選煤廠智能化巡檢機器人結構設計

曹學磊

（晉能控股煤業集團精煤分公司， 山西 大同 037003）

引言

近年來，隨著經濟的快速發展，我國對能源的需求越來越大，煤炭不僅是我國重要的化石燃料，同樣也是國內各行各業的工業加工原料，煤炭的開采對于我國經濟的快速發展具有至關重要的作用。當前，隨著快速掘進技術和掘支錨一體化裝備研發取得新的進展，煤炭的開采過程變得更加智能高效，通過開采得到的煤炭必須要經過選煤廠進行篩選，才能夠得到合理的利用。因此，選煤廠的主要作用就是將煤礦礦物中的某些雜質進行初步去除，并根據煤炭的自身性質分選為不同規格的產品。選煤廠自身環境比較復雜，車間內部布置有各種電氣設備和選煤裝備，常常伴有粉塵和CO2、SO2等氣體。此外，在煤炭處理的過程中也有可能會釋放出部分有毒有害氣體，如果不能進行有效的巡檢和監管,將帶來安全隱患，稍有不慎就有可能會引發爆炸事故[1]。

根據選煤廠的相關制度規定，巡回檢查要實時掌握選煤廠各個裝備的運行情況，包括內部的噪聲以及關鍵結構件的運動情況，有利于及時發現設備的運行異常，將可能潛在的故障進行排除，有效避免事故發生。

為了預防以上的事故發生，目前在選煤廠都會派專人進行巡檢，采取人工巡檢、定點監控和軌道式巡檢等方式。傳統的選煤廠要求在車間的各個角落都安裝攝像頭，比如在選煤廠帶式輸送機的機頭位置、淺槽位置和快裝站等，由于采集的環境位置比較多，在上位機監控界面，需要有人時刻關注各個攝像頭的畫面變化，但是也會有疏忽的時候，從而導致事故發生。傳統的人工巡檢存在勞動強度大、實時性差、巡檢工作效率低、漏檢、誤檢等問題，甚至有很多巡檢工人消極怠工，導致巡檢效果較差，并且對某些緊急狀況報警延時加長。隨著智能化時代的來臨，通過機器人代替人工進行巡檢的設想已經應用在國內的不同行業。為此，本文提出了一種智能巡檢機器人，代替人工完成選煤廠的智能化巡檢，可有效避免巡檢過程中出現的各種安全隱患，有利于保證巡檢工人的身體健康。

1 智能巡檢機器人結構組成

由于選煤廠的環境比較惡劣，在實際巡檢過程中地面并不平整，有時候會出現比較大的傾角，機器人可活動的空間有限，為了能夠收集到足夠多的數據，機器人必須要能平穩運行，因此，機器人的結構顯得尤為重要，需要滿足機器人的爬坡度要求、質量要求等[2]。將機器人布置在選煤廠車間內，通過實時捕捉現場的圖片信息經過處理和分析，最終實現對車間內的巡檢。智能巡檢機器人技術要求參數，如表1 所示。

表1 巡檢機器人技術要求參數

結合以上的參數要求和結構設計要求，設計了一種采用軌道式和鋼絲繩牽引結合的一種行走機構，主要由驅動部分和本體部分兩部分組成，機器人的本體部分包括了供電系統、數據采集系統和定位系統，其中，數據采集系統主要包括氣體傳感器、聲音傳感器和紅外熱像儀等。智能巡檢機器人系統組成，如下頁圖1 所示。

圖1 巡檢機器人系統組成圖

2 智能巡檢機器人結構設計

巡檢機器人主體結構主要由驅動部分、導向部分、支撐部分和輔助支撐部分組成，通過內部的蓄電池提供的電能驅動驅動輪轉動，同時卡扣在軌道上，通過驅動輪與軌道之間的摩擦力向前運動[3]。驅動輪、支撐輪和導向輪位于軌道兩側對稱布置。為了防止機器人在軌道兩側左右擺動，在設計時需要設計夾緊機構，夾緊機構主要采用多輪緊箍結構，實現對軌道的抱緊和夾持，有利于提供足夠大的摩擦力，實現平穩運行。通過布置于上下夾緊機構的彈簧進行調節，自動調整夾緊力，保證軌道之間的貼合處于一個正常的范圍之內，避免造成夾緊力過大或過小而無法正常平穩運行。在機器人本體上方安裝有四個對稱布置的傳感器，用于對機器人本體在軌道上的位置進行實時檢測和定位，在驅動輪處安裝有旋轉編碼器，用來檢測機器人的運行速度。選煤廠智能巡檢機器人本體結構組成圖，如圖2 所示。

圖2 巡檢機器人本體結構組成圖

機器人本體需要搭載到一個固定的支撐位置上，才能夠實現平穩運行，因此，在選煤廠車間內部需要架設一定數量的軌道，其中的軌道采用的是8號工字鋼，高度為80 mm、寬度為50 mm，腹板的厚度為5 mm，單根軌道的長度一般是采用標準的長度為6 m，兩根軌道之間的連接采用吊耳，并通過螺栓進行裝配，將軌道吊裝在車間房梁上，機器人本體卡緊于軌道上，機器人本體可以在軌道上自由行走，完成對選煤廠的車間巡檢，有效避免空間占用，合理利用了車間頂部的空間。相比于目前國內選煤廠使用的定點巡檢裝置，采用移動式巡檢，巡檢效果更好，可以實時檢測選煤廠車間設備的運行狀況，及時發現事故隱患。

巡檢機器人的本體行走機構主要包括了永磁電動機、減速器、聯軸器等，本體的重量可以由軌道自身進行承載，牽引系統通過車間內部的供電系統進行供電，牽引本體沿著軌道在車間內進行全方位巡檢，不需要頻繁充電，功耗更小，克服了續航的難題。

3 智能巡檢機器人功能模塊設計

智能巡檢機器人通過采集選煤廠車間內的信號進行初步分析和過濾，因此，數據的采集是實現對選煤廠實時巡檢的關鍵。巡檢機器人本體上搭載了多種智能傳感器，如聲音傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器、CO 傳感器和CO2傳感器等多種傳感器，可以分別對周圍環境中的參數進行實時捕捉，通過內部嵌入的單片機進行處理和分析，與標準值進行對比，發現環境參數的異常，立即報警，有效避免了事故發生[4]。巡檢機器人本體功能采集模塊設計原理圖，如圖3 所示。

圖3 巡檢機器人本體功能采集模塊設計原理圖

4 現場應用實驗與效果

通過在車間內布置和架設軌道，并將智能巡檢機器人安裝于軌道上，通過現場模擬運行，可以看出：采用本套智能巡檢機器人可以代替傳統的人工巡檢，完成對選煤廠的智能巡檢，采集到比較清晰的圖像信息。相比于傳統的定點巡檢而言，采用智能巡檢機器人實現了移動巡檢，可以按照需要架設在選煤廠車間內部，布置更加靈活多樣，巡檢的范圍更大，可以實現對某些狹小區域的巡檢，全天不間斷。此外，通過移動巡檢可以發現潛在的事故隱患，及時排除，避免事故的發生。選煤廠智能巡檢機器人實時巡檢圖，如圖4 所示。

圖4 選煤廠實時機器人巡檢上位機顯示圖

5 結語

為了解決選煤廠傳統的人工巡檢中存在的巡檢效率低、巡檢不到位、巡檢成本較高、工人勞動強度大等問題，通過前期對選煤廠車間進行初步的調研，本文設計了一種選煤廠智能化巡檢機器人，由支撐軌道系統和巡檢機器人本體兩部分組成，其中巡檢機器人本體包括驅動部分、數據采集部分、上位機監控部分等。經調試并現場應用，本次設計的巡檢機器人具有結構緊湊，體積小，成本較低等優點，可以代替人工和定點監控，完成對選煤廠車間人員和設備的巡檢，對環境參數的識別精度比較高，傳送到上位機的畫面比較清晰，故障報警及時，能夠滿足選煤廠的巡檢要求。