邵珠娟 鄧曉剛 程豪杰 杜才溢 張玉江，，3

(1.山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東省臨沂市，276017；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024；3.山東能源集團(tuán)博士后科研工作站，山東省濟(jì)南市，250014)

礦山安全巡檢是保證礦山開采安全的重點(diǎn)工作之一，其主要的檢查內(nèi)容包括排水系統(tǒng)、開采系統(tǒng)、電力、礦內(nèi)外環(huán)境等。安全巡檢工作不僅需要安全巡檢人員每天定時(shí)開展巡檢工作，還要投入大量的時(shí)間和物力，以確保全面掌握整個(gè)礦山運(yùn)行情況。當(dāng)前，人工巡檢方式存在工作量大、效率低、過分依賴巡檢人員經(jīng)驗(yàn)以及人力資源浪費(fèi)等問題。隨著技術(shù)的進(jìn)步和礦山等高危行業(yè)要求的提高，通過智能巡檢機(jī)器人來代替人工巡檢，實(shí)現(xiàn)直觀可視化管理，對(duì)降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高煤礦管理水平、推動(dòng)礦山工作管理模式向數(shù)字化、現(xiàn)代化方向發(fā)展以及確保礦山的安全生產(chǎn)具有重要意義。

智能巡檢機(jī)器人多應(yīng)用于電力、油田管道、地下管廊的安全巡檢，可以實(shí)現(xiàn)可見光、紅外線、語音交互、環(huán)境檢測(cè)及智能分析功能。隨著煤礦行業(yè)“自動(dòng)化減人，智能化無人”的要求，當(dāng)前礦用巡檢機(jī)器人開始越來越受到重視。楊學(xué)軍等[1]研究人員開展了液壓支架巡檢機(jī)器人姿態(tài)研究，并提出了相關(guān)模型，對(duì)液壓支架直線度、姿態(tài)等重要參量進(jìn)行結(jié)算；蔣春鵬[2]提出了改進(jìn)的電動(dòng)輸電線巡檢機(jī)器人方案，并對(duì)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；潘祥生、周展等[3-5]研究人員研究了一種適用于煤礦井下巷道的礦用懸線式巡檢機(jī)器人，分析了其動(dòng)力學(xué)特性和控制系統(tǒng)；李學(xué)民[6]分析了特殊環(huán)境下井下巡檢機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)；裴文良等[7]研究人員研發(fā)了適用于水泵房、變電站等井下硐室設(shè)備自動(dòng)巡檢的防爆巡檢機(jī)器人；張士海[8]詳細(xì)介紹了龍王溝煤礦主斜井應(yīng)用的礦用巡檢機(jī)器人，認(rèn)為礦用巡檢機(jī)器人的應(yīng)用顯著提高了巡檢效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益；陸文濤、馬靜雅等[9， 10]研究人員設(shè)計(jì)了礦用輸送機(jī)巡檢機(jī)器人，提高了帶式輸送機(jī)的故障處理效率。

然而，煤礦用智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人的研究仍然不成熟，隨著現(xiàn)在人力成本不斷提高，國家提出“智能制造”戰(zhàn)略和“安全礦山”方針，對(duì)智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人在煤礦的應(yīng)用提出了更高的要求，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果對(duì)智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人研究的完善發(fā)揮了重要的推動(dòng)作用。

1 智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人應(yīng)用要求及結(jié)構(gòu)組成

1.1 智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人應(yīng)用要求

鑒于煤礦井下帶式輸送機(jī)工作環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人需要滿足以下條件。

(1)工作環(huán)境濕度大，需要考慮濕度對(duì)智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人精度和穩(wěn)定性的影響。

(2)大型機(jī)電設(shè)備附近存在電磁和射頻干擾，要求智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)具備較強(qiáng)的抗干擾能力。

(3)工作空間具有長度大、起伏轉(zhuǎn)彎且空間狹小等特點(diǎn)，這對(duì)智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人的行走速度、最大行走距離、爬坡能力、轉(zhuǎn)彎半徑、控制方式提出較高要求。

(4)運(yùn)煤廊道巡檢要求具有一定的智能性和強(qiáng)大的監(jiān)控功能，包括對(duì)機(jī)電設(shè)備溫度監(jiān)控、氣體濃度監(jiān)控、視頻監(jiān)控等功能。

(5)智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人應(yīng)保證安全，具備充電閉鎖功能。

(6)智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人具備環(huán)境檢測(cè)分析、聲音采集及雙向?qū)χv、本體自檢、遠(yuǎn)程控制等功能。

(7)通過強(qiáng)大的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，具備實(shí)現(xiàn)環(huán)境與設(shè)備不間斷的移動(dòng)監(jiān)控監(jiān)測(cè)、應(yīng)急火災(zāi)報(bào)警與處置的功能。

1.2 智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、語音對(duì)講及應(yīng)急廣播系統(tǒng)、環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、智能防撞與避障系統(tǒng)等。智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

(1)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于選煤廠帶式輸送機(jī)廊道內(nèi)地形復(fù)雜，智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人運(yùn)行軌道存在轉(zhuǎn)彎、上下坡困難等情況，為了使智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人在各種情況下都能平穩(wěn)行走，需要有較好適應(yīng)能力的行走機(jī)構(gòu)。因此，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有左右壓緊機(jī)構(gòu)、水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和垂直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可保障智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人多方位穩(wěn)定巡檢。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

(2)圖像采集系統(tǒng)。圖像采集系統(tǒng)搭載一體化高性能云臺(tái)，紅外熱成像及可見光攝像機(jī)參數(shù)見表1。

表1 圖像采集系統(tǒng)參數(shù)表

(3)語音對(duì)講及應(yīng)急廣播系統(tǒng)。語音對(duì)講和應(yīng)急廣播系統(tǒng)集擴(kuò)音對(duì)講、語音監(jiān)聽、消防廣播和調(diào)度功能于一體，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與調(diào)度室的交互式對(duì)話及緊急通訊。根據(jù)使用要求，該系統(tǒng)語音監(jiān)聽范圍為5～80 m2，且靈敏度可調(diào)，輸出阻抗為600～1000 Ω的非平衡電阻，在1 m距離40 dB音源情況下，信噪比為85 dB，接收頻率范圍為20～20 kHz。

(4)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)。環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)具備氣體檢測(cè)、溫度濕度檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、光照度檢測(cè)和火焰探測(cè)功能。對(duì)于礦山特殊工作環(huán)境來說，氣體檢測(cè)尤為重要。智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了4種氣體高濃度連續(xù)檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警。氣體檢測(cè)指標(biāo)見表2。

表2 氣體檢測(cè)指標(biāo)

溫度、濕度檢測(cè)的測(cè)量范圍為溫度-40℃～+123.8℃，濕度為0%～100%RH，溫度和濕度的測(cè)量精度分別為±0.5℃和±4.5%RH。煙霧檢測(cè)靈敏度為0.5 db/m(±0.1 dB/m)。光照度檢測(cè)的測(cè)量范圍為0～65535 Lux，并且可按照不同光照?qǐng)鼍斑M(jìn)行智能調(diào)整，具體為：黑夜時(shí)為0.001～0.02 Lux，月夜時(shí)為0.02～0.3 Lux，陰天室內(nèi)時(shí)為5～50 Lux，陰天室外時(shí)為50～500 Lux，晴天室內(nèi)時(shí)為100～1000 Lux?；鹧嫣綔y(cè)也尤為重要，火焰探測(cè)采用檢測(cè)紫外線波長(185～260 nm)的紫外光輻射探測(cè)器，檢測(cè)參數(shù)見表3。

表3 火焰探測(cè)參數(shù)指標(biāo)

(5)智能防撞與避障系統(tǒng)。智能防撞與避障系統(tǒng)是保證智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人長期穩(wěn)定運(yùn)行的重要組成部分。該系統(tǒng)通過對(duì)障礙物和隧道內(nèi)工作人員進(jìn)行探測(cè)和自身高精度定位，實(shí)現(xiàn)智能防撞和避障功能，遇到障礙自動(dòng)停止并報(bào)警。同時(shí)，從本質(zhì)安全角度考慮，加裝安全觸邊，防止碰撞造成人員及設(shè)備損傷。該系統(tǒng)的探測(cè)距離為0～3 m，探測(cè)角度為120°，可實(shí)時(shí)更新自身位置信息，定位精度達(dá)0.01 m。同時(shí)設(shè)置有斷電制動(dòng)功能，當(dāng)智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人在運(yùn)行過程中，如遇故障斷電，智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人可立即停止，起到保護(hù)作用。

2 智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

2.1 智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2019年1月，智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人在山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)下屬的山東里能魯西礦業(yè)有限公司(以下簡(jiǎn)稱魯西煤礦)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)及應(yīng)用，智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人滿足帶式輸送機(jī)運(yùn)輸安全監(jiān)控的實(shí)際需求，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，監(jiān)測(cè)性能穩(wěn)定可靠，故障識(shí)別能力強(qiáng)，報(bào)警及時(shí)且信息準(zhǔn)確可信。智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了直觀可視化的管理。通過帶式輸送機(jī)管理系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了巡檢可視化、一鍵智能巡檢、智能報(bào)警等功能。智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控畫面及運(yùn)行參數(shù)如圖3所示。

圖3 智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控畫面及運(yùn)行參數(shù)

由圖3可以看出，智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)畫面及監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行參數(shù)可以實(shí)時(shí)調(diào)取。在視頻監(jiān)控的同時(shí)，在右上角實(shí)時(shí)顯示紅外攝像機(jī)監(jiān)控圖像并顯示最高溫度。

智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人可通過操作界面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)置等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)巡檢相結(jié)合，在帶式輸送機(jī)廊道內(nèi)打造無人巡視與處置管理新模式。智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人功能設(shè)置界面如圖4所示。

2.2 智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人應(yīng)用效果

魯西煤礦在智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人應(yīng)用前，人員定額為85人，應(yīng)用智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人后，人員定額為25人，年節(jié)約資金500萬元以上。智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人提高了自動(dòng)化程度和故障處理效率，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和事故帶來的損失，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。在保證安全和生產(chǎn)穩(wěn)定的前提下，智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了“自動(dòng)化減人”的目標(biāo)。

圖4 智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人功能設(shè)置界面

3 結(jié)語

(1)智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人可以通過各種傳感器對(duì)設(shè)備、作業(yè)空間環(huán)境等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集，并充分發(fā)揮集團(tuán)大數(shù)據(jù)分析中心優(yōu)勢(shì)，利用大數(shù)據(jù)算法及時(shí)掌握和判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備性能的充分利用。

(2)智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)廊道工作環(huán)境和設(shè)備的全方位監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)可視化管理和實(shí)施預(yù)警，提升了巡檢效率和準(zhǔn)確性。進(jìn)一步通過機(jī)器人和技術(shù)人員的聯(lián)動(dòng)互饋，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異常情況的及時(shí)處理。

(3)智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了“自動(dòng)化減人”的目標(biāo)，降低了成本，提高了自動(dòng)化程度和故障處理效率。