帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人研究

黃世頂 韓 雷 蘆 偉 劉洪剛

1 兗礦集團(tuán)貴州能化龍鳳煤礦 金沙 551800 2 力博重工科技股份有限公司 泰安 271000 3 山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 青島 266590

0 引言

帶式輸送機(jī)作為煤礦生產(chǎn)的重要物料輸送設(shè)備，具有運(yùn)量大、運(yùn)輸距離長、運(yùn)輸平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用[1]。帶式輸送機(jī)受到所處工作地點(diǎn)環(huán)境因素的影響，再加之帶式輸送機(jī)長期的運(yùn)行作業(yè)，便會(huì)產(chǎn)生各種問題。帶式輸送機(jī)常見的問題有斷帶、縱向撕裂、打滑、跑偏、堆煤及火災(zāi)等[2]，這些故障是非常大的安全隱患，一旦出現(xiàn)將對(duì)人員和設(shè)備產(chǎn)生極大的威脅，對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)便顯得尤為重要。傳統(tǒng)的人工巡檢工作量大、強(qiáng)度高、檢測(cè)方式單一，再加之環(huán)境的復(fù)雜性，容易產(chǎn)生效率低、檢測(cè)不準(zhǔn)確、無法提前避免問題產(chǎn)生以及對(duì)巡檢人員的生命健康存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的傳感器監(jiān)測(cè)方式也存在著監(jiān)測(cè)點(diǎn)多、布置相當(dāng)復(fù)雜、成本高，維護(hù)困難等缺陷。傳統(tǒng)方式無法很好地滿足帶式輸送機(jī)的巡檢，同時(shí)隨著帶式輸送機(jī)技術(shù)向著智能化、無人化和高可靠性發(fā)展，對(duì)帶式輸送機(jī)的巡檢提出了更高的要求。所以，代替人工對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行安全高效巡檢的帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人便適應(yīng)時(shí)機(jī)而產(chǎn)生了。帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人搭載采集聲音、圖像、溫濕度、氣體等信息的各類傳感器，并對(duì)采集信息分析，實(shí)現(xiàn)巡檢、預(yù)警及診斷。具有無人化、效率高、準(zhǔn)確性好、全天候等優(yōu)點(diǎn)，節(jié)省了人力，減少人員及設(shè)備事故的產(chǎn)生，保證了帶式輸送機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3，4]。

1 巡檢機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì)80 年代末，一些發(fā)達(dá)國家開始對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行研究。日本中部電力公司設(shè)計(jì)了一種變電站巡檢機(jī)器人，機(jī)器人的導(dǎo)航由地下鋪設(shè)的磁軌來完成。同時(shí)機(jī)器人搭載有攝像裝置、紅外測(cè)溫裝置、脈沖檢測(cè)裝置，聲音采集裝置等[5]。

Gabriel Garcia 等設(shè)計(jì)了一種帶式輸送機(jī)巡檢平臺(tái)[6]，如圖1 所示。該平臺(tái)包含履帶行走裝置、機(jī)械臂及監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備，包括攝像頭、麥克風(fēng)及帶有振動(dòng)傳感器的觸摸屏等。機(jī)器人沿著帶式輸送機(jī)移動(dòng)，機(jī)械臂將傳感器組件靠近需監(jiān)測(cè)部件，以獲取數(shù)據(jù)信息，對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行故障診斷。

圖1 帶式輸送機(jī)巡檢平臺(tái)

ABB 公司設(shè)計(jì)了一種巡檢機(jī)器人，對(duì)帶式輸送機(jī)托輥監(jiān)測(cè)，如圖2 所示。該機(jī)器人在L 形軌道上運(yùn)行，并攜帶熱像儀、帶LED 燈的可俯仰可視相機(jī)和超聲波麥克風(fēng)等，采集托輥數(shù)據(jù)。機(jī)器人巡視之后，?？吭诨镜碾姵爻潆姸丝?，并上傳所有檢查數(shù)據(jù)以進(jìn)行分析。

圖2 ABB 帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人

Regivaldo Carvalho 等設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)巡檢[7]，如圖3 所示。無人機(jī)搭載熱成像相機(jī)，且無人機(jī)可不受地形條件的影響，高速飛行采集帶式輸送機(jī)的熱圖像，并在圖像中識(shí)別滾軸的方位。通過對(duì)圖像的輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，可以提取溫度并識(shí)別出缺陷輥。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在無人機(jī)的存儲(chǔ)卡中，并在飛行后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。

圖3 無人機(jī)巡檢

2 巡檢機(jī)器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì) 90 年代末，國內(nèi)開始對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)研究，吳功平[8]對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行了多年研究，圖4所示為其研發(fā)的雙臂懸線機(jī)器人，該機(jī)器人雙機(jī)械臂架設(shè)在輸電線上，可在輸電線路上爬行或滾動(dòng)，并可穩(wěn)定越過輸電線路上的障礙物，通過攝像機(jī)和紅外熱成像采集數(shù)據(jù)。

圖4 雙臂懸線機(jī)器人

2010 年，商德勇[9,10]設(shè)計(jì)了一種薄煤層綜采面巡檢機(jī)器人，如圖5 所示。該機(jī)器人擁有四個(gè)搖臂，可適用于多種地形，越障性能好，可應(yīng)對(duì)復(fù)雜惡劣的薄煤層工作面環(huán)境。機(jī)器人上安裝有攝像頭、溫度傳感器和濕度傳感器、氣體檢測(cè)裝置等，可監(jiān)測(cè)復(fù)雜的綜采工作面面環(huán)境并進(jìn)行分析。

圖5 薄煤層綜采面巡檢機(jī)器人

2012 年，唐山開誠制造有限公司設(shè)計(jì)了一種煤礦井下膠帶運(yùn)輸機(jī)巡視機(jī)器人。該機(jī)器人在架設(shè)的驅(qū)動(dòng)繩上運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人上搭載攝像頭及各類氣體傳感器，對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行簡單的監(jiān)測(cè)。

2016 年，中信重工開誠智能裝備有限公司設(shè)計(jì)了一種礦用巡檢機(jī)器人[11，12]，如圖6 所示。該機(jī)器人采用軌道式傳動(dòng)，通過傳動(dòng)系統(tǒng)的牽引沿帶式輸送機(jī)往復(fù)移動(dòng)，具備圖像采集、聲音采集、溫度和煙霧監(jiān)測(cè)等功能，并通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

圖6 礦用巡檢機(jī)器人

2018 年，中信重工開誠智能裝備有限公司在原有巡檢機(jī)器人的基礎(chǔ)上又設(shè)計(jì)了一款礦用隔爆兼本安型軌道式巡檢機(jī)器人，如圖7 所示。該機(jī)器人采用鋼絲繩牽引發(fā)電，可實(shí)現(xiàn)5G 通訊，通訊距離遠(yuǎn)，抗干擾性強(qiáng)。該機(jī)器人具有智能識(shí)別功能，并融合大數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行故障的超前預(yù)判及預(yù)警。

圖7 礦用隔爆兼本安型軌道式巡檢機(jī)器人

2019 年，中國礦業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人[13]，應(yīng)用于露天煤礦環(huán)境，如圖8 所示。機(jī)器人為軌道式機(jī)器人，通過安裝在軌道上的齒條和機(jī)器人上的齒輪實(shí)現(xiàn)行走。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境冬季溫度低，采用加熱控制裝置解決低溫下鋰電池充電問題。具有紅外檢測(cè)和視覺檢測(cè)功能，將采集到的信息無線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

華夏天信研發(fā)了一款軌道式礦用巡檢機(jī)器人，如圖9 所示。該機(jī)器人搭載有熱成像視頻監(jiān)控模塊、多參數(shù)傳感器及語音識(shí)別系統(tǒng)，采用了先進(jìn)無線數(shù)傳等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在軌道手動(dòng)或自動(dòng)控制運(yùn)行，對(duì)聲音、圖像、氣體等參數(shù)采集并回傳，將采集到的各種數(shù)據(jù)融入到智慧礦山操作系統(tǒng)平臺(tái)中進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。

圖8 中國礦業(yè)大學(xué)帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人

圖9 華夏天信軌道式礦用巡檢機(jī)器人

3 巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

3.1 移動(dòng)平臺(tái)

移動(dòng)平臺(tái)是為巡檢機(jī)器人非常重要的基礎(chǔ)組成部分。由于帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人工作特點(diǎn)及環(huán)境，現(xiàn)有的帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人主要為軌道式移動(dòng)平臺(tái)，帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人在預(yù)先架設(shè)好的軌道上自主往返巡檢運(yùn)動(dòng)。移動(dòng)平臺(tái)安裝在輸送機(jī)的單側(cè)或兩側(cè)，并具備防振和防潮的特點(diǎn)。

3.2 監(jiān)測(cè)技術(shù)

帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人為實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)故障的診斷需要對(duì)圖像、聲音、氣體濃度溫濕度、環(huán)境等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前采用最多的是利用圖像采集設(shè)備對(duì)帶式輸送機(jī)及巷道內(nèi)的圖像采集，紅外測(cè)溫儀采集帶式輸送機(jī)在紅外圖像并將采集到的圖像信息傳至上位機(jī)，對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別與處理，通過算法判斷帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。利用聲音采集設(shè)備對(duì)帶式輸送機(jī)的聲響采集，分析采集信息，判斷有無異常情況出現(xiàn)。利用溫濕度、煙霧、氣體等傳感器監(jiān)測(cè)帶式輸送機(jī)周圍環(huán)境，非正常問題一旦出現(xiàn)，及時(shí)報(bào)警。

3.3 自主充電技術(shù)

帶式輸送機(jī)長度的增加及環(huán)境問題的復(fù)雜性，巡檢機(jī)器人的續(xù)航及充電問題愈發(fā)關(guān)鍵。目前對(duì)于巡檢機(jī)器人的供電方式包括，供電線路拖拽式、滑軌接觸式以及電池加自主充電式。帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人大多采用內(nèi)置電池加自主充電的方式，又有接觸式充電和無線充電。內(nèi)置電池為巡檢機(jī)器人的正常運(yùn)行提供電量，并且電量較低時(shí)，巡檢機(jī)器人將自動(dòng)尋找充電樁為自己補(bǔ)充電量。

4 巡檢機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)展望

1）靈活化、輕巧化 帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)需進(jìn)一步優(yōu)化，使其體積變小，重量變得更輕，移動(dòng)更加靈活。機(jī)器人能量消耗變得更低，環(huán)境適應(yīng)能力更好，開發(fā)制造成本降低。

2）數(shù)據(jù)分析智能化 通過探究輸送機(jī)的運(yùn)行機(jī)理和動(dòng)態(tài)特性找出輸送機(jī)故障的本質(zhì)原因，指導(dǎo)傳感器的種類及安裝方式，探究海量回傳數(shù)據(jù)的比對(duì)、篩選、融合與分析方法和策略，逐步實(shí)現(xiàn)精確地對(duì)帶式輸送機(jī)故障進(jìn)行預(yù)警和預(yù)知性維護(hù)。

3）配電及動(dòng)力問題 帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人的續(xù)航是熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。無線供電在巡檢機(jī)器人上已有初步應(yīng)用，但仍需對(duì)大功率、高負(fù)載以及長距離機(jī)器人行走的動(dòng)力方式進(jìn)一步研究，探討行走動(dòng)力無電池化，滿足井下防爆要求。

4）巡檢機(jī)器人與輸送機(jī)自動(dòng)控制、綜合保護(hù)系統(tǒng)的深度融合 巡檢機(jī)器人在輸送機(jī)自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)上再研究和融入智能化，將更有利于輸送機(jī)的安全運(yùn)行，逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人。

5 結(jié)語

帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)故障實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警和準(zhǔn)確分析，避免了一些人工巡檢的弊端。符合礦山信息化和自動(dòng)化的發(fā)展需要，前景十分廣闊。本文對(duì)巡檢機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并分析和闡述了帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)展望了帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人在靈活化及輕巧化、數(shù)據(jù)分析智能化、供電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，為帶式輸送機(jī)未來的發(fā)展和應(yīng)用提供參考。