帶式輸送機巡檢機器人研究

黃世頂 韓 雷 蘆 偉 劉洪剛

1 兗礦集團貴州能化龍鳳煤礦 金沙 551800 2 力博重工科技股份有限公司 泰安 271000 3 山東科技大學機械電子工程學院 青島 266590

0 引言

帶式輸送機作為煤礦生產的重要物料輸送設備，具有運量大、運輸距離長、運輸平穩、結構簡單等優點，被廣泛的應用[1]。帶式輸送機受到所處工作地點環境因素的影響，再加之帶式輸送機長期的運行作業，便會產生各種問題。帶式輸送機常見的問題有斷帶、縱向撕裂、打滑、跑偏、堆煤及火災等[2]，這些故障是非常大的安全隱患，一旦出現將對人員和設備產生極大的威脅，對帶式輸送機運行狀態的監測便顯得尤為重要。傳統的人工巡檢工作量大、強度高、檢測方式單一，再加之環境的復雜性，容易產生效率低、檢測不準確、無法提前避免問題產生以及對巡檢人員的生命健康存在較大的風險。傳統的傳感器監測方式也存在著監測點多、布置相當復雜、成本高，維護困難等缺陷。傳統方式無法很好地滿足帶式輸送機的巡檢，同時隨著帶式輸送機技術向著智能化、無人化和高可靠性發展，對帶式輸送機的巡檢提出了更高的要求。所以，代替人工對帶式輸送機進行安全高效巡檢的帶式輸送機巡檢機器人便適應時機而產生了。帶式輸送機巡檢機器人搭載采集聲音、圖像、溫濕度、氣體等信息的各類傳感器，并對采集信息分析，實現巡檢、預警及診斷。具有無人化、效率高、準確性好、全天候等優點，節省了人力，減少人員及設備事故的產生，保證了帶式輸送機的安全穩定運行[3，4]。

1 巡檢機器人國外研究現狀

20 世紀80 年代末，一些發達國家開始對巡檢機器人進行研究。日本中部電力公司設計了一種變電站巡檢機器人，機器人的導航由地下鋪設的磁軌來完成。同時機器人搭載有攝像裝置、紅外測溫裝置、脈沖檢測裝置，聲音采集裝置等[5]。

Gabriel Garcia 等設計了一種帶式輸送機巡檢平臺[6]，如圖1 所示。該平臺包含履帶行走裝置、機械臂及監測儀器設備，包括攝像頭、麥克風及帶有振動傳感器的觸摸屏等。機器人沿著帶式輸送機移動，機械臂將傳感器組件靠近需監測部件，以獲取數據信息，對帶式輸送機進行故障診斷。

圖1 帶式輸送機巡檢平臺

ABB 公司設計了一種巡檢機器人，對帶式輸送機托輥監測，如圖2 所示。該機器人在L 形軌道上運行，并攜帶熱像儀、帶LED 燈的可俯仰可視相機和超聲波麥克風等，采集托輥數據。機器人巡視之后，停靠在基站的電池充電端口，并上傳所有檢查數據以進行分析。

圖2 ABB 帶式輸送機巡檢機器人

Regivaldo Carvalho 等設計了一種無人機巡檢[7]，如圖3 所示。無人機搭載熱成像相機，且無人機可不受地形條件的影響，高速飛行采集帶式輸送機的熱圖像，并在圖像中識別滾軸的方位。通過對圖像的輻射數據進行形態學處理，可以提取溫度并識別出缺陷輥。數據存儲在無人機的存儲卡中，并在飛行后傳輸到計算機上。

圖3 無人機巡檢

2 巡檢機器人國內研究現狀

20 世紀 90 年代末，國內開始對巡檢機器人進行相關研究，吳功平[8]對巡檢機器人進行了多年研究，圖4所示為其研發的雙臂懸線機器人，該機器人雙機械臂架設在輸電線上，可在輸電線路上爬行或滾動，并可穩定越過輸電線路上的障礙物，通過攝像機和紅外熱成像采集數據。

圖4 雙臂懸線機器人

2010 年，商德勇[9,10]設計了一種薄煤層綜采面巡檢機器人，如圖5 所示。該機器人擁有四個搖臂，可適用于多種地形，越障性能好，可應對復雜惡劣的薄煤層工作面環境。機器人上安裝有攝像頭、溫度傳感器和濕度傳感器、氣體檢測裝置等，可監測復雜的綜采工作面面環境并進行分析。

圖5 薄煤層綜采面巡檢機器人

2012 年，唐山開誠制造有限公司設計了一種煤礦井下膠帶運輸機巡視機器人。該機器人在架設的驅動繩上運動，機器人上搭載攝像頭及各類氣體傳感器，對帶式輸送機的運行狀態進行簡單的監測。

2016 年，中信重工開誠智能裝備有限公司設計了一種礦用巡檢機器人[11，12]，如圖6 所示。該機器人采用軌道式傳動，通過傳動系統的牽引沿帶式輸送機往復移動，具備圖像采集、聲音采集、溫度和煙霧監測等功能，并通過無線通訊網絡輸數據，實現互聯互通。

圖6 礦用巡檢機器人

2018 年，中信重工開誠智能裝備有限公司在原有巡檢機器人的基礎上又設計了一款礦用隔爆兼本安型軌道式巡檢機器人，如圖7 所示。該機器人采用鋼絲繩牽引發電，可實現5G 通訊，通訊距離遠，抗干擾性強。該機器人具有智能識別功能，并融合大數據分析預警技術，可實現對設備運行故障的超前預判及預警。

圖7 礦用隔爆兼本安型軌道式巡檢機器人

2019 年，中國礦業大學設計了一種帶式輸送機巡檢機器人[13]，應用于露天煤礦環境，如圖8 所示。機器人為軌道式機器人，通過安裝在軌道上的齒條和機器人上的齒輪實現行走。由于現場環境冬季溫度低，采用加熱控制裝置解決低溫下鋰電池充電問題。具有紅外檢測和視覺檢測功能，將采集到的信息無線傳輸到上位機。

華夏天信研發了一款軌道式礦用巡檢機器人，如圖9 所示。該機器人搭載有熱成像視頻監控模塊、多參數傳感器及語音識別系統，采用了先進無線數傳等技術，實現機器人在軌道手動或自動控制運行，對聲音、圖像、氣體等參數采集并回傳，將采集到的各種數據融入到智慧礦山操作系統平臺中進行大數據分析。

圖8 中國礦業大學帶式輸送機巡檢機器人

圖9 華夏天信軌道式礦用巡檢機器人

3 巡檢機器人關鍵技術

3.1 移動平臺

移動平臺是為巡檢機器人非常重要的基礎組成部分。由于帶式輸送機巡檢機器人工作特點及環境，現有的帶式輸送機巡檢機器人主要為軌道式移動平臺，帶式輸送機巡檢機器人在預先架設好的軌道上自主往返巡檢運動。移動平臺安裝在輸送機的單側或兩側，并具備防振和防潮的特點。

3.2 監測技術

帶式輸送機巡檢機器人為實現帶式輸送機故障的診斷需要對圖像、聲音、氣體濃度溫濕度、環境等進行監測。目前采用最多的是利用圖像采集設備對帶式輸送機及巷道內的圖像采集，紅外測溫儀采集帶式輸送機在紅外圖像并將采集到的圖像信息傳至上位機，對圖像進行識別與處理，通過算法判斷帶式輸送機的運行狀態。利用聲音采集設備對帶式輸送機的聲響采集，分析采集信息，判斷有無異常情況出現。利用溫濕度、煙霧、氣體等傳感器監測帶式輸送機周圍環境，非正常問題一旦出現，及時報警。

3.3 自主充電技術

帶式輸送機長度的增加及環境問題的復雜性，巡檢機器人的續航及充電問題愈發關鍵。目前對于巡檢機器人的供電方式包括，供電線路拖拽式、滑軌接觸式以及電池加自主充電式。帶式輸送機巡檢機器人大多采用內置電池加自主充電的方式，又有接觸式充電和無線充電。內置電池為巡檢機器人的正常運行提供電量，并且電量較低時，巡檢機器人將自動尋找充電樁為自己補充電量。

4 巡檢機器人發展趨勢展望

1）靈活化、輕巧化 帶式輸送機的結構需進一步優化，使其體積變小，重量變得更輕，移動更加靈活。機器人能量消耗變得更低，環境適應能力更好，開發制造成本降低。

2）數據分析智能化 通過探究輸送機的運行機理和動態特性找出輸送機故障的本質原因，指導傳感器的種類及安裝方式，探究海量回傳數據的比對、篩選、融合與分析方法和策略，逐步實現精確地對帶式輸送機故障進行預警和預知性維護。

3）配電及動力問題 帶式輸送機巡檢機器人的續航是熱點和難點問題。無線供電在巡檢機器人上已有初步應用，但仍需對大功率、高負載以及長距離機器人行走的動力方式進一步研究，探討行走動力無電池化，滿足井下防爆要求。

4）巡檢機器人與輸送機自動控制、綜合保護系統的深度融合 巡檢機器人在輸送機自動化控制的基礎上再研究和融入智能化，將更有利于輸送機的安全運行，逐步實現機器換人。

5 結語

帶式輸送機巡檢機器人對帶式輸送機的運行狀態實時監控，對故障實現提前預警和準確分析，避免了一些人工巡檢的弊端。符合礦山信息化和自動化的發展需要，前景十分廣闊。本文對巡檢機器人的國內外研究現狀進行了分析，并分析和闡述了帶式輸送機巡檢機器人的關鍵技術，同時展望了帶式輸送機巡檢機器人在靈活化及輕巧化、數據分析智能化、供電技術發展趨勢，為帶式輸送機未來的發展和應用提供參考。