礦用皮帶機智能巡檢機器人的分析與應(yīng)用

韓學敏

（晉能控股煤業(yè)集團挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

1 項目概況

當前，我國大部分煤礦對皮帶機中托輥狀況的傳統(tǒng)巡檢主要靠人工，皮帶太長，巡檢工作量大，人工手持測溫儀、測振儀進行巡檢發(fā)現(xiàn)問題不及時，存在著重大設(shè)備安全隱患。在目前的工業(yè)化生產(chǎn)中，礦用皮帶機常見故障包括：皮帶斷裂、跑偏、打滑、托輥卡死以及運載物自燃等，當皮帶機出現(xiàn)故障時，不僅影響煤礦運輸系統(tǒng)的效率，更會對工人生命安全造成威脅。因此對皮帶機運輸狀態(tài)的實時監(jiān)測成為企業(yè)共同關(guān)注的問題。當前虎龍溝煤礦井下工作面皮帶機的巡檢方式仍以人工巡視為主，這種方式主要依靠巡視工人的感官來對皮帶機狀態(tài)進行判斷，巡檢效率低、成本高，而且依賴于工人的主觀判斷，可靠性差。因此，設(shè)計一種用于礦用皮帶機的智能巡檢機器人，對皮帶機實現(xiàn)智能巡檢。

2 礦用皮帶機的智能巡檢機器人的分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

針對虎龍溝煤礦皮帶運輸機的情況，提供了一種智能巡檢機器人，該裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括殼體、旋轉(zhuǎn)云臺、導軌、測試單元、全景相機、5G CPE 設(shè)備、主動輪、伺服電機、從動輪、RFID 標簽讀卡器等部件。

從圖1 可知，智能巡檢機器人裝置殼體底部設(shè)置有旋轉(zhuǎn)云臺，頂部通過行走單元與導軌相連，內(nèi)部設(shè)置有控制單元，導軌沿礦用皮帶機的機架設(shè)置，在旋轉(zhuǎn)云臺的兩側(cè)各設(shè)置一套測試單元，分別對兩個托輥進行圖像、轉(zhuǎn)速和聲音檢測，旋轉(zhuǎn)云臺通過旋轉(zhuǎn)，調(diào)整測試單元與對應(yīng)托輥之間的相對位姿，實現(xiàn)日常檢測和對故障位置的進一步檢測，行走單元用于控制智能巡檢機器人沿導軌移動[1-3]。

圖1 智能巡檢機器人結(jié)構(gòu)示意圖

旋轉(zhuǎn)云臺包括倒T 形支架，倒T 形支架中橫桿與導軌平行設(shè)置，其兩端各設(shè)置一個安裝座，安裝座與第一電動機的輸出軸相連，其表面設(shè)置有測試單元，第一電動機用于帶動安裝座連同其上的測試單元繞X 軸的正方向或者負方向旋轉(zhuǎn)，從而使測試單元朝向各自對應(yīng)的托輥旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)日常檢測。

倒T 形支架中豎桿的自由端與第二電動機的輸出軸相連，第二電動機用于帶動整個倒T 形支架繞Z 軸方向旋轉(zhuǎn)，從而調(diào)整測試單元與對應(yīng)托輥在Y軸方向的距離，實現(xiàn)對故障位置的進一步檢測。

殼體內(nèi)部還設(shè)置有避障模塊和通訊模塊，所述避障模塊設(shè)置為全景相機，所述通訊模塊設(shè)置為5G CPE 設(shè)備，所述全景相機的攝像頭朝向智能巡檢機器人的前進方向，對應(yīng)殼體上的位置設(shè)置有玻璃窗口，用于對前進方向的障礙物進行拍攝，所述5GCPE設(shè)備用于實現(xiàn)智能巡檢機器人與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通訊，在所述殼體的頂部還設(shè)置有報警器。

導軌采用工字鋼結(jié)構(gòu)，包括處于中間的豎板以及與之垂直相連的上橫板和下橫板，行走單元包括兩個主動輪，主動輪分別設(shè)置在工字鋼兩側(cè)的凹槽內(nèi)，其中心的傳動軸均與對應(yīng)的伺服電機的輸出軸相連，伺服電機的輸出軸和豎板之間的垂直距離小于主動輪的半徑，從而確保主動輪的表面緊壓豎板，在伺服電機的帶動下沿豎板表面移動。

豎板與主動輪的接觸面設(shè)置為摩擦面，沿所述上橫板架設(shè)有供電滑觸線裝置。位置確認模塊用于對智能巡檢機器人的行走位置進行復測，包括沿所述導軌均勻間隔黏貼的RFID 標簽，以及在殼體上設(shè)置的RFID 標簽讀卡器，RFID 標簽均設(shè)置有對應(yīng)其所在位置的位置信息。

2.2 工作原理

智能巡檢機器人進行巡檢時，監(jiān)控系統(tǒng)下達巡檢任務(wù)，機器人沿導軌勻速行駛，通過旋轉(zhuǎn)云臺調(diào)整兩個測試單元的角度，使其分別向上和向下朝向?qū)?yīng)的上下托輥旋轉(zhuǎn)，利用可見光相機、紅外相機進行實時圖像采集，利用拾音器對皮帶機的運行聲音實時捕捉，利用激光測試器進行轉(zhuǎn)速檢測，檢測數(shù)據(jù)通過5G CPE 設(shè)備傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)的上位機。如拾音器捕捉到異常音頻信號，為了進一步確認異常來源，隨即伺服電機控制旋轉(zhuǎn)云臺左右轉(zhuǎn)動，第一電動機或者第二電動機也可以帶動對應(yīng)測試單元進行微調(diào)，使測試單元更加靠近異常位置，然后，可見光相機、紅外相機、激光測速儀隨即對準該托輥進行監(jiān)測，紅外相機監(jiān)測出溫度異常，激光測速器檢測出速度異常，上位機收到異常信號，發(fā)出危險預警信息，相關(guān)人員立即對該位置托輥進行檢修，待問題處理完成，異常信號消失，巡檢機器人繼續(xù)完成下達的巡檢任務(wù)。行駛途中還可監(jiān)測沿途生物活動軌跡，當人或者動物靠近皮帶機時，通過全景相機采集圖像，進行圖像處理后，立即發(fā)出危險警示，提示或驅(qū)趕生物遠離皮帶機，保障皮帶機安全運行。

2.3 巡檢方法

步驟一：借助多個從動輪，將智能巡檢機器人懸掛于導軌上，微調(diào)從動輪和主動輪與導軌的相對位置，如主動輪可以緊壓導軌的豎板，每個從動輪在導軌的橫板的位置基本一致，確保后續(xù)行走順暢；

步驟二：通過伺服電動機帶動智能巡檢機器人沿導軌移動，通過第一電動機調(diào)整對應(yīng)測試單元的角度，使其各自朝向礦用皮帶機中成對出現(xiàn)的兩個托輥轉(zhuǎn)動，記錄測試單元正對托輥時的角度，在后續(xù)的測試中保持該角度不變。為了確保對每個托輥的檢測角度都一致，導軌要盡量平行于礦用皮帶機中成對出現(xiàn)的兩個托輥的中心線設(shè)置，即平行于機架設(shè)置。

步驟三：開啟測試單元對托輥的轉(zhuǎn)速、聲音和圖像進行日常檢測，開啟全景相機對智能巡檢機器人前方的障礙物進行檢測，并通過5G CPE 設(shè)備上傳至監(jiān)控系統(tǒng)；

步驟四：若監(jiān)控系統(tǒng)通過分析發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、聲音或者圖像信息中有異常狀況，下發(fā)指令給智能巡檢機器人，通過第二電動機帶動對應(yīng)的測試單元向靠近托輥的方向轉(zhuǎn)動，使其對故障位置做進一步的檢測，再上傳至監(jiān)控系統(tǒng)做最終處理。

2.4 特點分析

該裝置利用配備紅外熱成像儀、拾音器、高清攝像頭、激光測速器等代替人工勻速沿線巡檢，實時上傳檢測數(shù)據(jù)，通過邏輯運算預測設(shè)備故障發(fā)出預警，提醒相關(guān)人員及時檢查檢修故障設(shè)備，提高設(shè)備的運行可靠性，大大提高了巡檢可靠性，節(jié)省了成本，同時，這種通過將計算機視覺、各類傳感器搭載于控制箱，利用無線網(wǎng)橋傳輸，集成于一體的智能巡檢機器人滿足了企業(yè)的需求。

3 實踐應(yīng)用及效果

虎龍溝煤礦主斜井巷道斷面寬×高=6 m×4.8 m，腰線高1.8 m，采用ST/S5400 型皮帶運輸機，機長180 m，傾角14.5°，提升高度55 m，帶寬1 800 mm，最高帶速5.0 m/s。ST/S5400 型皮帶機在以往主要有皮帶斷裂、跑偏、打滑、托輥卡死、煤料自燃等故障，人工巡視效率低下，問題發(fā)現(xiàn)不及時。采用智能巡檢機器人巡視后，機器人搭載有5G CPE 設(shè)備、攝像機、紅外測溫、溫度、濕度、煙霧、甲烷傳感器、一氧化碳、氧氣傳感器等探測裝置，在傳動系統(tǒng)的牽引下，沿皮帶巷道往復移動進行全方位的監(jiān)測[4-6]。

通過在虎龍溝煤礦主斜井巷道ST/S5400 型皮帶運輸機上安裝智能巡檢機器人后，可對該ST/S5400 型皮帶機運輸沿線實現(xiàn)實時監(jiān)控，實時發(fā)現(xiàn)設(shè)備要運輸過程中出現(xiàn)的故障，及時進行維修。智能巡檢機器人的應(yīng)用，實現(xiàn)了皮帶運輸系統(tǒng)的無人值守，系統(tǒng)安全、可靠、使用方便，維護量小，有效減少了井下皮帶機崗位的工作人員，減輕了巡檢人員的勞動強度，為企業(yè)創(chuàng)造了較好的安全經(jīng)濟效益。