礦用救援探測機器人系統(tǒng)設(shè)計與研究

薛春榮，李小波

(1.煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)警與防控國家礦山安全監(jiān)察局重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

礦井火災(zāi)、瓦斯爆炸事故后，災(zāi)區(qū)現(xiàn)場溫度高，粉塵濃度大，巷道內(nèi)充滿爆炸性氣體以及高濃度CO等有毒有害氣體，礦井環(huán)境不穩(wěn)定，隨時有可能發(fā)生二次爆炸，救護人員不能貿(mào)然進入災(zāi)區(qū)。因此，亟需一種能夠代替救援人員進入到受災(zāi)區(qū)域進行實時探測，為救援人員、救援指揮人員進行決策和精準施救提供現(xiàn)場有效數(shù)據(jù)[1-4]。目前，國內(nèi)外煤礦救災(zāi)機器人的研究取得了豐碩的成果，出現(xiàn)了各種不同形式的救災(zāi)機器人及其相關(guān)技術(shù)[5-9]，但現(xiàn)有無線通信救災(zāi)機器人需要救援人員在近距離可視范圍內(nèi)進行遙控操作，無法實現(xiàn)真正意義上的遠程操控，因為煤礦井下的無線通信信號在巷道內(nèi)傳播特性不同于地面，在煤礦井下特殊空間及多變工作環(huán)境下無法滿足高吞吐速率、遠距離可靠穩(wěn)定傳輸?shù)刃枨骩9-12]，尤其是隨著救災(zāi)機器人的行走距離增加，無線信號強度變?nèi)跫案蓴_增多，就會造成遙控信息的缺失，使得救援人員不能對受災(zāi)區(qū)域進行實時、全面的探測[13，14]。

其次，由于災(zāi)后地面環(huán)境極其復(fù)雜，多為非結(jié)構(gòu)路面，往往存在很多細石瓦礫、障礙物，對礦用探測機器人行走機構(gòu)的要求非?？量?。但履帶行走裝置具有驅(qū)動力大、接地比壓小、底盤穩(wěn)定性好、爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小以及對各類底板適應(yīng)能力強等優(yōu)勢[15，16]，因此，本文設(shè)計一種越障能力強、遠距離通信可靠的救援探測機器人系統(tǒng)，可在災(zāi)區(qū)探測作業(yè)，能有效地保護救援人員，提高救援效率。

1 救援探測機器人系統(tǒng)設(shè)計

1.1 救援探測機器人系統(tǒng)組成

救援探測機器人系統(tǒng)組成如圖1所示，該系統(tǒng)由遙控器服務(wù)器、救援探測機器人組成。救援探測機器人由遙控服務(wù)器遙控，可實現(xiàn)各類有毒有害氣體濃度，及清晰圖像信息采集，可輔助或代替救援人員對煤礦事故危險現(xiàn)場環(huán)境進行探測。

圖1 礦用探測機器人系統(tǒng)

1.2 救援探測機器人設(shè)計

救援探測機器人是負責(zé)救援事故現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)、現(xiàn)場狀況的探測，主要是由履帶移動平臺、自動收放線裝置、升降式環(huán)境信息采集單元、視頻采集單元等組成。

1)履帶移動平臺，由履帶行走裝置、防爆動力電源、驅(qū)動控制單元、防爆殼體等組成，履帶式行走裝置主要的組成部分為48 V/3 kW的直流伺服電機驅(qū)動裝置、克里斯蒂懸掛履帶行走機構(gòu)。防爆動力電源，由17塊100 Ah磷酸鐵鋰蓄電池組串聯(lián)，額定電壓48 V，為提高電池組的安全性，成組設(shè)計的單體電池并聯(lián)二極管，支路輸出端串聯(lián)二極管、過流熔斷電阻。同時電源配置電池管理系統(tǒng)(BMS)，具有電池充放電策略管理、電池組溫度實時檢測、單體電池電壓和電流檢測、SOC估計等功能。驅(qū)動控制單元，采用GX48-150伺服驅(qū)動器與西門子PLCS7-200構(gòu)成驅(qū)動控制單元，具有速度傳感器矢量控制功能，可實現(xiàn)控制器對電機轉(zhuǎn)矩的精確控制。

2)自動收放線裝置，主要由直流電機+行星輪減速器與鏈輪固聯(lián)帶動繞線盤正反轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)線纜的收放。為了使線纜能規(guī)則舒展的卷繞在線盤上，設(shè)計鏈輪絲杠排線裝置與電動導(dǎo)軌式的彈力張緊裝置，排線裝置的絲杠導(dǎo)程約為線纜的直徑。卷線裝置收放線時，電機帶動繞線盤轉(zhuǎn)動，電纜在隨著機器人的移動自動收放，收放速度通過電動導(dǎo)軌式的彈力張緊裝置的張緊力反饋自動控制收放線速度。

3)升降式環(huán)境信息采集裝置，由電動推桿式升降裝置和氣體傳感器組成。電動推桿式升降裝置可升降高度為1.5 m，可有效的采集不同高度的氣體濃度。包括二氧化硫、二氧化氮、硫化氫、一氧化碳、溫度、煙霧傳感器，數(shù)據(jù)通過485有線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭b控器服務(wù)器進行顯示與報警，同時也具有本地顯示，超限聲光報警功能。

4)視頻采集單元，包括3臺可見光/紅外攝像儀和1云臺攝像儀，用于實時采集監(jiān)控光纜卷線裝置的工作狀態(tài)、機器人行走的路況信息、事故救援現(xiàn)場圖像等，其中，所有攝像儀通過網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議傳輸。

1.3 遙控服務(wù)器設(shè)計與測試

遙控服務(wù)器主要包括硬件平臺和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要由本安電源、主板、數(shù)據(jù)采集卡、顯示屏、本安光電交換機等組成。軟件系統(tǒng)采用力控組態(tài)軟件(ForceControl)平臺進行設(shè)計，其具有實時數(shù)據(jù)庫、設(shè)備通訊服務(wù)程序、網(wǎng)絡(luò)通訊程序、HMI畫面、SDK接口、Web應(yīng)用服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā)等功能模塊，便于救援探測機器人遙控軟件系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。

遙控服務(wù)器通過3 km光纜(MGTBV(2～12)B鎧裝防爆光纖，直徑8 mm)與救援探測機器人進行有線通信。實現(xiàn)遙控制指令傳輸、狀態(tài)指示、數(shù)據(jù)顯示、畫面顯示、數(shù)據(jù)存儲等應(yīng)用功能。首先，顯示界面上能實時顯示救援探測機器人采集的各種信息及數(shù)據(jù)，包括現(xiàn)場視頻圖像、溫度數(shù)據(jù)、氣體濃度數(shù)據(jù)和各種報警信息等。其次，救援探測機器人所有的視覺圖像、音頻等感知信息均在遙控服務(wù)器上進行分析處理。如救援探測機器人設(shè)備出現(xiàn)異常時，救援探測機器人和遙控服務(wù)器均會發(fā)出報警聲音，提示救援隊員。通過遙控服務(wù)器能夠形成實時報警記錄、歷史報警記錄并存入數(shù)據(jù)庫中。

最后，通過對系統(tǒng)遙控通信質(zhì)量進行測試，通信線纜收放正常，四路圖像清晰連續(xù)，環(huán)境檢測數(shù)據(jù)傳輸正常，系統(tǒng)整體通信信號穩(wěn)定可靠，運行1小時數(shù)據(jù)平均延時小于37 ms，滿足通信要求。

2 救援探測機器人的防爆設(shè)計

防爆設(shè)計是爆炸性環(huán)境作業(yè)機器人區(qū)別于其他行業(yè)機器人的本質(zhì)特征，煤礦環(huán)境對防爆設(shè)計的要求最為嚴格。因此，救援探測機器人需滿足《煤礦安全規(guī)程》和《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備》(GB/T3836—2021)的防爆要求[17]。

2.1 救援探測機器人本安設(shè)計

救援探測機器人本安設(shè)計主要就是本安部件的本安供電及相關(guān)本安信號的隔離設(shè)計。主要包括本安攝像儀、云臺攝像儀、氣體傳感器、溫濕度傳感器、聲光報警器等。本安攝像儀/云臺攝像儀視頻數(shù)據(jù)信號，采用萬維的IT-NET本安信號隔離轉(zhuǎn)換模塊隔離，氣體傳感器、溫濕度傳感器、聲光報警器等485本安信號采用萬維的IT-COM信號隔離轉(zhuǎn)換模塊隔離。本安部件供電模塊選擇與無錫煤科本安參數(shù)(電容、電感、電壓)相匹配的本安電源模塊，且放置于隔爆腔中。

2.2 殼體隔爆設(shè)計

隔爆殼體應(yīng)能夠承受通過外殼任何接合面或結(jié)構(gòu)間隙滲透到外殼內(nèi)部的可燃氣體混合物在內(nèi)部爆炸而不損壞，并且不會引起外部的爆炸性環(huán)境的點燃。救援探測機器人履帶移動平臺、升降式環(huán)境信息采集裝置、自動收放線裝置均采用隔爆設(shè)計，隔爆結(jié)合面主要采用圓筒隔爆面和平面隔爆面。

圖2 履帶驅(qū)動輪隔爆結(jié)構(gòu)示意

本研究以復(fù)雜的驅(qū)動輪隔爆設(shè)計為例，在殼體側(cè)壁高為40 mm凸緣加工安裝階梯套的安裝孔和法蘭面，保證螺紋孔不穿透殼體。階梯套與殼體安裝孔過盈配合，與驅(qū)動軸間隙配合，階梯套內(nèi)圓柱面與驅(qū)動軸形成圓筒隔爆接合面，隔爆面長19.5 mm，間隙0.04 mm。階梯套采用無火花的合金銅材料制作，驅(qū)動軸與階梯套采用旋轉(zhuǎn)密封圈(銅合金)。階梯套與外殼法蘭采用平面隔爆面，隔爆面長23 mm，間隙0.4 mm。移動平臺的隔爆外殼材質(zhì)為Q345鋼板焊接而成，有三個隔爆腔組成，其中電機腔能承受1 MPa，電池腔能承受1.5 MPa，接線腔能承受1.5 MPa，加壓時間為(10+20)s 的靜壓試驗。

3 救援探測機器人越障分析

救援探測機器人應(yīng)具備較強的爬坡越障能力，以適應(yīng)煤礦非結(jié)構(gòu)環(huán)境，而影響其爬坡越障性能的重要因素之一是機器人的重心位置分布，因此需要對其分析設(shè)計[18]。

3.1 救援探測機器人越障運動分析

救援探測機器人從動輪履帶首先接觸到臺階尖角，在驅(qū)動輪的推動與支撐輪的支持力、摩擦力的共同作用下慢慢爬上臺階，前輪(從動輪)位置隨之升高，救援探測機器人從接觸臺階障礙物到完全越過的過程如圖3所示。

圖3 救援探測機器人越障過程示意

救援探測機器人越障時，主要應(yīng)該考慮其機體重心是否可以適應(yīng)障礙物[19，20]，及越障時輸出轉(zhuǎn)矩受其機體仰角變化規(guī)律，建立其受力分析模型(如圖4)。

式中，F(xiàn)f1，F(xiàn)f2為探測機器人受到地面摩擦力，N；FN1，F(xiàn)N2為探測機器人受到地面的支撐力，N；G為探測機器人結(jié)構(gòu)重力，N；T為探測機器人輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；μ為摩擦系數(shù)，取μ=0.5[21]；L為引導(dǎo)輪與驅(qū)動輪中心距，m；β為探測機器人仰角，逆時針旋轉(zhuǎn)為正，(°)；R為探測機器人驅(qū)動輪半徑，m。

圖4 救援探測機器人受力情況

整理式上式可得救援探測機器人電機輸出轉(zhuǎn)矩與車體仰角β的函數(shù)關(guān)系：

T=(Ff2sinβ+FN2)Lcosβ-G(Lxcosβ-

Lysinβ)-Ff2cosβLsinβ

式中，(Lx，Ly)為機身的重心位置。

繪制救援探測機器人電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩隨車體仰角β變化曲線如圖5所示，探測機器人驅(qū)動轉(zhuǎn)矩受仰角影響，即仰角越大，其所需驅(qū)動轉(zhuǎn)矩越大。

圖5 電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩隨救援探測機器人仰角變化曲線

由于重心(質(zhì)心)難以測量，因此采用實驗進行測定。其中探測機器人處于仰角β=23°時，取得最大轉(zhuǎn)矩值，Tmax=367 N·m 。通過分析，3 kW驅(qū)動電機+ZPLE120行星齒輪減速機最大輸出力矩達380 Nm，能夠滿足越障需求。

3.2 救援探測機器人越障實驗

根據(jù)設(shè)計分析，對救援探測機器人越臺階障礙時兩側(cè)驅(qū)動電機力矩變化進行分析。選取高度為22 cm的水泥臺階進行越障實驗，初始路面為水泥硬化路面，完成路面為草坪，越障性能測試如圖6所示。在實際越障過程中，采集驅(qū)動電機電流，通過力矩與電流的數(shù)學(xué)關(guān)系計算驅(qū)動電機輸出力矩，并繪制曲線如圖7所示。

圖6 越障性能測試

注：a表示準備爬臺階，仰角β=0增大；b表示在爬升臺階，仰角β增大；c表示在臺階上方，仰角β減?。籨表示完成臺階爬越 仰角β=0增大

由圖7可知：2個驅(qū)動電機的變化趨勢是基本相同。通過對a階段分析，由于在測試過程中驅(qū)動電機1側(cè)的履帶最先接觸臺階，導(dǎo)致救援探測機器人向受力小的一側(cè)偏轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為驅(qū)動電機2的力矩在時間上有一定滯后性，在b階段越障過程中力矩逐漸增大，當重心越過臺階的支點后，救援探測機器人的車頭就急劇下落，電機的力矩也急劇變小(如c階段)，最后完成越障，平穩(wěn)地在草坪上行走，此時的力矩比初始在水泥路面大。

實驗測試結(jié)果表明，救援探測機器人能順利爬越22 cm高的階障礙物，越障時電機的力矩與理論分析基本一致。

4 結(jié) 論

1)針對煤礦救援探測機器人在受限空間救援探測過程中，通信不穩(wěn)定性、以及非結(jié)構(gòu)環(huán)境的越障性能問題。研制了具有自動跟隨收放通信光纜功能的履帶式救援探測機器人及遙控服務(wù)系統(tǒng)。具體分析了救援探測機器人越障過程中力矩與仰角的關(guān)系，并進行實驗測試，實驗表明越障過程中仰角越大，需要的電機驅(qū)動力矩越大。

2)對救援探測機器人系統(tǒng)進行了測試，救援探測機器人可順利通過22 cm高的臺階，3 km通信光纜收放正常，運行1 h數(shù)據(jù)平均延時小于37 ms，四路圖像清晰，環(huán)境檢測輸數(shù)據(jù)傳輸正常，系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定。