管帶機(jī)智能巡檢機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)

廖輝

關(guān)鍵詞：管帶輸送機(jī);機(jī)器人;智能巡檢;STM32

中圖分類號(hào)：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

隨著供給側(cè)改革成效逐步顯現(xiàn)，優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能得到了有序釋放，我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)平穩(wěn)發(fā)展。工業(yè)增長(zhǎng)對(duì)帶式輸送產(chǎn)品的需求量產(chǎn)生了積極的促進(jìn)作用。十九大提出“既要金山銀山，又要綠水青山”的號(hào)召。2018年，交通運(yùn)輸部、發(fā)改委提出“公路轉(zhuǎn)鐵路”的交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少公路運(yùn)輸帶來(lái)的尾氣排放、揚(yáng)塵污染問(wèn)題，2019年生態(tài)環(huán)保部、發(fā)改委等11部門聯(lián)合印發(fā)《柴油貨車污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》。綜合發(fā)布的各種政策來(lái)看，以管帶輸送為代表的經(jīng)濟(jì)環(huán)保的短途散料運(yùn)輸方式將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

政府部門連續(xù)下發(fā)了《中國(guó)制造2025》《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》《關(guān)于促進(jìn)智能電網(wǎng)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》等文件，確定了全面開(kāi)展智能制造技術(shù)研究將是發(fā)展高端裝備制造業(yè)的核心內(nèi)容，傳統(tǒng)的散料輸送機(jī)械必須借助智能化升級(jí)改造的熱潮以提高自身效能。

巡檢機(jī)器人可以替代人工進(jìn)行巡檢作業(yè)，已經(jīng)在一些工業(yè)場(chǎng)景中得到應(yīng)用，例如電力行業(yè)、化工行業(yè)、地下廊道等相對(duì)靜態(tài)的情景下，開(kāi)展視頻拍攝，設(shè)備的抄表、氣體泄漏等邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單的巡檢。也有針對(duì)槽型帶式輸送機(jī)（以下簡(jiǎn)稱皮帶機(jī)）進(jìn)行機(jī)器人智能巡檢的運(yùn)用案例，但是一方面現(xiàn)有機(jī)器人智能化水平較低，停留在視頻拍攝的水平。另一方面管帶機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度遠(yuǎn)超皮帶機(jī)，現(xiàn)有的皮帶機(jī)巡檢機(jī)器人的很多功能無(wú)法直接運(yùn)用到管帶機(jī)上[1-2]。

1巡檢機(jī)器人功能需求

管帶機(jī)智能巡檢機(jī)器人基礎(chǔ)功能有[3]：

（1）多物理量感知：配備高清視頻拍攝，熱成像拍攝，噪音檢測(cè)和溫濕度測(cè)量等功能，多種傳感器用于提取管帶機(jī)各種運(yùn)行特征。

（2）自主避障：機(jī)器人能感知障礙物，實(shí)現(xiàn)智能防撞和避障功能，遇到障礙自動(dòng)停止并報(bào)警。

（3）巡檢任務(wù)自主規(guī)劃：根據(jù)管帶機(jī)的運(yùn)行情況，自主規(guī)劃巡檢任務(wù)、充電策略。

（4）定位功能：當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，可以快速準(zhǔn)確地確定位置，指導(dǎo)人工迅速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。

（5）后臺(tái)終端監(jiān)控：在電腦、手機(jī)、平板等不同終端上均能登陸后臺(tái)，對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行控制和對(duì)采集信息進(jìn)行處理。

在以上基礎(chǔ)功能基礎(chǔ)上，針對(duì)管帶機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和故障嚴(yán)重性，要求智能巡檢機(jī)器人必須具備的檢測(cè)功能有：

（1）運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)：輸送帶跑偏在管帶機(jī)上表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)后會(huì)造成撒料等故障。由于管帶機(jī)的輸送帶卷成管狀運(yùn)行，故其邊緣檢測(cè)更為復(fù)雜。機(jī)器人采用基于AI視覺(jué)系統(tǒng)的圖像自動(dòng)識(shí)別裝置，由視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)檢測(cè)輸送帶搭接邊緣，根據(jù)搭接情況進(jìn)行扭轉(zhuǎn)、反搭等判斷并報(bào)警。

（2）托輥損壞檢測(cè)：管帶機(jī)的托輥數(shù)量數(shù)倍于皮帶機(jī)，運(yùn)行過(guò)程中托輥的檢測(cè)工作量更大。機(jī)器人配備紅外線熱成像儀和音頻采集器，通過(guò)收集運(yùn)行狀態(tài)下托輥的溫度和噪音數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合視覺(jué)識(shí)別標(biāo)定托輥，實(shí)現(xiàn)對(duì)托輥損壞情況進(jìn)行檢測(cè)及壽命智能診斷。

（3）輸送帶損傷檢測(cè)：脹管是管帶機(jī)特有的一種故障，表現(xiàn)為承載段管狀帶內(nèi)物料填充率過(guò)高，可能導(dǎo)致桁架擠壓變形，如圖1所示。脹管、輸送帶撕裂等問(wèn)題如果沒(méi)有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失。機(jī)器人采用可見(jiàn)光視覺(jué)識(shí)別、紅外線、激光+CCD掃描等手段，對(duì)輸送帶形狀進(jìn)行對(duì)比分析，針對(duì)脹管、撕裂等問(wèn)題實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警。

2主要設(shè)計(jì)方案選型

2.1設(shè)計(jì)原則

（1）結(jié)構(gòu)重量輕。減少機(jī)器人及其軌道對(duì)管帶機(jī)鋼桁架的附加載荷，提高整體經(jīng)濟(jì)性。

（2）續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)。由于管帶機(jī)線路普遍較長(zhǎng)（普遍有數(shù)公里），需要機(jī)器人具備較長(zhǎng)的續(xù)航能力。

（3）可靠性高。機(jī)器人長(zhǎng)期在戶外各種環(huán)境中連續(xù)作業(yè)，通常全年無(wú)休，必須具備較高可靠性。

（4）機(jī)動(dòng)性能好。管帶機(jī)具有連續(xù)轉(zhuǎn)彎和大角度爬坡能力，且桁架的截面多變，所以機(jī)器人必須相應(yīng)具備動(dòng)性能。

（5）環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)。機(jī)器人可能經(jīng)歷高低溫、雨雪、風(fēng)霜、大風(fēng)、沙塵等，適用溫度范圍為-10℃～50℃，滿足戶外使用要求。

2.2行走方式

對(duì)比不同行走方式后，最終確定管帶機(jī)巡檢機(jī)器人的為桁架兩側(cè)懸掛軌道，機(jī)器人倒掛于軌道上行走。單路管帶機(jī)布置兩條軌道，雙路管帶機(jī)布置3條軌道，機(jī)器人其采用集轉(zhuǎn)向、導(dǎo)向、預(yù)張緊及驅(qū)動(dòng)為一體的雙驅(qū)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足管帶機(jī)上桁架的線路變化，如圖2所示。

由于管帶機(jī)的桁架截面較高，因此配備伸縮范圍為1.5m的竹節(jié)結(jié)構(gòu)，方便機(jī)器人的攝像頭觀察回程段和承載段的所有托輥狀態(tài)。機(jī)器人下端距離桁架走道的最大距離為1680mm，當(dāng)機(jī)器人與走道行人相遇時(shí)，行人采取低頭姿勢(shì)后可以從機(jī)器人下方穿過(guò)。

機(jī)器人從上往下依次為行走部分、控制部分、升降節(jié)、攝像頭云臺(tái)。采用工程塑料外殼，銀黑配色，搭配LED發(fā)光帶用于顯示機(jī)器人工作狀態(tài)，如圖3所示。

2.3控制組成

管帶機(jī)智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成如圖4所示，由STM32芯片作為機(jī)器人的主控芯片，控制機(jī)器人各部件按照流程執(zhí)行基本巡檢操作。視覺(jué)芯片負(fù)責(zé)執(zhí)行人工智能算法，處理雙光譜攝像頭拍攝的畫(huà)面，并向遠(yuǎn)程后臺(tái)傳遞處理后的數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程后臺(tái)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的管理，報(bào)警預(yù)警，數(shù)據(jù)處理等功能[4]。

由于主控芯片需要控制整臺(tái)機(jī)器人，且需要配備較多的傳感器，因此選擇型號(hào)為STM32F103RET6，時(shí)鐘頻率為72MHz，閃存容量512KB，RAM為64KB，具有64個(gè)引腳可供使用。無(wú)線wifi通信采用串口轉(zhuǎn)wifi芯片為ESP32，工作模式為AP，配置外置天線以提高信號(hào)強(qiáng)度。

視覺(jué)處理芯片采用NVDIAJetsonTX2，其AI算力達(dá)到1.33TFLOPs。使用開(kāi)源的視覺(jué)庫(kù)OpenCV結(jié)合C++進(jìn)行算法編程，充分利用其自帶的圖像處理函數(shù)，大幅度提高項(xiàng)目開(kāi)發(fā)進(jìn)度[5]。

2.4驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

運(yùn)行速度v=0.1～0.3m/s，機(jī)器人重量m=30kg，爬坡角度α=15°，續(xù)航時(shí)間t=8h，驅(qū)動(dòng)車輪直徑D=0.05m，摩擦系數(shù)μ=0.2，傳動(dòng)系數(shù)η=0.9。

機(jī)器人擬采用減速電機(jī)直驅(qū)，在爬坡軌道上行走的功率和電機(jī)扭矩為：

根據(jù)平均驅(qū)動(dòng)功率，可以計(jì)算出可達(dá)到額定續(xù)航時(shí)間所搭配的電池容量。鑒于鋰電池具有長(zhǎng)壽命、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，選擇電池為兩塊12V20Ah的鋰電池，布置在機(jī)器人兩側(cè)作為整套系統(tǒng)的電源。

根據(jù)功率和扭矩選擇減速電機(jī)型號(hào)，通過(guò)單片機(jī)輸出PWM控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)最終選型為12V電壓，電機(jī)額定功率為20W，輸出轉(zhuǎn)速110r/min，帶霍爾編碼器，可以通過(guò)單片機(jī)讀取電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度信息。減速電機(jī)數(shù)量為2[6]，如圖5所示。

機(jī)器人運(yùn)行定位方式為：首先以GPS模塊獲取機(jī)器人的大概經(jīng)緯度，從而得到機(jī)器人在數(shù)公里長(zhǎng)度的巡檢線路上的大概位置，誤差為10m。并在輸送線路的關(guān)鍵位置，例如管帶機(jī)過(guò)渡段、空間弧桁架段、充電塢站等安裝電子標(biāo)簽進(jìn)行定位，通過(guò)RFID實(shí)現(xiàn)機(jī)器人到達(dá)管帶機(jī)不同區(qū)段后執(zhí)行不同的巡檢任務(wù)規(guī)劃。最后根據(jù)減速電機(jī)內(nèi)的霍爾編碼器反饋電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，換算出機(jī)器人行走距離，和GPS定位、RFID定位相結(jié)合，從而得到較為精確的定位結(jié)果。

3人機(jī)交互控制界面

采用HTML+JavaScript+CSS的方式編寫(xiě)巡檢機(jī)器人控制Web界面，提供了監(jiān)控總覽、報(bào)警管理、錄像管理、查詢與統(tǒng)計(jì)、機(jī)器人管理、巡檢管理、系統(tǒng)管理等功能。能夠?qū)φ麄€(gè)項(xiàng)目下所有機(jī)器人進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，所有機(jī)器人的報(bào)警信息均可在此呈現(xiàn)，并保存報(bào)警視頻和圖片，如圖6所示。具備連續(xù)錄像功能，最長(zhǎng)保存視頻時(shí)間1個(gè)月，方便回溯故障發(fā)生時(shí)的狀況。

4機(jī)器人安裝

主要涉及機(jī)器人本體、軌道、塢站、無(wú)線系統(tǒng)設(shè)備、機(jī)器人管理后臺(tái)、光纖等安裝施工，具體如下：

（1）軌道：沿桁架生根軌道支撐，布置機(jī)器人行走軌道，機(jī)器人沿軌道自由行走;

（2）塢站：頭尾設(shè)置塢站，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主充電和本體清洗;

（3）無(wú)線系統(tǒng)：沿線布置無(wú)線AP和配套通信箱，構(gòu)建無(wú)線局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與后臺(tái)通訊;

（4）機(jī)器人管理后臺(tái)布置在集控室，用于機(jī)器人的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控;

（5）塢站、無(wú)線通信箱所需電源取自沿線照明配電柜;

（6）機(jī)器人清洗所需氣源引自管帶機(jī)頭尾除塵器清灰系統(tǒng)。

5結(jié)束語(yǔ)

智能巡檢機(jī)器人為長(zhǎng)距離管帶機(jī)巡檢工作提供了一種新的解決方案。系統(tǒng)利用巡檢機(jī)器人實(shí)時(shí)采集管帶式輸送機(jī)運(yùn)行中的各種數(shù)據(jù)信息，并利用視覺(jué)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行前瞻性故障診斷，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性運(yùn)行維護(hù)，減少設(shè)備突發(fā)性故障，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，降低運(yùn)營(yíng)成本，進(jìn)行全周期設(shè)備管理，消除事故隱患。

利用智能巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)管帶機(jī)巡檢任務(wù)靈活性、智能化、自動(dòng)化的管理需求，提高場(chǎng)內(nèi)智能化管理水平。采用智能巡檢替代人工巡檢，可杜絕人生安全事故和提高巡檢效率，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。