選煤廠智能化巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

曹學(xué)磊

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)精煤分公司， 山西 大同 037003）

引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)能源的需求越來(lái)越大，煤炭不僅是我國(guó)重要的化石燃料，同樣也是國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的工業(yè)加工原料，煤炭的開(kāi)采對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。當(dāng)前，隨著快速掘進(jìn)技術(shù)和掘支錨一體化裝備研發(fā)取得新的進(jìn)展，煤炭的開(kāi)采過(guò)程變得更加智能高效，通過(guò)開(kāi)采得到的煤炭必須要經(jīng)過(guò)選煤廠進(jìn)行篩選，才能夠得到合理的利用。因此，選煤廠的主要作用就是將煤礦礦物中的某些雜質(zhì)進(jìn)行初步去除，并根據(jù)煤炭的自身性質(zhì)分選為不同規(guī)格的產(chǎn)品。選煤廠自身環(huán)境比較復(fù)雜，車(chē)間內(nèi)部布置有各種電氣設(shè)備和選煤裝備，常常伴有粉塵和CO2、SO2等氣體。此外，在煤炭處理的過(guò)程中也有可能會(huì)釋放出部分有毒有害氣體，如果不能進(jìn)行有效的巡檢和監(jiān)管,將帶來(lái)安全隱患，稍有不慎就有可能會(huì)引發(fā)爆炸事故[1]。

根據(jù)選煤廠的相關(guān)制度規(guī)定，巡回檢查要實(shí)時(shí)掌握選煤廠各個(gè)裝備的運(yùn)行情況，包括內(nèi)部的噪聲以及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)情況，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行異常，將可能潛在的故障進(jìn)行排除，有效避免事故發(fā)生。

為了預(yù)防以上的事故發(fā)生，目前在選煤廠都會(huì)派專(zhuān)人進(jìn)行巡檢，采取人工巡檢、定點(diǎn)監(jiān)控和軌道式巡檢等方式。傳統(tǒng)的選煤廠要求在車(chē)間的各個(gè)角落都安裝攝像頭，比如在選煤廠帶式輸送機(jī)的機(jī)頭位置、淺槽位置和快裝站等，由于采集的環(huán)境位置比較多，在上位機(jī)監(jiān)控界面，需要有人時(shí)刻關(guān)注各個(gè)攝像頭的畫(huà)面變化，但是也會(huì)有疏忽的時(shí)候，從而導(dǎo)致事故發(fā)生。傳統(tǒng)的人工巡檢存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、實(shí)時(shí)性差、巡檢工作效率低、漏檢、誤檢等問(wèn)題，甚至有很多巡檢工人消極怠工，導(dǎo)致巡檢效果較差，并且對(duì)某些緊急狀況報(bào)警延時(shí)加長(zhǎng)。隨著智能化時(shí)代的來(lái)臨，通過(guò)機(jī)器人代替人工進(jìn)行巡檢的設(shè)想已經(jīng)應(yīng)用在國(guó)內(nèi)的不同行業(yè)。為此，本文提出了一種智能巡檢機(jī)器人，代替人工完成選煤廠的智能化巡檢，可有效避免巡檢過(guò)程中出現(xiàn)的各種安全隱患，有利于保證巡檢工人的身體健康。

1 智能巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

由于選煤廠的環(huán)境比較惡劣，在實(shí)際巡檢過(guò)程中地面并不平整，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)比較大的傾角，機(jī)器人可活動(dòng)的空間有限，為了能夠收集到足夠多的數(shù)據(jù)，機(jī)器人必須要能平穩(wěn)運(yùn)行，因此，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)顯得尤為重要，需要滿(mǎn)足機(jī)器人的爬坡度要求、質(zhì)量要求等[2]。將機(jī)器人布置在選煤廠車(chē)間內(nèi)，通過(guò)實(shí)時(shí)捕捉現(xiàn)場(chǎng)的圖片信息經(jīng)過(guò)處理和分析，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)間內(nèi)的巡檢。智能巡檢機(jī)器人技術(shù)要求參數(shù)，如表1 所示。

表1 巡檢機(jī)器人技術(shù)要求參數(shù)

結(jié)合以上的參數(shù)要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一種采用軌道式和鋼絲繩牽引結(jié)合的一種行走機(jī)構(gòu)，主要由驅(qū)動(dòng)部分和本體部分兩部分組成，機(jī)器人的本體部分包括了供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括氣體傳感器、聲音傳感器和紅外熱像儀等。智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成，如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成圖

2 智能巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)部分、導(dǎo)向部分、支撐部分和輔助支撐部分組成，通過(guò)內(nèi)部的蓄電池提供的電能驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)卡扣在軌道上，通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪與軌道之間的摩擦力向前運(yùn)動(dòng)[3]。驅(qū)動(dòng)輪、支撐輪和導(dǎo)向輪位于軌道兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置。為了防止機(jī)器人在軌道兩側(cè)左右擺動(dòng)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)，夾緊機(jī)構(gòu)主要采用多輪緊箍結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道的抱緊和夾持，有利于提供足夠大的摩擦力，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行。通過(guò)布置于上下夾緊機(jī)構(gòu)的彈簧進(jìn)行調(diào)節(jié)，自動(dòng)調(diào)整夾緊力，保證軌道之間的貼合處于一個(gè)正常的范圍之內(nèi)，避免造成夾緊力過(guò)大或過(guò)小而無(wú)法正常平穩(wěn)運(yùn)行。在機(jī)器人本體上方安裝有四個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的傳感器，用于對(duì)機(jī)器人本體在軌道上的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和定位，在驅(qū)動(dòng)輪處安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)行速度。選煤廠智能巡檢機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)組成圖，如圖2 所示。

圖2 巡檢機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)組成圖

機(jī)器人本體需要搭載到一個(gè)固定的支撐位置上，才能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行，因此，在選煤廠車(chē)間內(nèi)部需要架設(shè)一定數(shù)量的軌道，其中的軌道采用的是8號(hào)工字鋼，高度為80 mm、寬度為50 mm，腹板的厚度為5 mm，單根軌道的長(zhǎng)度一般是采用標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)度為6 m，兩根軌道之間的連接采用吊耳，并通過(guò)螺栓進(jìn)行裝配，將軌道吊裝在車(chē)間房梁上，機(jī)器人本體卡緊于軌道上，機(jī)器人本體可以在軌道上自由行走，完成對(duì)選煤廠的車(chē)間巡檢，有效避免空間占用，合理利用了車(chē)間頂部的空間。相比于目前國(guó)內(nèi)選煤廠使用的定點(diǎn)巡檢裝置，采用移動(dòng)式巡檢，巡檢效果更好，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)選煤廠車(chē)間設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患。

巡檢機(jī)器人的本體行走機(jī)構(gòu)主要包括了永磁電動(dòng)機(jī)、減速器、聯(lián)軸器等，本體的重量可以由軌道自身進(jìn)行承載，牽引系統(tǒng)通過(guò)車(chē)間內(nèi)部的供電系統(tǒng)進(jìn)行供電，牽引本體沿著軌道在車(chē)間內(nèi)進(jìn)行全方位巡檢，不需要頻繁充電，功耗更小，克服了續(xù)航的難題。

3 智能巡檢機(jī)器人功能模塊設(shè)計(jì)

智能巡檢機(jī)器人通過(guò)采集選煤廠車(chē)間內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行初步分析和過(guò)濾，因此，數(shù)據(jù)的采集是實(shí)現(xiàn)對(duì)選煤廠實(shí)時(shí)巡檢的關(guān)鍵。巡檢機(jī)器人本體上搭載了多種智能傳感器，如聲音傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器、CO 傳感器和CO2傳感器等多種傳感器，可以分別對(duì)周?chē)h(huán)境中的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉，通過(guò)內(nèi)部嵌入的單片機(jī)進(jìn)行處理和分析，與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的異常，立即報(bào)警，有效避免了事故發(fā)生[4]。巡檢機(jī)器人本體功能采集模塊設(shè)計(jì)原理圖，如圖3 所示。

圖3 巡檢機(jī)器人本體功能采集模塊設(shè)計(jì)原理圖

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)與效果

通過(guò)在車(chē)間內(nèi)布置和架設(shè)軌道，并將智能巡檢機(jī)器人安裝于軌道上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)模擬運(yùn)行，可以看出：采用本套智能巡檢機(jī)器人可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢，完成對(duì)選煤廠的智能巡檢，采集到比較清晰的圖像信息。相比于傳統(tǒng)的定點(diǎn)巡檢而言，采用智能巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)巡檢，可以按照需要架設(shè)在選煤廠車(chē)間內(nèi)部，布置更加靈活多樣，巡檢的范圍更大，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某些狹小區(qū)域的巡檢，全天不間斷。此外，通過(guò)移動(dòng)巡檢可以發(fā)現(xiàn)潛在的事故隱患，及時(shí)排除，避免事故的發(fā)生。選煤廠智能巡檢機(jī)器人實(shí)時(shí)巡檢圖，如圖4 所示。

圖4 選煤廠實(shí)時(shí)機(jī)器人巡檢上位機(jī)顯示圖

5 結(jié)語(yǔ)

為了解決選煤廠傳統(tǒng)的人工巡檢中存在的巡檢效率低、巡檢不到位、巡檢成本較高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，通過(guò)前期對(duì)選煤廠車(chē)間進(jìn)行初步的調(diào)研，本文設(shè)計(jì)了一種選煤廠智能化巡檢機(jī)器人，由支撐軌道系統(tǒng)和巡檢機(jī)器人本體兩部分組成，其中巡檢機(jī)器人本體包括驅(qū)動(dòng)部分、數(shù)據(jù)采集部分、上位機(jī)監(jiān)控部分等。經(jīng)調(diào)試并現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，本次設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，成本較低等優(yōu)點(diǎn)，可以代替人工和定點(diǎn)監(jiān)控，完成對(duì)選煤廠車(chē)間人員和設(shè)備的巡檢，對(duì)環(huán)境參數(shù)的識(shí)別精度比較高，傳送到上位機(jī)的畫(huà)面比較清晰，故障報(bào)警及時(shí)，能夠滿(mǎn)足選煤廠的巡檢要求。