煤礦井下巡檢機器人技術及應用

趙炳文 張碧川 王玉嬌

（陜西陜煤榆北煤業有限公司，陜西 榆林 719000）

0 引言

在煤礦、冶金、電力以及石化等行業需要隨時對大量的生產設備、變電站以及輸油管線等進行監控和檢測。傳統的監測方法是采用現場人工巡檢，但人工巡檢不僅勞動強度大、效率低，而且易受人為因素的影響，巡檢質量不能得到很好的保障。隨著機器人技術的發展及其應用領域的不斷擴大，巡檢機器人開始出現在電力、礦山、石化以及城市建設等領域。由于煤礦環境復雜、危險崗位多且事故時有發生，為保證煤礦生產的安全，采取“無人則安”的工作原則；因此巡檢機器人在煤礦井下的應用尤為重要。

1 煤礦井下巡檢機器人分類及組成

1.1 煤礦巡檢機器人分類

煤礦巡檢機器人根據供電方式、移動形式以及作業功能的不同有不同的分類方法，具體分類如圖1所示。

圖1 煤礦巡檢機器人分類

1.2 煤礦井下防爆巡檢機器人組成

下面以軌道式懸掛防爆巡檢機器人為例，詳細介紹巡檢機器人的組成結構。

軌道式懸掛防爆巡檢機器人系統由地面監控中心、無線網絡和防爆巡檢機器人本體組成，系統組成結構如圖2所示。

圖2 巡檢機器人系統組成結構

1.2.1 地面監控中心

地面監控中心由服務器和顯示器組成。地面監控中心利用無線通信的方式與防爆巡檢機器人進行信息交換，同時也實現對巡檢機器人的遠程控制。地面監控中心實時接收、顯示防爆巡檢機器人發來的現場視頻、圖像、聲音、環境氣體和溫度等參數以及巡檢機器人的位置、驅動電流和電池電量等數據信息，對機器人傳動系統和采集系統進行控制，并對采集的圖像、聲音及各種環境信息進行識別、判斷和智能分析，發現異常現象及時報警并對問題進行處理[1]。

1.2.2 防爆巡檢機器人本體

防爆巡檢機器人本體由控制模塊、無線通信模塊、驅動機構、攝像機、拾音器、紅外熱像儀、傳感器、充電裝置及電源組成，其中控制模塊是防爆巡檢機器人本體的核心，地面監控中心通過無線網絡與控制模塊交換信息，同時控制機器人完成各項巡檢任務。

巡檢機器人本體控制模塊可以對采集的圖像、聲音、紅外熱像、紅外溫度以及氣體濃度等數據進行分析和處理，并通過無線通信模塊將這些數據發送到地面監控中心，同時接收服務器的控制指令。根據分類的不同，巡檢機器人本體的控制模塊還具有其他功能，例如自主充電式巡檢機器人的控制模塊具有充電控制功能；自主移動式巡檢機器人的控制模塊具有驅動機構控制功能。驅動機構是巡檢機器人行走的必要裝置，包括電機、驅動輪組件、從動輪組件、承重輪、導向輪及相關機械組件。驅動機構利用驅動輪和從動輪與軌道的摩擦力帶動巡檢機器人本體在軌道上運行。巡檢機器人在平直軌道和帶坡度的軌道上運行時，需要的驅動力矩不同。在平直軌道上運行時，驅動力矩只需要克服滾阻力矩即可，但在有坡度的軌道上運行時，不僅需要克服滾阻力矩，還要克服機器人本體重力產生的分力，否則機器人本體就會打滑。因此，為保證軌道式懸掛巡檢機器人的正常運行，在驅動機構中還設置了能檢測驅動輪與軌道之間正壓力的裝置，該裝置根據驅動輪與軌道之間的壓力自動調整驅動輪和從動輪與軌道的夾緊力。

在低照度、高濕度和粉塵環境下，通過機器人本體搭載攝像機和拾音器采集現場環境、皮帶機、水泵、纜線、管路和儀表閥門等監測設備的圖像以及聲音，視頻圖像在地面監控中心的服務器和大屏幕上存儲顯示，通過分析圖像和聲音來判斷生產現場是否存在異常以及設備故障位置、損壞程度等情況。巡檢機器人搭載非接觸式紅外熱像測溫儀，通過捕捉設備輻射的熱紅外線，檢測設備表面溫度數值，并形成熱視圖像，顯示設備的溫度分布情況。巡檢機器人同時還裝有多參數氣體探測器、煙霧傳感器以及避障傳感器，能夠準確檢測環境中甲烷、硫化氫、一氧化碳和氧氣的濃度，判斷有毒氣體和煙霧是否超限，還可以判斷障礙物的距離。為了適應煤礦井下設備長時間巡檢的需要，巡檢機器人一般采用可充電電池作為供電電源，在巡檢機器人本體一端安裝有充電裝置，以便與安裝在軌道上的充電插頭對接充電[2]。

2 煤礦巡檢機器人能源動力技術

隨著礦用巡檢機器人功能的不斷完善和擴展，井下巡檢線路也不斷延長，巡檢環境更加復雜，因此對巡檢機器人的待機時間提出了更高的要求。煤礦井下巡檢機器人一般多采用充電電池來供電，除合理加大巡檢機器人的電池容量外，研發滿足井下環境要求的自主充電裝置也是巡檢機器人普及應用的一個關鍵技術。

圖3是一種軌道式巡檢機器人防爆自動充電裝置，該裝置由插頭和插座2個部分組成，插座部分安裝在機器人本體的一端，內部連接充電電池。插頭部分安裝在軌道上位于巡檢路徑的末端，并與充電電源相連。

圖3 防爆自動充電裝置

插頭部分由導柱伸縮機構、隔爆閥驅動機構、卸扣執行機構、插頭遮塵罩機構和導向桿組成。導柱伸縮機構包括導柱隔爆腔、隔爆導柱和充電觸頭，隔爆導柱在導柱隔爆腔內可進行軸向滑動，充電觸頭位于隔爆導柱前端。隔爆閥驅動機構由插頭隔爆腔、隔爆閥、到位傳感器和磁性耦合器組成，隔爆閥可在插頭隔爆腔內進行徑向轉動，磁性耦合器安裝在蝸桿輸出端，插頭隔爆腔的伸出端設置成圓形臺階。卸扣執行機構安裝有圓筒隔爆腔和鎖舌拆卸器[3]。

插座部分由隔爆閥隨動機構、機械閉鎖機構、導向套和插座遮塵罩機構組成，隔爆閥隨動機構內置有蝸輪蝸桿機械傳動組件，導向套為喇叭嘴形式，導向桿可以插入導向套的圓孔內。閉鎖閥隨動機構包括插座隔爆腔、隔爆閥和磁性聯軸器，隔爆閥可在插座隔爆腔內進行徑向轉動。機械閉鎖機構包括閉鎖螺套，閉鎖螺套安裝在插座隔爆腔的正前端，閉鎖螺套內部裝有鎖舌和彈簧片。當插頭部分插入插座時，機械閉鎖機構內的鎖舌與插頭隔爆腔端部的圓形臺階形成閉鎖隔爆腔。當插頭部分與插座分離時，卸扣執行機構動作，鎖舌拆卸器向前移動，壓縮鎖舌，插頭隔爆腔端部的圓形臺階縮回初始位置。插座遮塵罩機構與插頭遮塵罩機構結構一樣，包括齒輪、觸發板、遮塵罩和拉簧等，依靠拉簧使遮塵罩與閉鎖螺套形成密封結合面，起到防塵、防水的作用。

軌道式巡檢機器人防爆自動充電裝置的工作過程如圖4所示。

圖4 防爆自動充電裝置工作過程

3 煤礦巡檢機器人應用效果

某大型煤礦利用軌道式懸掛防爆巡檢機器人對主井皮帶機進行全天候巡檢。巡檢機器人通過搭載攝像機、拾音器、紅外熱像儀和多種傳感器實時采集巡檢現場的圖像、聲音、紅外熱像、紅外溫度、煙霧以及氣體濃度等信息，不僅實現了巡檢工作業時的“望、聞、問、切”，而且可以實時地對數字化的圖像、聲音和數據信息進行歸類存儲，發現異常情況及時反饋處理，并利用里程和圖像準確定位故障位置，實現了工作現場無人值守、對異常狀況及設備故障的超前預判、預警的功能，大大提高了工作效率，減輕了工人的勞動強度，取得了較好的巡檢效果，達到了減員增效的目的。

3.1 皮帶跑偏檢測

主井運輸系統中皮帶跑偏是常見的問題之一，巡檢機器人通過采集現場視頻圖像來提取特征，并對其進行處理和深度學習，利用皮帶和托輥的特征對皮帶及托輥進行識別，檢測托輥露出皮帶的長度，以此作為判斷皮帶是否跑偏的依據，再結合多幀圖像之間托輥檢測長度的關系，得出當前幀圖像是否是跑偏圖像，通過圖像分析對跑偏部位進行語音報警。皮帶跑偏識別結果如圖5所示。

圖5 皮帶跑偏識別結果

3.2 紅外測溫與氣體探測

機器人通過搭載紅外熱成像儀對現場設備的溫度進行監測，如圖6 所示。根據報警設定值進行語音報警。有一次機器人發出高溫報警，根據報警數據，經工人現場確認，皮帶運輸機一托輥與沿線膠管接觸摩擦，導致托輥溫度升高，工人及時處理后消除了火災隱患[4]。

圖6 現場紅外熱像檢測

應用現場有多條氣體管道，氣體一旦泄露會存在重大的安全隱患，巡檢機器人搭載氣體探測傳感器對現場的氣體濃度進行實時監測，達到報警設定值就第一時間發出語音報警，并實時上傳報警位置。

3.3 異常聲音檢測與報警

皮帶運輸機托輥損壞是皮帶運輸系統常見的故障之一，也是巡檢的重點。巡檢機器人利用音頻分析平臺通過采集、分析和識別音頻，及時對異常聲音進行語音報警，并存儲異常音頻，便于人工復查處理。機器人應用前期由于識別出多處托輥損壞，因此報警頻率較高。及時解決托輥問題后，皮帶運輸機的安全性得到了保障，報警率也下降了。

4 結語

煤礦井下巡檢機器人采用模塊化設計，體積小、重量輕，適用于各種復雜的煤礦井下環境，機器人本體吊掛在軌道上，在巷道內往復運行，能夠完全代替人工巡檢，適用于煤礦井下巷道、皮帶機、水泵房、變電所、絞車房及其他井下重點巡檢區域。巡檢機器人搭載多種傳感器，實時采集現場的圖像、聲音、紅外熱像、紅外溫度、煙霧以及多種氣體濃度等參數；巡檢機器人具有智能識別功能，采用智能感知關鍵技術算法，能夠準確判斷設備當前的運行狀態，并基于大數據分析預警技術，對煤礦設備運行故障進行超前預判、預警，減少故障停機時間。同時，采用先進的無線移動通信技術，通信距離遠，抗干擾性強，既能保證圖像及數據的實時傳輸，又符合防爆要求。