煤礦巡檢機器人優化設計

曹永愛， 崔世杰， 郭 凱

（山西科達自控股份有限公司， 山西 太原 030000）

引言

在煤炭開采中，煤礦安全與設備故障監測一直是煤炭生產的重要環節。現有的自動化巡檢機器人對煤炭安全及其設備故障監測在巷道與設備監測方面普遍存在成本高、可靠性低、效率低下等劣勢，機器人技術的發展為解決該類弊病提供了良好的支持，為煤炭安全與設備監測研究提供了一種新的思路。本文擬運用懸掛式巡檢機器人對煤炭安全與設備監測系統進行改進，通過使用不同監測模塊提高監測效率，降低制造成本，提高系統可靠性與實時性，提升煤炭企業生產效率。

1 巡檢機器人環境及其功能分析

懸掛式巡檢機器人的主要功能為井下巷道與設備運行情況的監測巡檢。其具體工作環境如圖1 所示。工作環境主要有4 個特點：

圖1 巡檢機器人工作環境示意圖

1）空氣環境復雜，包括一氧化碳、瓦斯等危險性較大且濃度高的氣體，易產生中毒、爆炸等危險情況。

2）工作環境較為昏暗，照明條件差，機器人巡檢工作環境暗。

3）巷道臂展長且存在斜巷等復雜情況，井下巷道一般四通八達，可聯通各個工作面，斜巷坡度一般為30°，分巷道彎角與曲率半徑各不相同，巡檢機器人工作環境復雜。

4）巷道溫度較低且濕度高。因此，懸掛式巡檢機器人工作環境復雜惡劣，需綜合考慮環境因素。

通過分析懸掛式巡檢機器人工作環境，針對上述工作環境機器人應滿足的條件有：

1）巡檢機器人行走應平穩，可在鋼絲繩上平穩轉彎、上下坡、駛過障礙。

2）巡檢機器人應進行輕量化設計，保持較低的重量與體積。但應滿足巡檢機器人的使用強度要求，并設計合理的安裝空間為電源、控制器等設備預留空間。

3）由于巡檢機器人工作環境較為惡劣，故應有較好的抗干擾能力，減少外界環境的干擾。

4）盡量減小設備能耗，提高巡檢機器人的工作續航能力[1-2]。

2 懸掛式巡檢機器人優化設計

2.1 巡檢機器人整體設計

通過分析巡檢機器人的工作環境及其功能需求，為適應上述的特殊環境及其功能分析，巡檢機器人應滿足的技術條件有：巡檢機器人運行速度應不大于15 cm/s，爬坡能力不大于30°，總質量不大于50 kg，最低與最高工作溫度分別為-5 ℃與80 ℃。

現階段，懸掛式巡檢機器人主要分為仿生臂攀援式、輪臂復合式、多節分體式三種。其中，多節分體式與仿生臂攀援式雖跨越障礙物性能較好，但由于其運行速度慢、設備設計復雜，不適合與井下巷道監測，故本文選用輪臂復合式。

懸掛式巡檢機器人可分為三部分，主要有行走機構、模塊搭載框架及其越障機構。其結構示意圖如下頁圖2 所示。其中，模塊搭載框架的主要功能是為整體提供機架，為電池、電機、控制器以及傳感器提供安裝空間；行走機構主要分為驅動部分、階梯軸、行走輪、過障導桿和預緊輪五部分。機器人設計中包括兩個行走機構，以保證機器人行走穩定，不產生前后搖擺的現象。在行走輪的下方設計預緊輪，使彈簧縮緊，給鋼絲繩以預緊力，保證行走輪、預緊輪與鋼絲繩的貼合，防止機器人從鋼絲繩上脫落，保證機器人的行走穩定，提高機器人運行效率；過障機構主要分為導桿、下支架、彈簧、支撐板、預緊輪和彈簧調節螺母六部分。導桿為過障導桿，在行走輪下方等距安裝兩個過障導桿可消除機器人越過障礙時的傾斜，保證穩定。機器人越障的上下行走主要通過滾珠滑塊與滑桿配合運行實現，滾珠滑塊安裝在下支架的下方，支架上方還安裝兩個過障導桿以及預緊輪，可保證行走的穩定性。預緊彈簧安裝在上支架與三腳架之間的連桿上，上方與支架滑塊連接，下方與三腳架連接。

圖2 懸掛式巡檢機器人結構示意圖

2.2 懸掛桿設計

懸掛桿的設計主要是為了使巡檢機器人可在巷道中架設的鋼絲繩上自由行走。懸掛桿的一端主要用于懸掛鋼絲繩，另外一端為通過膨脹螺絲固定在側壁。其中，懸掛桿上固定的鋼絲繩其橫截面半圓弧必須完整，且半圓弧外不應有凸塊，以確保機器人運行的穩定；鋼絲繩在安裝到懸掛桿圓弧凹槽后，接觸部位兩端應以1.5 mm 的鋼絲穿過鋼絲繩，并最終固定到懸掛桿之上。

2.3 過彎結構設計

巡檢機器人過彎裝置本文進行了過彎鋼軌設計，該設計可使拐角減小，減小過障礙次數，提高穩定性。在巡檢機器人過彎時，前后兩臂的主動輪易發生偏轉，針對該現象，本文設計了如圖3 所示的轉彎機構。該機構主要分為軸承、旋轉軸和三角架三部分。機械臂的轉彎偏轉主要通過旋轉軸與三角架的配合完成偏轉。

圖3 轉彎機構示意圖

2.4 驅動結構設計

驅動機構的安裝位置在行走機構的封閉側，為了使機器人側擺現象減少，故應選擇質量輕、體積小但也可提供足夠力矩的驅動方式。同時，驅動機構重心應低于主動軸軸心，以使得機器人在行走時更加穩定。故本文采用直角減速器與電機組合的驅動方式。直角減速器選用直角渦輪蝸桿減速器，該設備體積小、重量輕、安裝方便、運行平穩，適合于巡檢機器人的應用，其型號為YHNMRV-040-05。電機為滿足體積與質量的要求，選用步進電機。電機輸出轉矩計算為：

式中：T 為輸出轉矩，N·m；Pm為電機輸出功率，W；N為電機轉速，r/min。

通過實際分析可知，Pm應為86.67 W，N 應為325 r/min，故輸出轉矩T 應為3 N·m 以上。結合市場現有型號，選用86BYGH301AA 電機。

3 系統測試

按上述設計，將煤礦巡檢機器人組裝好后，通過分析，巡檢機器人的制造成本較現有的自動化巡檢機器人制造成本顯著降低。將煤礦巡檢機器人應用于實際生產中，機器人運行平穩可靠，監測系統效率顯著提高。經400 h 連續運行后發現，巡檢機器人無故障發生，可應用于實際生產之中[3]。

4 結論

1）煤礦巡檢機器人工作環境復雜，機器人設計應符合設備輕量化、平穩性、抗干擾強、能耗低的特點。

2）懸掛式巡檢機器人應選用輪臂復合式，對機器人整體、懸掛桿、過彎機構、驅動機構進行分別設計，并進行實地運行檢測后發現，本文所設計機器人運行平穩可靠，成本顯著降低，經400 h 運行后，機器人未發生故障，可應用于實際生產之中。