鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人現(xiàn)場應(yīng)用與分析

何曉輝，裴文良，劉曉明，馬靜雅

(中信重工開誠智能裝備有限公司，河北 唐山 063020)

煤礦從最原始的人工開采發(fā)展到現(xiàn)在的采煤機(jī)開采，機(jī)器人代替人的時(shí)代早已經(jīng)到來[1，2]。目前，打造智能化礦山成為煤礦發(fā)展的趨勢。近日，國家發(fā)展改革委、國家能源局、應(yīng)急管理部、國家煤礦安監(jiān)局、工業(yè)和信息化部、財(cái)政部、科技部、教育部等多部門聯(lián)合研究制定了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，其中第六條：推進(jìn)科技創(chuàng)新，提高智能化技術(shù)與裝備水平中明確指出推進(jìn)煤礦機(jī)器人研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，實(shí)施機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人專項(xiàng)行動(dòng)，提高智能裝備的成套化和國產(chǎn)化水平。為了加快智能化礦山的建設(shè)，基于礦用機(jī)器人相關(guān)研究與應(yīng)用[3-12]，設(shè)計(jì)研發(fā)了一款智能化鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人，此款鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人主要應(yīng)用于煤礦的主運(yùn)輸巷。膠帶運(yùn)輸是煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的主要方式，主運(yùn)輸巷環(huán)境復(fù)雜，存在著距離長、煤塵大、噪音大以及沖擊地壓等危害因素，膠帶運(yùn)輸作為運(yùn)輸系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)，保證其正常運(yùn)行至關(guān)重要，因此對主運(yùn)輸巷的巡檢工作尤為重要。目前大部分煤礦對主運(yùn)輸巷的巡檢還是利用人工巡檢，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)也存在各種安全隱患以及巡檢不及時(shí)、不實(shí)時(shí)等缺點(diǎn)。鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人的應(yīng)用徹底解決了這一問題，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候24h不間斷進(jìn)行巡檢工作。通過架設(shè)工字鋼軌道，利用PLC控制變頻器，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼絲繩帶動(dòng)巡檢機(jī)器人在架設(shè)的工字鋼軌道上往返運(yùn)行。巡檢機(jī)器人本身搭載發(fā)電機(jī)，在往返運(yùn)行中利用發(fā)電機(jī)發(fā)電，給自身進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)無需更換電池、無需外部通過架設(shè)充電樁或人為手動(dòng)充電器給機(jī)器人充電，解決了煤礦井下巡檢機(jī)器人在防爆環(huán)境中充電有安全隱患的問題，達(dá)到24h不間斷的工作。通過機(jī)器人搭載的各種傳感器及攝像儀對主運(yùn)輸巷的托輥、氣體、溫度、煙霧以及膠帶的跑偏等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，完全代替了人工對膠帶運(yùn)行情況的監(jiān)測，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。尤其是大坡度、長距離的主運(yùn)輸巷，采用鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人應(yīng)用效果更為明顯。

1 鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成

鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人的模擬運(yùn)行示意如圖1所示，鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)布置如圖2所示，機(jī)器人本體組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 模擬運(yùn)行圖

圖2 系統(tǒng)布置圖

圖3 機(jī)器人本體組成圖

鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人本體、軌道系統(tǒng)、鋼絲繩牽引驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳感器系統(tǒng)、變頻器及PLC控制系統(tǒng)(驅(qū)動(dòng)控制箱)、沿線基站及地面工作站(上位機(jī))組成。機(jī)器人本體由行走自發(fā)電裝置、壓力傳感器、急停開關(guān)、照明補(bǔ)光燈、前后避障傳感器、RFID定位傳感器、前后板狀天線、前置攝像機(jī)、雙視云臺、多氣體探測傳感器、拾音器、揚(yáng)聲器、離子式煙霧傳感器、以及內(nèi)部隔爆腔和本安腔的控制板和電源模組等部分組成。機(jī)器人本體通過抱鎖器與鋼絲繩連接，沿預(yù)先架設(shè)好的軌道行走。巡檢機(jī)器人通過Wi-Fi方式與基站通訊，基站與工作站通過光纜連接。整個(gè)系統(tǒng)的工作過程是：通過工作站下發(fā)控制指令給PLC，然后PLC通過變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)牽引鋼絲繩轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)巡檢機(jī)器人沿軌道在前后折返傳感器之間自行運(yùn)行。機(jī)器人在運(yùn)行期間將采集的各種信息通過基站傳送到地面工作站。

機(jī)器人搭載的行走自發(fā)電裝置原理如圖4所示，具體工作原理是：機(jī)器人本體通過鋼絲繩牽引運(yùn)行，主驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)(發(fā)電機(jī)為普通低壓伺服電機(jī)FDK060430C2配減速機(jī)AGV85-40-S2-P1)開始工作，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，將電能分別通過三相全波整流橋進(jìn)行交-直整流，然后將轉(zhuǎn)換成的直流電分別輸送到電機(jī)充電控制保護(hù)板，通過電機(jī)充電控制保護(hù)板來對輸出的直流電進(jìn)行控制，將接收到的直流電通過DC升壓板進(jìn)行升壓至30V左右，然后將直流電輸送給儲能元件(超級電容)進(jìn)行儲能，同時(shí)將電能輸出給負(fù)載電源模組以給主控單片機(jī)板、傳感器及攝像機(jī)供電。

圖4 行走自發(fā)電原理圖

2 鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人性能參數(shù)及功能

2.1 鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人性能參數(shù)

鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人性能參數(shù)及適用環(huán)境為：①最大爬坡角度為25°，滿足國內(nèi)大部分煤礦主運(yùn)輸巷；②最大行走速度為0.5m/s，速度太快影響視頻分析效果；③正常巡檢速度為0.3m/s，此速度為反復(fù)試驗(yàn)得出；④自發(fā)電電壓為DC24V；⑤外形尺寸為926mm×436mm×577mm；⑥機(jī)器人本體重量為110kg；⑦連續(xù)運(yùn)行時(shí)長為24h不間斷；⑧工作溫度為0～60℃，存儲溫度為-40～85℃；⑨工作濕度為0%～95%，無冷凝；⑩工作環(huán)境為適用于煤礦井下環(huán)境；抗干擾性為距電子設(shè)備1.2m處發(fā)出的電磁和射頻干擾(頻率400～500MHz，5W)，不影響機(jī)器人正常工作。

2.2 鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人功能

1)語音對講功能。在地面工作站的服務(wù)器端配置麥克風(fēng)，井下巡檢機(jī)器人本體搭載本安型拾音器，用于實(shí)現(xiàn)地面工作站和井下機(jī)器人的實(shí)時(shí)移動(dòng)對講，可以隨時(shí)聽取現(xiàn)場的音頻，以及方便井下工人向工作站隨時(shí)匯報(bào)現(xiàn)場情況。

2)視頻采集及存儲功能。機(jī)器人搭載360°可旋轉(zhuǎn)云臺攝像機(jī)，可以對整個(gè)主運(yùn)輸巷無死角的進(jìn)行視頻圖像采集及存儲，方便后期查閱，彌補(bǔ)了煤礦井下固定攝像機(jī)拍攝不全的缺陷。

3)多氣體探測功能。機(jī)器人本體搭載多氣體探測傳感器，運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)對CH4、CO、O2和H2S等氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測，通過上位機(jī)設(shè)定的上、下限值進(jìn)行語音報(bào)警。主運(yùn)輸巷的環(huán)境復(fù)雜，并且存在多種氣體，實(shí)時(shí)對運(yùn)輸巷的各種氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測，尤其是瓦斯CH4濃度的監(jiān)測尤為重要。

4)煙霧監(jiān)測及報(bào)警功能。機(jī)器人本體搭載離子式煙霧傳感器[13]，可以實(shí)時(shí)對主運(yùn)輸巷的煙霧濃度進(jìn)行監(jiān)測。膠帶運(yùn)輸過程中容易出現(xiàn)打滑導(dǎo)致膠帶跟驅(qū)動(dòng)滾筒和托輥摩擦引起起煙霧，機(jī)器人搭載的煙霧傳感器監(jiān)測到后發(fā)出語音報(bào)警，并把實(shí)時(shí)位置上報(bào)至集控室，方便工人及時(shí)有效的處理，避免小問題沒及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)展為大事故。

5)紅外熱成像測溫功能。機(jī)器人本體搭載紅外熱成像儀，用于對主運(yùn)輸巷的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行溫度監(jiān)測，尤其是主運(yùn)輸巷的膠帶托輥是最易損壞的設(shè)備。通過上位機(jī)設(shè)定溫度的上限值，高于上限值后發(fā)出語音報(bào)警，并上傳實(shí)時(shí)位置，維護(hù)人員可以第一時(shí)間到達(dá)指定位置，對高溫部位的設(shè)備進(jìn)行維護(hù)或者更換。

6)自動(dòng)避障停車功能。機(jī)器人本體搭載前、后避障傳感器(注：傳感器為紅外漫反射G18-E3F-DS200NK1)，機(jī)器人在工字鋼軌道上運(yùn)行過程中如果遇到人員或者其他障礙物，自動(dòng)避障停車并發(fā)出語音報(bào)警，待障礙物消失后繼續(xù)執(zhí)行巡檢工作。

7)音頻分析功能。機(jī)器人自主訓(xùn)練把現(xiàn)場的正常音頻進(jìn)行采集并訓(xùn)練成模型文件，機(jī)器人在巡檢工程中采集到非正常聲音后進(jìn)行語音報(bào)警，并把異常音頻進(jìn)行存儲，集控人員可以通過回放異常音頻進(jìn)行判斷，尤其是主運(yùn)輸巷的膠帶托輥損壞后一般會發(fā)出非正常的聲音，通過異常音頻的回放及時(shí)判斷問題所在，通過機(jī)器人上傳的位置信息，現(xiàn)場工人及時(shí)到指定位置查看并據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行維護(hù)。

8)圖像分析功能。基于圖像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和視覺分析[14，15]，可以判斷膠帶是否跑偏，通過計(jì)算出的膠帶沿與托輥沿的距離來判斷膠帶是否處于跑偏狀態(tài)，同時(shí)可以將采集的數(shù)據(jù)跟礦上的調(diào)偏裝置[16]進(jìn)行融合，更確保了膠帶運(yùn)行的穩(wěn)定性。

9)多系統(tǒng)融合通信功能，鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)將變頻器、PLC控制和巡檢機(jī)器人本體通過不同通信方式：ModbusTCP、標(biāo)準(zhǔn)ModbusRTU、自由口協(xié)議、WIFI無線通訊[17]進(jìn)行融合，形成數(shù)據(jù)互通。

10)24h不間斷巡檢功能。機(jī)器人本體搭載行走自發(fā)電裝置，運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)給自身輸送電能，無需更換電池，更適合于煤礦的特殊防爆環(huán)境，不間斷的進(jìn)行巡檢工作，解決人工巡檢不及時(shí)及煤礦井下巡檢機(jī)器人在防爆環(huán)境中通過外部充電設(shè)備進(jìn)行充電有安全隱患的問題。

11)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)服務(wù)中心。集控室配置高性能的工作站來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分析及存儲，對機(jī)器人、PLC、變頻器的各設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對機(jī)器人采集到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)做出精準(zhǔn)判斷及預(yù)警，是整個(gè)鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的大腦。

12)數(shù)據(jù)上傳功能。鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，可以與煤礦的自動(dòng)化數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行MQTT通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)互通，尤其是膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互通，可以與膠帶控制系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，為膠帶的安全正常運(yùn)行起到關(guān)鍵作用。

3 鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人應(yīng)用實(shí)例

目前，該鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人已經(jīng)在甘肅天祝煤礦投入使用。該煤礦一共安裝兩套鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人，分別安裝在+2400運(yùn)輸大巷和一采區(qū)運(yùn)輸下山下段。

+2400運(yùn)輸大巷工況：帶式輸送機(jī)帶速2m/s，機(jī)體長度1417m，帶寬1000mm，運(yùn)輸能力300t/h，巷道傾角0°，電動(dòng)機(jī)功率160kW，電壓660V，啟動(dòng)方式：MST機(jī)械軟啟。大巷巡檢機(jī)器人工作情況如圖5所示，圖5(a)為機(jī)器人在軌道上進(jìn)行巡檢，圖5(b)為集控員在集控室對機(jī)器人進(jìn)行操作時(shí)的操作界面。

圖5 大巷巡檢機(jī)器人

一采區(qū)運(yùn)輸下山下段運(yùn)輸巷工況：一采區(qū)運(yùn)輸下山下段帶式輸送機(jī)帶速2.5m/s，機(jī)體長度936m，帶寬1000mm，運(yùn)輸能力450t/h，巷道傾角17.4°，電動(dòng)機(jī)功率2×315kW，1140V電壓，啟動(dòng)方式：變頻器啟動(dòng)。

機(jī)器人在巡檢過程中，實(shí)時(shí)對巷道壁的高壓電纜進(jìn)行溫度檢測。尤其電纜接頭的位置，如果發(fā)生問題，會直接體現(xiàn)在溫度的變化上。通過熱成像儀定點(diǎn)檢測電纜接頭處和實(shí)時(shí)檢測電纜溫度變化，若超出集控室設(shè)定的溫度上限值則進(jìn)行語音報(bào)警，并同時(shí)采集可見光圖像和熱成像圖像，形成對比便于工人及時(shí)準(zhǔn)確的處理，避免隱患事故的發(fā)生。

機(jī)器人在巡檢過程中實(shí)時(shí)對現(xiàn)場的膠帶托輥進(jìn)行溫度檢測，如圖6所示。現(xiàn)場膠帶托輥出現(xiàn)超溫時(shí)，工作站會發(fā)出語音報(bào)警，并形成報(bào)警記錄，雙擊報(bào)警記錄會彈出可見光圖像(圖6a)和熱成像圖像(圖6b)，熱成像圖像中用紅色十字架來標(biāo)識溫度最高點(diǎn)，集控員將顯示的實(shí)時(shí)位置告知工人，工人第一時(shí)間去現(xiàn)場指定位置查看，及時(shí)將問題處理，避免托輥的損壞導(dǎo)致膠帶損傷。

圖6 膠帶托輥檢測

目前，兩套鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人已成功應(yīng)用，完全代替了人工巡檢。以前礦方每班都會有專人對膠帶運(yùn)輸進(jìn)行巡檢，現(xiàn)在完全由兩臺巡檢機(jī)器人來進(jìn)行巡檢工作。機(jī)器人巡檢中發(fā)現(xiàn)的問題上傳至集控中心，由集控員通知相關(guān)人員前往問題位置進(jìn)行查看維護(hù)，通過音頻分析和紅外測溫已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多處托輥超溫，工人及時(shí)前往維護(hù)及更換，把隱患徹底消滅在萌芽狀態(tài)，得到用戶的高度認(rèn)可及贊揚(yáng)。巡檢機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了減員增效的目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)井下智能運(yùn)輸起到了積極的作用。

4 結(jié) 論

1)鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人的應(yīng)用極大的降低了煤礦工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也降低了煤礦安全事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

2)鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人的應(yīng)用提升了煤礦的智能化水平，為打造智慧化礦山具有重要的意義。

3)鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人無需更換電池，運(yùn)行過程中自行充電，可以實(shí)現(xiàn)全天24h的不間斷進(jìn)行巡檢工作，這樣更保證了主運(yùn)輸巷的穩(wěn)定運(yùn)行。

4)鋼絲繩牽引軌道巡檢機(jī)器人采用Wi-Fi通訊技術(shù)，這是對Wi-Fi通訊技術(shù)的新應(yīng)用。