井下巷道沖塵機器人研究

文 彪,張瑞平

(山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院,山西 大同 037003)

粉塵是煤礦井下生產(chǎn)過程中的五大災(zāi)害之一。一方面,煤礦粉塵中的呼吸性粉塵吸入肺部可能引起塵肺病,對煤礦井下各作業(yè)點工人的身體健康造成巨大的威脅。目前,煤礦工人患塵肺的病例占到全國職業(yè)性塵肺病總量的一半以上,在各類煤礦安全事故中導(dǎo)致死亡的人數(shù)占到70%以上。在2021年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[1]中,我國累計報告職業(yè)性塵肺病例中,由于煤礦粉塵導(dǎo)致的塵肺病占到了50%以上。目前來說,針對塵肺病沒有行之有效的治療方案,對于人體肺部是一種不可逆的損傷。另一方面,粉塵會導(dǎo)致井下設(shè)備加速磨損,嚴重時可能引發(fā)粉塵爆炸,造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。

目前,我國煤礦的降塵措施主要采用人工定期沖洗除塵。井下作業(yè)人員需要手持軟管進行噴水沖塵,這種除塵方式對于作業(yè)人員的工作量是個不小的挑戰(zhàn),同時在人工沖塵中不可避免地吸入煤塵,影響了作業(yè)人員的身體健康。沖塵過程中往往需要3至4人協(xié)同作業(yè)才能進行工作。對于一些狹窄的巷道來說,沖洗工作妨礙正常的人員流通和運輸效率降低,導(dǎo)致煤礦的生產(chǎn)效率受到一定程度的影響。即便投入如此大的人力作業(yè),沖洗除塵效果也會隨著人員的疲乏導(dǎo)致下降。在煤礦特殊的巷道中,沖洗作業(yè)人員無法展開工作,煤塵依然不能被有效的清除,從而使得井下煤塵含量居高不下,影響了煤礦的安全生產(chǎn)。

近年來,巷道沖塵車正逐步應(yīng)用到井下,輪軌式巷道灑水沖塵車[2]運用于有軌巷道,由工人進行輔助沖塵,相較于傳統(tǒng)人工沖塵,速度有所提升,但靈活性差,除塵效果難以保障。隨著礦山智能化轉(zhuǎn)型,巷道沖塵機器人的出現(xiàn),能夠彌補當(dāng)前巷道除塵車難以解決的一些難題。

1 巷道沖塵機器人除塵要素和設(shè)計要求

煤礦巷道作為井下重要的人員、煤炭、電力、水源輸送的渠道,巷道的安全性極大地影響著煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率。煤礦巷道存在可視性差,煤塵污染嚴重,空間較為狹小,地形復(fù)雜等一系列的問題[3]。煤塵不僅會導(dǎo)致井下人員極易患上塵肺病,而且可能會引起煤塵爆炸,或者造成儀器磨損和失靈,其危害不容小視。煤礦的巷道長度和空間各不相同,運輸大巷可長至幾千米,使得人工沖洗除塵的勞動強度巨大,除塵效果無法保證;個別小型巷道只有幾百米,并且空間窄小,人工除塵作業(yè)難以展開。此外,對于復(fù)雜地形管道、設(shè)備上的積塵無法得到有效的清除。

我國煤監(jiān)局出臺的《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》[4]中,提到煤炭企業(yè)逐步實現(xiàn)對采、掘、機、運、支、安全等工作面的智能化,進一步推動煤礦機器人關(guān)鍵技術(shù)開發(fā),實現(xiàn)井下各工種設(shè)備的協(xié)同工作,同時加強煤礦機器人的建設(shè)與投入使用,爭取早日實現(xiàn)煤礦智能生產(chǎn),以達到井下少人甚至無人增效的智能化礦山時代。根據(jù)其研發(fā)的目標(biāo),巷道沖塵機器人需要滿足在巷道中無軌化自行移動,通過多種方式實現(xiàn)煤塵含量的精確測定,能夠具備自動化完成沖洗作業(yè)[5]的能力,并且能夠?qū)崿F(xiàn)小范圍的精確沖塵,對于煤塵含量不同的范圍自主調(diào)節(jié)沖塵的參數(shù),使其能更精細地完成除塵任務(wù)。

2 巷道沖塵機器人總體設(shè)計

巷道沖塵機器人總體設(shè)計如圖1所示,主要由閉環(huán)式人機控制和機械結(jié)構(gòu)兩個部分組成。

機械機構(gòu)主要包括行走機構(gòu)、機械臂、噴水機構(gòu),由履帶式行走機構(gòu)控制除塵路徑,機械臂調(diào)整沖塵位姿,噴水機構(gòu)負責(zé)噴水除塵。

巷道沖塵機器人是為了實現(xiàn)代替工人在井下實現(xiàn)巷道除塵的目的,地面的操作人員在用戶界面可以進行遠程操控,控制器依靠上位機和下位機間的通訊實現(xiàn)機器人的各項功能運行。在進行沖洗巷道煤塵的過程中,上位機與下位機的無線通訊對巷道沖塵機器人行進路線、機械臂位姿變換,以及一定空間內(nèi)的煤塵含量進行實時監(jiān)控。對于已完成的工作區(qū)域,將目標(biāo)完成度進行對比,將結(jié)果在控制用戶界面顯示。若發(fā)生機器人無法處理的事故,地面操作人員能夠通過攝像機和監(jiān)測數(shù)據(jù)進行針對性地調(diào)整。下位機接收到終端命令,通過上位機通訊完成指令,并且將重新監(jiān)測的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)接脩艚缑孢M行反饋,從而實現(xiàn)閉環(huán)式人機控制。

3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

巷道沖塵機器人機械結(jié)構(gòu)由行走機構(gòu)、機械臂和噴水機構(gòu)組成。車體采用履帶式行走機構(gòu),在履帶式底盤上部安裝水箱。巷道沖塵機器人機械臂具有5個自由度,控制箱位于機械臂基座后方,控制箱前端安裝云攝像頭,車體兩端裝配了照明系統(tǒng)和語音箱,機械臂末端載有超聲波測距傳感器及粉塵監(jiān)測傳感器。通過超聲波測距傳感器[6]和攝像頭能夠讓地面操作人員觀察到機器人所處環(huán)境和機械臂的位姿。

3.1.1行走機構(gòu)

巷道沖塵機器人由于在井下面臨不同的地形,需要其具有一定的越障能力。履帶式行走機構(gòu)是由左右兩邊的履帶組成,中間有驅(qū)動系統(tǒng),使用電機驅(qū)動驅(qū)動輪使其完成前進、后退、左右移動的位置變化,如圖2所示。根據(jù)設(shè)計的水箱來看,巷道沖塵機器人需要具備穩(wěn)定行駛能力和一定程度的承載力。采用履帶式的行走方式有接地面積大,滾動阻力小,底盤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,運載能力強的優(yōu)勢。同時履齒與地面相互作用[7],使得整體機構(gòu)抓地能力增強,不易打翻,越障能力高于其他行走機構(gòu),是目前為止較為適合的一種行走方式。

圖2 履帶式行走機構(gòu)Fig.2 Crawler type walking mechanism

3.1.2機械臂設(shè)計

機械臂的設(shè)計對于整個機器人結(jié)構(gòu)研發(fā)是首要的環(huán)節(jié)。考慮到井下有一些管道和電纜,機械臂能夠比人工更為方便和精準(zhǔn)的沖塵。在進行設(shè)計時遵循工業(yè)機器人的設(shè)計原則,考慮到實際的工作空間,機械臂自身的結(jié)構(gòu)占用空間盡量尋優(yōu)最小值,滿足標(biāo)定范圍內(nèi)的彈性變形約束和結(jié)構(gòu)尺寸約束下使得整個系統(tǒng)重量最小。根據(jù)工藝性原則,要考慮容易制造,便于維修,簡便裝配的問題。不但要設(shè)計出合理的機構(gòu),整體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度恰當(dāng),并且減少加工和維修的成本,能夠方便操縱。從高比強度材料選取原則來分析,為了滿足最小慣量原則,機械手臂是一種運動性部件,需要一種輕量化的材料,從而減少機械臂自身運動造成的功率消耗。綜合上述條件,本次設(shè)計采用硬鋁材料為機械臂的主要材料,采用焊接式的空心管進行組裝,同時將控制電機的電源線從管內(nèi)穿過,目的是為防止電源線暴露在外部產(chǎn)生膠皮的破損或者由于導(dǎo)線纏繞機體對機械臂的運動造成阻礙。

在進行機械臂選型過程中,考慮到巷道沖塵機器人本身具有一定的移動能力,著重考慮機械臂末端執(zhí)行機構(gòu)在活動空間的位姿變化,因此使用了5自由度串聯(lián)式關(guān)節(jié)[8]設(shè)計,具有5個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),如圖3所示。通過調(diào)整關(guān)節(jié)角參數(shù)實現(xiàn)機械臂整體的位姿變換,選用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運動比起移動關(guān)節(jié)構(gòu)型更為緊湊。5自由度能夠保證機械臂具有更多的靈活性,對于復(fù)雜障礙物能產(chǎn)生更多的工作空間,也是機器人機構(gòu)設(shè)計中常用的一種。

圖3 5軸機械臂結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of five-axis manipulator

為了佐證機械臂運動學(xué)模型的合理性,使用MATLAB軟件作機械臂運動仿真。使用Robot toolbox進行分析仿真,可以對機器人位姿有直觀的展示,并且能夠計算出機械臂軌跡運行的合理性。

由于井下的管線復(fù)雜,機械臂的活動空間受到限制。為了分析機械臂的末端機構(gòu)所能到達的工作區(qū)域,采用蒙特卡洛法計算機械臂的工作空間。蒙特卡洛法采用了概率統(tǒng)計的數(shù)值計算法,由系統(tǒng)隨機產(chǎn)生的關(guān)節(jié)角角度值,通過位置坐標(biāo)生成三維空間點云圖像,使得機械臂工作空間更加容易觀察。設(shè)定隨機角度個數(shù)為30 000,工具箱生成30 000個空間點的點云圖,機械臂工作空間點云圖如圖4所示。

圖4 機械臂空間點云圖Fig.4 Point cloud image of manipulator

從圖4可知,末端執(zhí)行機構(gòu)整體空間點內(nèi)部分布均勻。由于機械臂基座后方安裝控制箱,關(guān)節(jié)角角度有一定的限制,從而出現(xiàn)扇形空腔能夠容納控制箱。末端執(zhí)行器位置最高點與基座在水平方向距離為4.55 m,工作空間垂直方向間距為5.90 m,機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)合理,能夠完成巷道沖洗除塵的任務(wù)。

煤礦巷道管道和電纜使得機械臂需要進行合理的軌跡規(guī)劃。圖5仿真了機械臂末端初末位置運行軌跡,使用初末位置變換求逆解,從而得到相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量,用所求關(guān)節(jié)變量得出規(guī)劃軌跡。從結(jié)果來看,運行軌跡順滑、平穩(wěn),達到機械臂合理作業(yè)的要求。

3.2 噴水機構(gòu)

噴水機構(gòu)主要由水箱、驅(qū)動電機、輸送軟管、噴嘴組成。

巷道沖塵機器人的噴水機構(gòu)主要執(zhí)行除塵沖洗任務(wù),能夠根據(jù)實際的作業(yè)設(shè)定除塵參數(shù)(噴嘴的流量和水流距離),通過下位機端口串聯(lián)驅(qū)動電機,用來進行電機的啟動和調(diào)速。密閉水箱容積主要通過灑水距離、灑水量和灑水時間決定[9]。考慮到巷道沖塵機器人在井下無人化除塵作業(yè),為了避免出現(xiàn)沖塵過程中水箱內(nèi)的存水量低于工作水位而出現(xiàn)電機損壞的事故,應(yīng)當(dāng)安裝水位控制器在水箱的底部[10]。在實際水量少于正常工作水量時,能夠自動切斷電機電源并且對上位機的用戶界面發(fā)出預(yù)警。

圖5 機械臂軌跡規(guī)劃Fig.5 Trajectory planning of manipulator

實施噴水作業(yè)時,首先由控制器接收到信號啟動開關(guān),通過抽水泵從水箱通過軟管傳輸,最后通過噴嘴進行噴水作業(yè)。調(diào)整出水的流量時,由減速器降低電機轉(zhuǎn)速,扭矩變大,從而得到更大的吸力,噴嘴出水量增多。噴水過程中可通過機械臂的位姿進行調(diào)整噴嘴的位置。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

為了合理規(guī)劃自主沖塵的任務(wù)流程,控制系統(tǒng)需要將上下位機通訊和操作人員形成一個具有反饋調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)[11],如圖6所示。機器人信號傳輸采用無線遙控的方式,使得沖塵機器人的操作性大大提升。在整個控制系統(tǒng)啟動時,巷道沖塵機器人實時的工作場景和數(shù)據(jù)通過車體安裝的攝像頭、各類傳感器采集匯入至下位機進行處理,再采用無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至上位機,在與上位機相接的用戶界面中就能顯現(xiàn)出來。操作人員也可以根據(jù)接收到的信息進行人工調(diào)整,并使用上位機進行校正。例如,機器臂的位姿可以通過GUI界面有更為直觀的觀察,手動調(diào)節(jié)各種參數(shù),上位機將指令傳達至下位機,下位機準(zhǔn)確地驅(qū)動相應(yīng)的工作機構(gòu),同時也會繼續(xù)對現(xiàn)場環(huán)境進行反饋。

在能見度較低的地方運用超聲波測距傳感器作為預(yù)警,實時監(jiān)測機械臂末端與工作面的距離,避免出現(xiàn)觸碰障礙物的情況,選擇最優(yōu)距離獲得更好的沖塵效果。下位機是控制系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié),在接收從上位機的指令對電機驅(qū)動器等元件進行啟停控制時,兼具了收集傳感器模擬信號的功能。比如,機械臂末端加裝粉塵監(jiān)測傳感器,能測出一定空間的粉塵濃度,將參數(shù)回饋至上位機。

圖6 控制系統(tǒng)Fig.6 Control System

5 應(yīng)用效果及結(jié)論

針對煤礦巷道除塵,人工除塵工作量大、勞動強度高的問題,引入一些智能機器人技術(shù)設(shè)計出巷道沖塵機器人,滿足井下大部分除塵工作的要求,改了善井下惡劣的工作環(huán)境,有效地保障了職工的身體健康,杜絕了發(fā)生煤塵爆炸的危險。

1)巷道沖塵機器人的最大行進速度為4 m/s,噴頭出口的壓力為3.7 MPa,水流流速為2.1 m/s,單次作業(yè)運行最大距離為8 km,水箱容積為2.2 m3。人工沖塵每天需要6人輪流作業(yè)才能滿足除塵要求,每人沖洗100 m的巷道至少花費1 h。而巷道除塵機器人每小時可清理1.5 km的巷道,是人工清理的15倍,僅需要一人進行地面監(jiān)控即可。并且巷道沖塵機器人采用精確沖塵的方式,有效避免了除塵作業(yè)后地面積水過多和減少水資源的浪費。

2)用靈活性強的履帶式行走機構(gòu)代替了現(xiàn)有的輪軌式噴霧除塵車,能應(yīng)對井下復(fù)雜的地形,具有自主行進的能力。

3)模仿人體手臂設(shè)計機械臂執(zhí)行噴水除塵的任務(wù),使用Robot toolbox驗證設(shè)計參數(shù)的合理性,模擬巷道沖塵機器人作業(yè)時機械臂末端的軌跡分析。

4)使用無線通訊的方式遠距離遙控,經(jīng)過上位機信息處理傳至用戶界面,通過自主作業(yè)和人工操作并存的方式,既減少操作人員工作量,也能對突發(fā)事故進行及時處理。