸,或者造成儀器磨損和失靈,其危害不容小視。煤礦的巷道長度和空間各不相同,運輸大巷可長至幾千米,使得人工沖洗除塵的勞動強度巨大,除塵效果無法保證;個別小型巷道只有幾百米,并且空間窄小,人工除塵作業難以展開。此外,對于復雜地形管道、設備上的積塵無法得到有效的清除。

我國煤監局出臺的《煤礦機器人重點研發目錄》[4]中,提到煤炭企業逐步實現對采、掘、機、運、支、安全等工作面的智能化,進一步推動煤礦機器人關鍵技術開發,實現井下各工種設備的協同工作,同時加強煤礦機器人的建設與投入使用,爭取早日實現煤礦智能生產,以達到井下少人甚至無人增效的智能化礦山時代。根據其研發的目標,巷道沖塵機器人需要滿足在巷道中無軌化自行移動,通過多種方式實現煤塵含量的精確測定,能夠具備自動化完成沖洗作業[5]的能力,并且能夠實現小范圍的精確沖塵,對于煤塵含量不同的范圍自主調節沖塵的參數,使其能更精細地完成除塵任務。

2 巷道沖塵機器人總體設計

巷道沖塵機器人總體設計如圖1所示,主要由閉環式人機控制和機械結構兩個部分組成。

機械機構主要包括行走機構、機械臂、噴水機構,由履帶式行走機構控制除塵路徑,機械臂調整沖塵位姿,噴水機構負責噴水除塵。

巷道沖塵機器人是為了實現代替工人在井下實現巷道除塵的目的,地面的操作人員在用戶界面可以進行遠程操控,控制器依靠上位機和下位機間的通訊實現機器人的各項功能運行。在進行沖洗巷道煤塵的過程中,上位機與下位機的無線通訊對巷道沖塵機器人行進路線、機械臂位姿變換,以及一定空間內的煤塵含量進行實時監控。對于已完成的工作區域,將目標完成度進行對比,將結果在控制用戶界面顯示。若發生機器人無法處理的事故,地面操作人員能夠通過攝像機和監測數據進行針對性地調整。下位機接收到終端命令,通過上位機通訊完成指令,并且將重新監測的數據實時傳輸到用戶界面進行反饋,從而實現閉環式人機控制。

3 機械結構設計

3.1 機械結構總體設計

巷道沖塵機器人機械結構由行走機構、機械臂和噴水機構組成。車體采用履帶式行走機構,在履帶式底盤上部安裝水箱。巷道沖塵機器人機械臂具有5個自由度,控制箱位于機械臂基座后方,控制箱前端安裝云攝像頭,車體兩端裝配了照明系統和語音箱,機械臂末端載有超聲波測距傳感器及粉塵監測傳感器。通過超聲波測距傳感器[6]和攝像頭能夠讓地面操作人員觀察到機器人所處環境和機械臂的位姿。

3.1.1行走機構

巷道沖塵機器人由于在井下面臨不同的地形,需要其具有一定的越障能力。履帶式行走機構是由左右兩邊的履帶組成,中間有驅動系統,使用電機驅動驅動輪使其完成前進、后退、左右移動的位置變化,如圖2所示。根據設計的水箱來看,巷道沖塵機器人需要具備穩定行駛能力和一定程度的承載力。采用履帶式的行走方式有接地面積大,滾動阻力小,底盤結構穩定,運載能力強的優勢。同時履齒與地面相互作用[7],使得整體機構抓地能力增強,不易打翻,越障能力高于其他行走機構,是目前為止較為適合的一種行走方式。

圖2 履帶式行走機構Fig.2 Crawler type walking mechanism

3.1.2機械臂設計

機械臂的設計對于整個機器人結構研發是首要的環節。考慮到井下有一些管道和電纜,機械臂能夠比人工更為方便和精準的沖塵。在進行設計時遵循工業機器人的設計原則,考慮到實際的工作空間,機械臂自身的結構占用空間盡量尋優最小值,滿足標定范圍內的彈性變形約束和結構尺寸約束下使得整個系統重量最小。根據工藝性原則,要考慮容易制造,便于維修,簡便裝配的問題。不但要設計出合理的機構,整體的結構復雜程度恰當,并且減少加工和維修的成本,能夠方便操縱。從高比強度材料選取原則來分析,為了滿足最小慣量原則,機械手臂是一種運動性部件,需要一種輕量化的材料,從而減少機械臂自身運動造成的功率消耗。綜合上述條件,本次設計采用硬鋁材料為機械臂的主要材料,采用焊接式的空心管進行組裝,同時將控制電機的電源線從管內穿過,目的是為防止電源線暴露在外部產生膠皮的破損或者由于導線纏繞機體對機械臂的運動造成阻礙。

在進行機械臂選型過程中,考慮到巷道沖塵機器人本身具有一定的移動能力,著重考慮機械臂末端執行機構在活動空間的位姿變化,因此使用了5自由度串聯式關節[8]設計,具有5個旋轉關節,如圖3所示。通過調整關節角參數實現機械臂整體的位姿變換,選用旋轉關節運動比起移動關節構型更為緊湊。5自由度能夠保證機械臂具有更多的靈活性,對于復雜障礙物能產生更多的工作空間,也是機器人機構設計中常用的一種。

圖3 5軸機械臂結構圖Fig.3 Structure of five-axis manipulator

為了佐證機械臂運動學模型的合理性,使用MATLAB軟件作機械臂運動仿真。使用Robot toolbox進行分析仿真,可以對機器人位姿有直觀的展示,并且能夠計算出機械臂軌跡運行的合理性。

由于井下的管線復雜,機械臂的活動空間受到限制。為了分析機械臂的末端機構所能到達的工作區域,采用蒙特卡洛法計算機械臂的工作空間。蒙特卡洛法采用了概率統計的數值計算法,由系統隨機產生的關節角角度值,通過位置坐標生成三維空間點云圖像,使得機械臂工作空間更加容易觀察。設定隨機角度個數為30 000,工具箱生成30 000個空間點的點云圖,機械臂工作空間點云圖如圖4所示。

圖4 機械臂空間點云圖Fig.4 Point cloud image of manipulator

從圖4可知,末端執行機構整體空間點內部分布均勻。由于機械臂基座后方安裝控制箱,關節角角度有一定的限制,從而出現扇形空腔能夠容納控制箱。末端執行器位置最高點與基座在水平方向距離為4.55 m,工作空間垂直方向間距為5.90 m,機械臂的結構設計參數合理,能夠完成巷道沖洗除塵的任務。

煤礦巷道管道和電纜使得機械臂需要進行合理的軌跡規劃。圖5仿真了機械臂末端初末位置運行軌跡,使用初末位置變換求逆解,從而得到相應的關節變量,用所求關節變量得出規劃軌跡。從結果來看,運行軌跡順滑、平穩,達到機械臂合理作業的要求。

3.2 噴水機構

噴水機構主要由水箱、驅動電機、輸送軟管、噴嘴組成。

巷道沖塵機器人的噴水機構主要執行除塵沖洗任務,能夠根據實際的作業設定除塵參數(噴嘴的流量和水流距離),通過下位機端口串聯驅動電機,用來進行電機的啟動和調速。密閉水箱容積主要通過灑水距離、灑水量和灑水時間決定[9]。考慮到巷道沖塵機器人在井下無人化除塵作業,為了避免出現沖塵過程中水箱內的存水量低于工作水位而出現電機損壞的事故,應當安裝水位控制器在水箱的底部[10]。在實際水量少于正常工作水量時,能夠自動切斷電機電源并且對上位機的用戶界面發出預警。

圖5 機械臂軌跡規劃Fig.5 Trajectory planning of manipulator

實施噴水作業時,首先由控制器接收到信號啟動開關,通過抽水泵從水箱通過軟管傳輸,最后通過噴嘴進行噴水作業。調整出水的流量時,由減速器降低電機轉速,扭矩變大,從而得到更大的吸力,噴嘴出水量增多。噴水過程中可通過機械臂的位姿進行調整噴嘴的位置。

4 控制系統設計

為了合理規劃自主沖塵的任務流程,控制系統需要將上下位機通訊和操作人員形成一個具有反饋調節的閉環系統[11],如圖6所示。機器人信號傳輸采用無線遙控的方式,使得沖塵機器人的操作性大大提升。在整個控制系統啟動時,巷道沖塵機器人實時的工作場景和數據通過車體安裝的攝像頭、各類傳感器采集匯入至下位機進行處理,再采用無線傳輸的方式發送至上位機,在與上位機相接的用戶界面中就能顯現出來。操作人員也可以根據接收到的信息進行人工調整,并使用上位機進行校正。例如,機器臂的位姿可以通過GUI界面有更為直觀的觀察,手動調節各種參數,上位機將指令傳達至下位機,下位機準確地驅動相應的工作機構,同時也會繼續對現場環境進行反饋。

在能見度較低的地方運用超聲波測距傳感器作為預警,實時監測機械臂末端與工作面的距離,避免出現觸碰障礙物的情況,選擇最優距離獲得更好的沖塵效果。下位機是控制系統的中心環節,在接收從上位機的指令對電機驅動器等元件進行啟停控制時,兼具了收集傳感器模擬信號的功能。比如,機械臂末端加裝粉塵監測傳感器,能測出一定空間的粉塵濃度,將參數回饋至上位機。

圖6 控制系統Fig.6 Control System

5 應用效果及結論

針對煤礦巷道除塵,人工除塵工作量大、勞動強度高的問題,引入一些智能機器人技術設計出巷道沖塵機器人,滿足井下大部分除塵工作的要求,改了善井下惡劣的工作環境,有效地保障了職工的身體健康,杜絕了發生煤塵爆炸的危險。

1)巷道沖塵機器人的最大行進速度為4 m/s,噴頭出口的壓力為3.7 MPa,水流流速為2.1 m/s,單次作業運行最大距離為8 km,水箱容積為2.2 m3。人工沖塵每天需要6人輪流作業才能滿足除塵要求,每人沖洗100 m的巷道至少花費1 h。而巷道除塵機器人每小時可清理1.5 km的巷道,是人工清理的15倍,僅需要一人進行地面監控即可。并且巷道沖塵機器人采用精確沖塵的方式,有效避免了除塵作業后地面積水過多和減少水資源的浪費。

2)用靈活性強的履帶式行走機構代替了現有的輪軌式噴霧除塵車,能應對井下復雜的地形,具有自主行進的能力。

3)模仿人體手臂設計機械臂執行噴水除塵的任務,使用Robot toolbox驗證設計參數的合理性,模擬巷道沖塵機器人作業時機械臂末端的軌跡分析。

4)使用無線通訊的方式遠距離遙控,經過上位機信息處理傳至用戶界面,通過自主作業和人工操作并存的方式,既減少操作人員工作量,也能對突發事故進行及時處理。