井下膠帶機(jī)道自動巡檢機(jī)器人的研究與應(yīng)用

張 永，趙 偉

(棗莊礦業(yè)集團(tuán)新安煤業(yè)有限公司，山東 棗莊 277642)

隨著我國人口老齡化程度加劇，企業(yè)減員提效政策的實(shí)施，迫切需要開展膠帶機(jī)巡檢的智能化研究。針對膠帶機(jī)巡檢面臨的勞動力減少及傳統(tǒng)檢測手段缺失的問題，探索通過機(jī)器人技術(shù)輔助人工巡檢或者代替人工巡檢，在減輕基層員工勞動強(qiáng)度的同時，也降低人工巡檢的安全風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)有效、可靠巡檢，能夠有效提升煤礦企業(yè)的本質(zhì)安全管理水平。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的機(jī)器人出現(xiàn)在我們身邊，像變電站巡檢機(jī)器人、安防機(jī)器人、石化領(lǐng)域應(yīng)用的滅火偵查機(jī)器人無不映射著科技的魅力[1-3]。2019年，政府工作報告中提出了“智能+” 的重要戰(zhàn)略，這是“智能+”首次寫入政府工作報告，卻已是人工智能連續(xù)3年被寫入政府工作報告，也反映出國家在推動智能化發(fā)展中擁有的決心。國家煤礦安全監(jiān)察局也提出要大力發(fā)展和推廣在煤礦井下等易爆危險場所應(yīng)用具備巡檢、勘察、探測等功能的機(jī)器人，以代替人工，降低勞動風(fēng)險和強(qiáng)度，提高勞動效率。巡檢機(jī)器人不僅能將巡檢員從惡劣的工作環(huán)境中解脫出來，減輕工人的勞動強(qiáng)度，而且能提高巡檢質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)設(shè)備保護(hù)由點(diǎn)監(jiān)護(hù)提升到面監(jiān)護(hù)，對設(shè)備故障進(jìn)行超前預(yù)控，減少設(shè)備停機(jī)時間，降低機(jī)電事故造成的經(jīng)濟(jì)損失，延長設(shè)備使用壽命，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益，對煤礦安全生產(chǎn)具有重大意義[4-6]。另外，礦用巡檢機(jī)器人在礦山應(yīng)用后，能夠有效減輕基層員工的勞動強(qiáng)度和人員需求，對礦山“減員提效”提供支撐，同時能有效提升煤礦企業(yè)的本質(zhì)安全管理水平，對煤礦工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)革新具有重要的理論研究價值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究方法及技術(shù)路線

(1)研究方法[7-9]。①通過對機(jī)器人系統(tǒng)硬件的研發(fā)，使之具備無線通信系統(tǒng)、設(shè)備的穩(wěn)定發(fā)電供電系統(tǒng)、現(xiàn)場聲音采集系統(tǒng)、可見光及熱成像檢測系統(tǒng)、多氣體檢測裝置。②通過對上位機(jī)軟件的研發(fā)，使之具備監(jiān)控部分、聲音采集部分、視頻分析部分、歷史報表部分、數(shù)據(jù)存儲部分。③通過對機(jī)器人硬件設(shè)備的研究、機(jī)器人機(jī)軟件開發(fā)，組成整體機(jī)器人系統(tǒng)，使機(jī)器人能夠代替人在膠帶機(jī)道進(jìn)行巡檢。

(2)技術(shù)路線[10-12]。①對新安煤礦實(shí)際情況進(jìn)行分析，設(shè)計科學(xué)合理的技術(shù)方案。②調(diào)研論證井下膠帶機(jī)道自動巡檢機(jī)器人技術(shù)方案的可行性。③進(jìn)行理論分析和設(shè)計，樣機(jī)生產(chǎn)、調(diào)試、優(yōu)化。④技術(shù)方案的現(xiàn)場實(shí)施。研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 研究技術(shù)路線Fig.1 Research technical route

2 井下膠帶機(jī)道自動巡檢機(jī)器人系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體、基站、軌道系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制站組成[13-15]。井下膠帶機(jī)道自動巡檢機(jī)器人系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 井下膠帶機(jī)道自動巡檢機(jī)器人系統(tǒng)Fig.2 Automatic inspection robot system for underground belt conveyor track

2.1 巡檢機(jī)器人本體設(shè)計

巡檢機(jī)器人本體設(shè)計有本安雙視云臺攝像機(jī)(含紅外熱像儀、可見光攝像機(jī)、補(bǔ)光燈)、避障傳感器、天線、前置攝像機(jī)、RFID、補(bǔ)光燈等，能夠自動沿軌道往復(fù)移動，對煤礦生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行全方位監(jiān)測。巡檢機(jī)器人本體實(shí)物如圖3所示。

圖3 巡檢機(jī)器人本體實(shí)物Fig.3 Physical inspection robot body

2.2 無線基站

無線基站主要包括無線設(shè)備模塊、定向天線、饋線等[16-18]，搭建無線通信網(wǎng)絡(luò)平臺，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)中上位機(jī)與巡檢機(jī)器人本體之間的信息傳輸，也允許符合國際標(biāo)準(zhǔn)的其他無線設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。無線基站實(shí)物如圖4所示。

圖4 無線基站實(shí)物Fig.4 Wireless base station

2.3 機(jī)器人運(yùn)行軌道

機(jī)器人運(yùn)行軌道采用標(biāo)準(zhǔn)8號工字鋼軌道，高度80 mm，寬度50 mm，腹板厚度5 mm，單根軌道長度6 m，單重8.33 kg/m，長度以及軌道彎曲角度依據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整，并實(shí)施不同安裝方案。機(jī)器人運(yùn)行軌道如圖5所示。

圖5 機(jī)器人運(yùn)行軌道示意Fig.5 Robot running track

2.4 巡檢機(jī)器人控制軟件

巡檢機(jī)器人控制軟件用于巡檢機(jī)器人采集信息的顯示、報警、存儲、查詢及智能化學(xué)習(xí)和分析處理。工作站界面由系統(tǒng)、控制、查詢、配置等部分組成，程序啟動后，通過選擇菜單欄，可進(jìn)入相應(yīng)的界面，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制。

3 井下膠帶機(jī)道自動巡檢機(jī)器人設(shè)計

3.1 自發(fā)電設(shè)計

發(fā)電機(jī)機(jī)構(gòu)組件主要由驅(qū)動支架、發(fā)電機(jī)、主動輪、從動輪和減速器組成，主動輪和從動輪安裝在驅(qū)動支架上，與減速器組成伺服輪結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)輸出軸安裝有小齒輪，與減速機(jī)嚙合[19-20]。巡檢機(jī)器人工作時，主動輪和從動輪分別位于軌道的兩側(cè)并將軌道夾緊，在鋼絲繩牽引下，主動輪與軌道摩擦轉(zhuǎn)動，變速后帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，輸出電能。發(fā)電機(jī)設(shè)計安裝在防爆箱體內(nèi)，滿足礦用防爆技術(shù)要求。發(fā)電機(jī)機(jī)構(gòu)組件如圖6所示。

3.2 控制及傳感器技術(shù)設(shè)計

機(jī)器人本體核心包括：機(jī)器本體控制單元、外圍傳感器、高亮度補(bǔ)光燈、發(fā)電管理系統(tǒng)、無線通信模塊、本安雙視云臺等關(guān)鍵部分。控制及傳感器技術(shù)如圖7所示。

圖6 發(fā)電機(jī)機(jī)構(gòu)組件Fig.6 Generator mechanism components

圖7 控制及傳感器技術(shù)Fig.7 Control and sensor technology

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件設(shè)計流程如圖8所示。

圖8 上位機(jī)軟件設(shè)計流程Fig.8 Design process of host computer software

上位機(jī)軟件主要包括登錄模塊、主監(jiān)測界面模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、調(diào)試升級模塊、設(shè)備信息模塊、歷史報表模塊。

(1)采用MODBUS TCP通信協(xié)議與井下膠帶智能機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制、實(shí)時采集顯示機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)功能。

(2)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人可見光圖像、紅外熱成像圖像的實(shí)時采集、顯示、實(shí)現(xiàn)云臺攝像機(jī)控制、抓拍、錄像、語音對講等功能。

(3)通過可見光攝像機(jī)實(shí)時采集現(xiàn)場膠帶機(jī)設(shè)備工作是否異常，對于超限運(yùn)行的設(shè)備，及時發(fā)出語音報警提示。

(4)實(shí)現(xiàn)有毒有害氣體濃度顯示、分析、報警。

4 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)及功能

4.1 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

(1)機(jī)器人軌道系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)工字鋼型材，首尾通過特殊的鎖扣進(jìn)行連接，使機(jī)器人運(yùn)行更加平穩(wěn)。軌道連接處采用柔性吊掛方式與巷道頂板或側(cè)壁進(jìn)行連接，避免了巷道受地壓變形時對軌道產(chǎn)生影響。

(2)機(jī)器人本體搭載多傳感器，高清攝像儀、紅外熱像儀、拾音器、避障傳感器、多參數(shù)氣體測定儀、煙霧傳感器，確保機(jī)器人巡檢過程的高效及全面性。

(3)高效穩(wěn)定的無線通信網(wǎng)絡(luò)。通過數(shù)臺防爆無線基站均勻地分布在膠帶沿線，每臺基站通過光纖進(jìn)行串聯(lián)，最終與地面工作站連接在一起，組成一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。為了避免井下高濕度對無線信號的影響，機(jī)器人本體采用雙天線設(shè)計，有效提升了無線信號的連接質(zhì)量和基站之間的切換速度。

(4)智能的地面控制及分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要以工作站作為支撐，結(jié)合機(jī)器人現(xiàn)場采集的信息，通過“視”、“聽”、“覺”全方位地對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行智能分析保護(hù)，同時能將分析后的數(shù)據(jù)傳遞到上級管理部門，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享，膠帶機(jī)各項保護(hù)更立體化、全面化，有效縮短設(shè)備的非正常停機(jī)時間，提升噸煤效益。

4.2 系統(tǒng)功能

(1)智能分析：通過音頻、視頻、相關(guān)傳感器等設(shè)備，豐富機(jī)器人自身的識別功能，基于大數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)，對煤礦設(shè)備運(yùn)行故障超前預(yù)判、預(yù)警，減少故障停機(jī)時間。在膠帶巡檢應(yīng)用中，可與固定值守機(jī)器人相配合，為設(shè)備提供更完善的監(jiān)控。智能分析如圖9所示。

圖9 智能分析Fig.10 Intelligent analysis

(2)具備音頻異常分析功能，如電機(jī)、軸承等，音頻異常報警。

(3)具備雙向?qū)χv功能，滿足遠(yuǎn)程人員指揮、警告現(xiàn)場作業(yè)人員。

(4)具備語音智能提示功能，遠(yuǎn)程端、機(jī)器人本體端都具備語音智能提示，如警告人員避讓、設(shè)備異常、自身異常報警提示等。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

巡檢人員按4班3運(yùn)轉(zhuǎn)配置，井下每條膠帶最少需要4名巡檢工，年工資總和40萬元左右，加上操作用工具、其他辦公耗材等費(fèi)用，每年人工巡檢的費(fèi)用約50萬元。如果推行使用巡檢機(jī)器人，將大大降低巡檢工人數(shù)量，為煤礦帶來可觀的效益。同時，機(jī)器人實(shí)施后，可以有效對故障進(jìn)行預(yù)判，降低重大事故發(fā)生概率，同時能有效縮短設(shè)備非正常停機(jī)時間，經(jīng)濟(jì)效益巨大。

5.2 社會效益

項目開發(fā)成功后，不僅能大量減少人工費(fèi)用，同時可與設(shè)備控制系統(tǒng)融為一體，將點(diǎn)保護(hù)變?yōu)槊姹Ｗo(hù)，大大提高生產(chǎn)效率和設(shè)備運(yùn)行的可靠性、安全性，提升了礦山的智能化水平，還能提升集團(tuán)公司裝備制造的核心競爭力。

6 結(jié)語

巡檢機(jī)器人可以代替巡檢工定時、定點(diǎn)、高質(zhì)量地完成井下設(shè)備的日常巡檢任務(wù)，機(jī)器人本體吊掛于軌道在巷道內(nèi)往復(fù)運(yùn)行，模擬巡檢工井下巷道行走，巡檢機(jī)器人搭載多種傳感器，實(shí)時采集巡檢現(xiàn)場的圖像、聲音、紅外熱像及溫度數(shù)據(jù)、煙霧、多種氣體濃度參數(shù)等信息，不僅模擬實(shí)現(xiàn)巡檢工巡檢作業(yè)時的“望、聞、問、切”，而且將傳統(tǒng)的無法復(fù)現(xiàn)記錄和不能準(zhǔn)確量化對比的人工感官現(xiàn)象，以圖像、聲音和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)實(shí)時歸類存儲，便于故障問題的查詢復(fù)現(xiàn)。巡檢機(jī)器人在完成巡檢工日常巡檢任務(wù)的基礎(chǔ)上，增加了強(qiáng)大的智能化大數(shù)據(jù)分析功能，它將采集到的數(shù)字化信息采用智能感知關(guān)鍵技術(shù)算法進(jìn)行深入處理，綜合分析、準(zhǔn)確判斷設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，并基于大數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)，對煤礦設(shè)備運(yùn)行故障超前預(yù)判、預(yù)警，減少故障停機(jī)時間。巡檢機(jī)器人不僅能將巡檢員從惡劣的工作環(huán)境中解脫出來，大量減少人工費(fèi)用，同時可與設(shè)備控制系統(tǒng)融為一體，將點(diǎn)保護(hù)變面保護(hù)，大大提高生產(chǎn)效率和設(shè)備運(yùn)行的可靠性、安全性，提升了礦山的智能化水平外，提升集團(tuán)公司裝備制造的核心競爭力，對煤炭安全生具有重要的戰(zhàn)略意義。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 郭建軍.礦井變電所機(jī)器人巡檢平臺的研究與應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電，2020，41(5)：7-12.

Guo Jianjun.Research and application of robot inspection platform in mine substation[J].Colliery Mechanical & Electrical Technology，2020，41(5)：7-12.

[2] 劉琦.單軌懸掛式膠帶輸送機(jī)巡檢機(jī)器人研究與設(shè)計[J].煤，2018，27(7)：62-63.

Liu Qi.Research and design of inspection robot for monorail suspended belt conveyor[J].Coal，2018，27(7)：62-63.

[3] 徐晉偉.礦山膠帶運(yùn)輸智能巡檢機(jī)器人的探索與應(yīng)用[J].礦業(yè)工程，2020，18(4)：66-68.

Xu Jinwei.Exploration and application of intelligent inspection robot for belt transport in mines[J].Mining Engineering，2020，18(4)：66-68.

[4] 張曉遷.智能巡檢機(jī)器人的研究與應(yīng)用[J].東西南北：教育，2018(15)：386.

Zhang Xiaoqian.Research and application of intelligent inspection robot[J].East，West，South and North：Education，2018(15)：386.

[5] 鄧方遠(yuǎn).隧道巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2013.

[6] 周琛，楊再君，張國慶.煤礦井下膠帶機(jī)智能化精確控制研究與應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修，2020(16)：139-141.

Zhou Chen，Yang Zaijun，Zhang Guoqing.Research and application of intelligent and precise control of belt conveyor in coal mine[J].Plant Maintenance Engineering，2020(16)：139-141.

[7] 張海波，茹瑞鵬，張靜.煤礦井下瓦斯智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].中國煤炭，2019，45(4)：79-83.

Zhang Haobo，Ru Ruipeng，Zhang Jing.Research and design of intelligent gas inspection robot system in coal mine[J].China Coal，2019，45(4)：79-83.

[8] 柳潔，許敏敏，李銳，等.智能巡檢機(jī)器人在氣田的研發(fā)與應(yīng)用[C]//第十五屆寧夏青年科學(xué)家論壇石化專題論壇論文集，2019.

[9] 董彪，李洪國，楊憲民，等.礦井泵房移動機(jī)器人的研究與應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018(6)：215.

Dong Biao，Li Hongguo，Yang Xianmin，et al.Research and application of mobile robot in mine pump house[J].Journal of Shandong Industrial Technology，2018(6)：215.

[10] 左敏.礦山智能巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)[J].金屬礦山，2012(7)：120-122，140.

Zuo Min.Key technology of mine intelligent inspection robot[J].Metal Mine，2012(7)：120-122，140.

[11] 王海君，李峰光，單波，等.煤礦井下膠帶機(jī)智能化精確控制的研究與應(yīng)用[J].科技資訊，2019，17(4)：85，91.

Wang Haijun，Li Fengguang，Shan Bo，et al.Research and application of intelligent and precise control of underground belt conveyor[J].Science & Technology Information，2019，17(4)：85，91.

[12] 鄭日忠，張華英.ZigBee定位技術(shù)在井下智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用研究[J].煤炭技術(shù)，2017，36(7)：223-225.

Zheng Rizhong，Zhang Huaying.Research on application of ZigBee positioning technology in underground intelligent inspection robot[J].Coal Technology，2017，36(7)：223-225.

[13] 毛健，王忠揚(yáng)，袁發(fā)強(qiáng)，等.基于變電站智能巡檢機(jī)器人智能移動的研究及應(yīng)用[J].中國科技縱橫，2015(2)：36-38.

Mao Jian，Wang Zhongyang，Yuan Faqiang，et al.Research and application of intelligent movement of intelligent inspection robot based on substation[J].China Science and Technology，2015(2)：36-38.

[14] 邵珠娟，鄧曉剛，程豪杰，等.智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人在煤礦的應(yīng)用[J].中國煤炭，2020，46(6)：40-44.

Shao Zhujuan，Deng Xiaogang，Cheng Haojie，et al.Application of intelligent belt conveyor inspection robot in coal mine[J].China Coal，2020，46(6)：40-44.

[15] 宋曉帆，陳晨，樊慶玲，等.基于智能傳感器的新型巡檢機(jī)器人應(yīng)用研究[J].河南科技，2019(10)：19-21.

Song Xiaofan，Chen Chen，F(xiàn)an Qingling，et al.Research on the application of new inspection robot based on intelligent sensor[J].Henan Science and Technology，2019(10)：19-21.

[16] 張士海.礦用帶式輸送機(jī)自動化巡檢裝置研究及應(yīng)用[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2017.

[17] 牟志凌.輸煤系統(tǒng)軌道式巡檢機(jī)器人輔助定位系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019(19)：115-116.

Mou Zhiling.Design of orbital inspection robot aided positioning system for coal handling system[J].Electronic Technology & Software Engineering，2019(19)：115-116.

[18] 梁永強(qiáng).智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀及問題探析[J].山東電力技術(shù)，2018，45(2)：31-34.

Liang Yongqiang.Application status and problems of intelligent inspection robot[J].Shandong Electric Power，2018，45(2)：31-34.

[19] 張暉，楊曉衡，臧彥廷.基于軌道式機(jī)器人的輸煤皮帶智能巡檢監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用[J].電力設(shè)備管理，2020，49(10)：191-193.

Zhang Hui，Yang Xiaoheng，Zang Yanting.Development and application of intelligent inspection and monitoring system for coal conveyor belt based on orbital robot[J].Electric Power Equipment Management，2020，49(10)：191-193.

[20] 梁建來.智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀及問題探析[J].現(xiàn)代國企研究，2018(20)：160.

Liang Jianlai.Application status and problems of intelligent inspection robot[J].Modern SOE Research，2018(20)：160.