煤礦巡檢機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)

曹永愛， 崔世杰， 郭 凱

（山西科達(dá)自控股份有限公司， 山西 太原 030000）

引言

在煤炭開采中，煤礦安全與設(shè)備故障監(jiān)測一直是煤炭生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有的自動(dòng)化巡檢機(jī)器人對煤炭安全及其設(shè)備故障監(jiān)測在巷道與設(shè)備監(jiān)測方面普遍存在成本高、可靠性低、效率低下等劣勢，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展為解決該類弊病提供了良好的支持，為煤炭安全與設(shè)備監(jiān)測研究提供了一種新的思路。本文擬運(yùn)用懸掛式巡檢機(jī)器人對煤炭安全與設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，通過使用不同監(jiān)測模塊提高監(jiān)測效率，降低制造成本，提高系統(tǒng)可靠性與實(shí)時(shí)性，提升煤炭企業(yè)生產(chǎn)效率。

1 巡檢機(jī)器人環(huán)境及其功能分析

懸掛式巡檢機(jī)器人的主要功能為井下巷道與設(shè)備運(yùn)行情況的監(jiān)測巡檢。其具體工作環(huán)境如圖1 所示。工作環(huán)境主要有4 個(gè)特點(diǎn)：

圖1 巡檢機(jī)器人工作環(huán)境示意圖

1）空氣環(huán)境復(fù)雜，包括一氧化碳、瓦斯等危險(xiǎn)性較大且濃度高的氣體，易產(chǎn)生中毒、爆炸等危險(xiǎn)情況。

2）工作環(huán)境較為昏暗，照明條件差，機(jī)器人巡檢工作環(huán)境暗。

3）巷道臂展長且存在斜巷等復(fù)雜情況，井下巷道一般四通八達(dá)，可聯(lián)通各個(gè)工作面，斜巷坡度一般為30°，分巷道彎角與曲率半徑各不相同，巡檢機(jī)器人工作環(huán)境復(fù)雜。

4）巷道溫度較低且濕度高。因此，懸掛式巡檢機(jī)器人工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，需綜合考慮環(huán)境因素。

通過分析懸掛式巡檢機(jī)器人工作環(huán)境，針對上述工作環(huán)境機(jī)器人應(yīng)滿足的條件有：

1）巡檢機(jī)器人行走應(yīng)平穩(wěn)，可在鋼絲繩上平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎、上下坡、駛過障礙。

2）巡檢機(jī)器人應(yīng)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，保持較低的重量與體積。但應(yīng)滿足巡檢機(jī)器人的使用強(qiáng)度要求，并設(shè)計(jì)合理的安裝空間為電源、控制器等設(shè)備預(yù)留空間。

3）由于巡檢機(jī)器人工作環(huán)境較為惡劣，故應(yīng)有較好的抗干擾能力，減少外界環(huán)境的干擾。

4）盡量減小設(shè)備能耗，提高巡檢機(jī)器人的工作續(xù)航能力[1-2]。

2 懸掛式巡檢機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 巡檢機(jī)器人整體設(shè)計(jì)

通過分析巡檢機(jī)器人的工作環(huán)境及其功能需求，為適應(yīng)上述的特殊環(huán)境及其功能分析，巡檢機(jī)器人應(yīng)滿足的技術(shù)條件有：巡檢機(jī)器人運(yùn)行速度應(yīng)不大于15 cm/s，爬坡能力不大于30°，總質(zhì)量不大于50 kg，最低與最高工作溫度分別為-5 ℃與80 ℃。

現(xiàn)階段，懸掛式巡檢機(jī)器人主要分為仿生臂攀援式、輪臂復(fù)合式、多節(jié)分體式三種。其中，多節(jié)分體式與仿生臂攀援式雖跨越障礙物性能較好，但由于其運(yùn)行速度慢、設(shè)備設(shè)計(jì)復(fù)雜，不適合與井下巷道監(jiān)測，故本文選用輪臂復(fù)合式。

懸掛式巡檢機(jī)器人可分為三部分，主要有行走機(jī)構(gòu)、模塊搭載框架及其越障機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)示意圖如下頁圖2 所示。其中，模塊搭載框架的主要功能是為整體提供機(jī)架，為電池、電機(jī)、控制器以及傳感器提供安裝空間；行走機(jī)構(gòu)主要分為驅(qū)動(dòng)部分、階梯軸、行走輪、過障導(dǎo)桿和預(yù)緊輪五部分。機(jī)器人設(shè)計(jì)中包括兩個(gè)行走機(jī)構(gòu)，以保證機(jī)器人行走穩(wěn)定，不產(chǎn)生前后搖擺的現(xiàn)象。在行走輪的下方設(shè)計(jì)預(yù)緊輪，使彈簧縮緊，給鋼絲繩以預(yù)緊力，保證行走輪、預(yù)緊輪與鋼絲繩的貼合，防止機(jī)器人從鋼絲繩上脫落，保證機(jī)器人的行走穩(wěn)定，提高機(jī)器人運(yùn)行效率；過障機(jī)構(gòu)主要分為導(dǎo)桿、下支架、彈簧、支撐板、預(yù)緊輪和彈簧調(diào)節(jié)螺母六部分。導(dǎo)桿為過障導(dǎo)桿，在行走輪下方等距安裝兩個(gè)過障導(dǎo)桿可消除機(jī)器人越過障礙時(shí)的傾斜，保證穩(wěn)定。機(jī)器人越障的上下行走主要通過滾珠滑塊與滑桿配合運(yùn)行實(shí)現(xiàn)，滾珠滑塊安裝在下支架的下方，支架上方還安裝兩個(gè)過障導(dǎo)桿以及預(yù)緊輪，可保證行走的穩(wěn)定性。預(yù)緊彈簧安裝在上支架與三腳架之間的連桿上，上方與支架滑塊連接，下方與三腳架連接。

圖2 懸掛式巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 懸掛桿設(shè)計(jì)

懸掛桿的設(shè)計(jì)主要是為了使巡檢機(jī)器人可在巷道中架設(shè)的鋼絲繩上自由行走。懸掛桿的一端主要用于懸掛鋼絲繩，另外一端為通過膨脹螺絲固定在側(cè)壁。其中，懸掛桿上固定的鋼絲繩其橫截面半圓弧必須完整，且半圓弧外不應(yīng)有凸塊，以確保機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定；鋼絲繩在安裝到懸掛桿圓弧凹槽后，接觸部位兩端應(yīng)以1.5 mm 的鋼絲穿過鋼絲繩，并最終固定到懸掛桿之上。

2.3 過彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人過彎裝置本文進(jìn)行了過彎鋼軌設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可使拐角減小，減小過障礙次數(shù)，提高穩(wěn)定性。在巡檢機(jī)器人過彎時(shí)，前后兩臂的主動(dòng)輪易發(fā)生偏轉(zhuǎn)，針對該現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了如圖3 所示的轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要分為軸承、旋轉(zhuǎn)軸和三角架三部分。機(jī)械臂的轉(zhuǎn)彎偏轉(zhuǎn)主要通過旋轉(zhuǎn)軸與三角架的配合完成偏轉(zhuǎn)。

圖3 轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)示意圖

2.4 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝位置在行走機(jī)構(gòu)的封閉側(cè)，為了使機(jī)器人側(cè)擺現(xiàn)象減少，故應(yīng)選擇質(zhì)量輕、體積小但也可提供足夠力矩的驅(qū)動(dòng)方式。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)重心應(yīng)低于主動(dòng)軸軸心，以使得機(jī)器人在行走時(shí)更加穩(wěn)定。故本文采用直角減速器與電機(jī)組合的驅(qū)動(dòng)方式。直角減速器選用直角渦輪蝸桿減速器，該設(shè)備體積小、重量輕、安裝方便、運(yùn)行平穩(wěn)，適合于巡檢機(jī)器人的應(yīng)用，其型號為YHNMRV-040-05。電機(jī)為滿足體積與質(zhì)量的要求，選用步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算為：

式中：T 為輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；Pm為電機(jī)輸出功率，W；N為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

通過實(shí)際分析可知，Pm應(yīng)為86.67 W，N 應(yīng)為325 r/min，故輸出轉(zhuǎn)矩T 應(yīng)為3 N·m 以上。結(jié)合市場現(xiàn)有型號，選用86BYGH301AA 電機(jī)。

3 系統(tǒng)測試

按上述設(shè)計(jì)，將煤礦巡檢機(jī)器人組裝好后，通過分析，巡檢機(jī)器人的制造成本較現(xiàn)有的自動(dòng)化巡檢機(jī)器人制造成本顯著降低。將煤礦巡檢機(jī)器人應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)可靠，監(jiān)測系統(tǒng)效率顯著提高。經(jīng)400 h 連續(xù)運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，巡檢機(jī)器人無故障發(fā)生，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)之中[3]。

4 結(jié)論

1）煤礦巡檢機(jī)器人工作環(huán)境復(fù)雜，機(jī)器人設(shè)計(jì)應(yīng)符合設(shè)備輕量化、平穩(wěn)性、抗干擾強(qiáng)、能耗低的特點(diǎn)。

2）懸掛式巡檢機(jī)器人應(yīng)選用輪臂復(fù)合式，對機(jī)器人整體、懸掛桿、過彎機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分別設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)地運(yùn)行檢測后發(fā)現(xiàn)，本文所設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)可靠，成本顯著降低，經(jīng)400 h 運(yùn)行后，機(jī)器人未發(fā)生故障，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)之中。