煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

（1．煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2．煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

0 前言

跟據(jù)煤礦開采要求，在煤與瓦斯突出礦井、高瓦斯礦井以及滿足相關(guān)抽采條件的區(qū)域須建立抽采瓦斯系統(tǒng)，瓦斯抽采泵站是瓦斯抽采系統(tǒng)的核心，泵站運(yùn)行情況的好壞直接影響煤礦的正常開采和工人的生命安全[1]。目前泵站大多采用人工巡查與智能監(jiān)控結(jié)合的方式巡檢，人員需定期輪崗查看設(shè)備的運(yùn)行情況，每個(gè)瓦斯抽采泵站需要多人看管，生產(chǎn)效率低，遇到緊急狀況無法及時(shí)應(yīng)對(duì)。2019 年國家煤礦安監(jiān)局公布《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》，對(duì)煤礦機(jī)器人的研發(fā)提出要求，希望通過“機(jī)器換人”來實(shí)現(xiàn)煤礦作業(yè)的“少人則安”和“無人則安”。應(yīng)用巡檢機(jī)器人替代人工巡檢能夠提升瓦斯抽采泵站巡檢的效率及安全性，然而由于對(duì)智能巡檢系統(tǒng)的理解不同，在巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)及應(yīng)用過程中會(huì)存在較大偏差，導(dǎo)致改造費(fèi)用過高，實(shí)際運(yùn)行效果參差不齊，故障點(diǎn)較多。因此，突破巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)難點(diǎn)并規(guī)范設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，更好地將機(jī)器人系統(tǒng)融入煤礦瓦斯抽采泵站的日常生產(chǎn)中是十分重要的，該文將對(duì)煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機(jī)器人的選型及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

1 煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機(jī)器人選型

巡檢機(jī)器人屬特種機(jī)器人領(lǐng)域，興起于20 世紀(jì)80 年代，最先應(yīng)用在電力行業(yè)，主要應(yīng)用在變電站和輸電線路中，用于替代人工完成相應(yīng)的巡檢工作[2]。煤炭作為能源行業(yè)的重要支撐，機(jī)器人的發(fā)展能夠使煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效，有利于煤礦企業(yè)向智能化方向轉(zhuǎn)型升級(jí)，鑒于巡檢機(jī)器人在電力等非煤領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，適用于煤礦瓦斯抽采泵站的巡檢機(jī)器人主要有3 類。

1.1 輪式巡檢機(jī)器人

該種機(jī)器人采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式行走[3]，通過控制各驅(qū)動(dòng)裝置的速度來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走，搭載各種檢測(cè)單元及攝像頭對(duì)環(huán)境及危險(xiǎn)氣體等進(jìn)行檢測(cè)，完成圖像識(shí)別、異常情況報(bào)警等巡檢任務(wù)，基于無線網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)本機(jī)及遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1.2 吊軌式巡檢機(jī)器人

該種機(jī)器人一般布置在室內(nèi)，機(jī)器人本體搭載檢測(cè)單元，在鋪設(shè)好的軌道上移動(dòng)采集檢測(cè)數(shù)據(jù)[4]，采用無線數(shù)據(jù)傳輸，完成巡檢任務(wù)，大多采用無線充電模式，可以遠(yuǎn)程分析數(shù)據(jù)，達(dá)到監(jiān)控的目的。

1.3 四足巡檢機(jī)器人

該種機(jī)器人基于仿生學(xué)設(shè)計(jì)，大多采用四足來支撐機(jī)器人本體[5]，對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，行走更加自如，越障爬坡功能優(yōu)越，通過搭載的檢測(cè)單元完成巡檢任務(wù)，該種機(jī)器人技術(shù)含量高，系統(tǒng)集成度高。

對(duì)比上述3 種巡檢機(jī)器人，輪式巡檢機(jī)器人不需要鋪設(shè)軌道，現(xiàn)場(chǎng)施工量較小，在大面積的巡檢場(chǎng)中使用時(shí)維護(hù)量較小，但該種機(jī)器人的造價(jià)較高，在狹小空間作業(yè)時(shí)，容易誤報(bào)警或失去位置。四足巡檢機(jī)器人技術(shù)大多依賴于國外，國內(nèi)的成熟技術(shù)較少，造價(jià)最高，而且四足機(jī)器人的運(yùn)行關(guān)節(jié)較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，防爆處理比較困難，難以適應(yīng)煤礦等惡劣環(huán)境。煤礦瓦斯抽采泵站的場(chǎng)所固定，站內(nèi)水環(huán)真空泵系統(tǒng)及管路布置規(guī)整，從巡檢機(jī)器人的成本造價(jià)和可靠性角度分析，應(yīng)用吊軌式巡檢機(jī)器人最為合理，其可充分利用瓦斯抽采泵站上方的空間，通過鋪設(shè)軌道來搭建巡檢路徑，可以對(duì)環(huán)境參數(shù)、危險(xiǎn)氣體、圖像采集及溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓦斯抽采泵站的遠(yuǎn)程監(jiān)控和無人化智能巡檢。

2 煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機(jī)器人基本組成

吊軌式巡檢機(jī)器人的本體在內(nèi)部驅(qū)動(dòng)單元的牽引下，按預(yù)先鋪設(shè)好的軌道在泵站內(nèi)巡檢，由充電單元給其充電，機(jī)器人本體上搭載有攝像機(jī)、紅外溫度熱成像儀、危險(xiǎn)氣體探測(cè)傳感器及照明燈等探測(cè)單元，用于檢測(cè)瓦斯抽采泵站內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)，檢測(cè)數(shù)據(jù)通過搭建基站無線傳輸至本地及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，能夠?qū)ξｋU(xiǎn)氣體超標(biāo)、溫度超限及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)異常等狀況進(jìn)行報(bào)警，本地控制系統(tǒng)用于存儲(chǔ)檢測(cè)數(shù)據(jù)并留有通信接口與泵站控制系統(tǒng)通信，出現(xiàn)緊急情況可以停止水環(huán)真空泵運(yùn)行，巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要組成如圖1 所示。

圖1 瓦斯泵站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成

3 煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

3.1 防爆技術(shù)

煤礦工作環(huán)境中多有瓦斯、粉塵等污染物，所以要求機(jī)器人應(yīng)具有防爆、防塵、防潮、抗腐蝕等功能，其中防爆設(shè)計(jì)是巡檢機(jī)器人在煤礦瓦斯抽采泵站中應(yīng)用時(shí)需重點(diǎn)研究的技術(shù)。

3.1.1 驅(qū)動(dòng)單元防爆設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元控制機(jī)器人的行走和啟停等功能，驅(qū)動(dòng)單元中電機(jī)選型和設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，國內(nèi)隔爆型三相異步電機(jī)和增安型三相異步電機(jī)為主流產(chǎn)品，功率覆蓋范圍廣，但是應(yīng)用于類似機(jī)器人的小型動(dòng)力設(shè)備中的小功率電機(jī)比較少，具有安標(biāo)認(rèn)證的電機(jī)型號(hào)單一，受結(jié)構(gòu)限制該種小功率電機(jī)的通用性較差。因此，煤礦巡檢機(jī)器人的電機(jī)需要單獨(dú)進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，結(jié)合電機(jī)功率及性能選擇合適的防爆技術(shù)類型。

3.1.2 機(jī)器人本體防爆設(shè)計(jì)

機(jī)器人本體是檢測(cè)單元的載體，需要具有高可靠性，機(jī)器人本體要根據(jù)內(nèi)置的電氣控制單元的功率容量等，確定進(jìn)行本質(zhì)安全性防爆處理還是隔爆兼本安型防爆處理。由于搭載了多個(gè)檢測(cè)元件，檢測(cè)元件與機(jī)器人本體的控制單元之間的接線引入方式需要進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。為解決機(jī)器人移動(dòng)有線供電電纜布置不便的問題，機(jī)器人內(nèi)部電路采用低功耗利用電池組供電方式，煤礦井下不允許使用無線充電技術(shù)，機(jī)器人本體應(yīng)由防爆充電箱供電，二者通過電纜連接裝置（插頭、插座）連接，由于運(yùn)行環(huán)境中存在高危氣體，在使用時(shí)應(yīng)注意防止產(chǎn)生電火花，做好防爆防靜電處理。

3.2 自主導(dǎo)航定位技術(shù)

巡檢機(jī)器人自主導(dǎo)航定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能巡檢的核心技術(shù)，目前移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式根據(jù)導(dǎo)航指示信號(hào)的不同主要分為GPS 導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航及射頻識(shí)別導(dǎo)航等[6]。在煤礦井下應(yīng)用時(shí)GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)無法穿過地表，煤礦井下地形復(fù)雜、環(huán)境低照度、電磁干擾強(qiáng)烈且環(huán)境中存在高危氣體，導(dǎo)致定位技術(shù)很難在井下應(yīng)用。煤礦瓦斯抽采泵站采用吊軌式巡檢機(jī)器人，巡檢路徑固定，從經(jīng)濟(jì)型和實(shí)用性角度分析，適合選用射頻識(shí)別導(dǎo)航定位方式，在鋪設(shè)好的軌道上設(shè)置RIFD 標(biāo)簽標(biāo)記位置，根據(jù)其在非煤領(lǐng)域變電所的大量應(yīng)用可知，該種導(dǎo)航定位方式準(zhǔn)確率高、成本較低且易于安裝。

3.3 動(dòng)力電池續(xù)航技術(shù)

煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機(jī)器人的本體經(jīng)過防爆處理后質(zhì)量增加，驅(qū)動(dòng)單元需要有足夠的驅(qū)動(dòng)力，這就導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率增加。因此，為應(yīng)對(duì)長時(shí)間的自動(dòng)巡檢任務(wù)，動(dòng)力電池系統(tǒng)需要配置大功率密度電池作為動(dòng)力電源，并具備自主充電功能，以此來保證機(jī)器人能夠持續(xù)巡檢。煤礦瓦斯抽采泵站的巡檢機(jī)器人的巡檢路徑固定，無需越障，機(jī)器人本體所需的動(dòng)力電源供應(yīng)電流較為恒定，設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于平衡防爆處理后，機(jī)器人本體質(zhì)量增加與電池滿足高動(dòng)力輸出之間的關(guān)系。機(jī)器人動(dòng)力電池系統(tǒng)要求能夠與控制系統(tǒng)保持通信，控制系統(tǒng)能夠感知機(jī)器人本體的電量，當(dāng)電量不足以進(jìn)行巡檢時(shí)，控制機(jī)器人自主運(yùn)行至充電單元進(jìn)行充電，以此來保證持續(xù)巡檢能力。

3.4 智能控制技術(shù)

為減輕巡檢機(jī)器人本體的重量，在瓦斯抽采泵站設(shè)置本地防爆控制箱，用于接收及存儲(chǔ)來自機(jī)器人本體的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并控制機(jī)器人在無人看管狀態(tài)下進(jìn)行自動(dòng)巡檢。為減少控制系統(tǒng)的計(jì)算工作量，需設(shè)計(jì)具有通用性及可靠性的自主巡檢算法，確保每次巡檢任務(wù)的實(shí)效性。

煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機(jī)器人雖然能夠?qū)崿F(xiàn)自主巡檢及報(bào)警功能，但是為了保證安全性仍需人員監(jiān)控，需建立遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)并向機(jī)器人裝置發(fā)送控制指令，由于大部分礦工的文化水平較低，所以系統(tǒng)應(yīng)直觀、簡(jiǎn)便，人機(jī)界面需要分配清晰、合理且具備在線故障診斷及報(bào)警系統(tǒng)。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與瓦斯泵站本地控制終端之間采用無線通信方式，無線通信方式的選擇需要重點(diǎn)考慮傳輸距離、傳輸信號(hào)質(zhì)量、抗干擾能力以及投入成本等因素。

4 結(jié)語

煤礦瓦斯抽采泵站采用巡檢機(jī)器人系統(tǒng)代替人工巡檢，能夠在完成巡檢任務(wù)的同時(shí)提高巡檢效率及可靠性，能夠提升瓦斯抽采泵站的智能化監(jiān)控水平，符合國家對(duì)于智慧礦山建設(shè)的整體規(guī)劃要求，是普及無人化礦井建設(shè)的重要示范性裝備系統(tǒng)。該文探討了煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機(jī)器人的選型及基本組成，對(duì)防爆、自主定位導(dǎo)航、動(dòng)力巡航及智能控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，以期可以為礦用巡檢機(jī)器人的研制和開發(fā)提供參考。