韓學(xué)敏

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

1 項(xiàng)目概況

當(dāng)前，我國(guó)大部分煤礦對(duì)皮帶機(jī)中托輥狀況的傳統(tǒng)巡檢主要靠人工，皮帶太長(zhǎng)，巡檢工作量大，人工手持測(cè)溫儀、測(cè)振儀進(jìn)行巡檢發(fā)現(xiàn)問題不及時(shí)，存在著重大設(shè)備安全隱患。在目前的工業(yè)化生產(chǎn)中，礦用皮帶機(jī)常見故障包括：皮帶斷裂、跑偏、打滑、托輥卡死以及運(yùn)載物自燃等，當(dāng)皮帶機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，不僅影響煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的效率，更會(huì)對(duì)工人生命安全造成威脅。因此對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)輸狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為企業(yè)共同關(guān)注的問題。當(dāng)前虎龍溝煤礦井下工作面皮帶機(jī)的巡檢方式仍以人工巡視為主，這種方式主要依靠巡視工人的感官來(lái)對(duì)皮帶機(jī)狀態(tài)進(jìn)行判斷，巡檢效率低、成本高，而且依賴于工人的主觀判斷，可靠性差。因此，設(shè)計(jì)一種用于礦用皮帶機(jī)的智能巡檢機(jī)器人，對(duì)皮帶機(jī)實(shí)現(xiàn)智能巡檢。

2 礦用皮帶機(jī)的智能巡檢機(jī)器人的分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

針對(duì)虎龍溝煤礦皮帶運(yùn)輸機(jī)的情況，提供了一種智能巡檢機(jī)器人，該裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括殼體、旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、導(dǎo)軌、測(cè)試單元、全景相機(jī)、5G CPE 設(shè)備、主動(dòng)輪、伺服電機(jī)、從動(dòng)輪、RFID 標(biāo)簽讀卡器等部件。

從圖1 可知，智能巡檢機(jī)器人裝置殼體底部設(shè)置有旋轉(zhuǎn)云臺(tái)，頂部通過行走單元與導(dǎo)軌相連，內(nèi)部設(shè)置有控制單元，導(dǎo)軌沿礦用皮帶機(jī)的機(jī)架設(shè)置，在旋轉(zhuǎn)云臺(tái)的兩側(cè)各設(shè)置一套測(cè)試單元，分別對(duì)兩個(gè)托輥進(jìn)行圖像、轉(zhuǎn)速和聲音檢測(cè)，旋轉(zhuǎn)云臺(tái)通過旋轉(zhuǎn)，調(diào)整測(cè)試單元與對(duì)應(yīng)托輥之間的相對(duì)位姿，實(shí)現(xiàn)日常檢測(cè)和對(duì)故障位置的進(jìn)一步檢測(cè)，行走單元用于控制智能巡檢機(jī)器人沿導(dǎo)軌移動(dòng)[1-3]。

圖1 智能巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

旋轉(zhuǎn)云臺(tái)包括倒T 形支架，倒T 形支架中橫桿與導(dǎo)軌平行設(shè)置，其兩端各設(shè)置一個(gè)安裝座，安裝座與第一電動(dòng)機(jī)的輸出軸相連，其表面設(shè)置有測(cè)試單元，第一電動(dòng)機(jī)用于帶動(dòng)安裝座連同其上的測(cè)試單元繞X 軸的正方向或者負(fù)方向旋轉(zhuǎn)，從而使測(cè)試單元朝向各自對(duì)應(yīng)的托輥旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)日常檢測(cè)。

倒T 形支架中豎桿的自由端與第二電動(dòng)機(jī)的輸出軸相連，第二電動(dòng)機(jī)用于帶動(dòng)整個(gè)倒T 形支架繞Z 軸方向旋轉(zhuǎn)，從而調(diào)整測(cè)試單元與對(duì)應(yīng)托輥在Y軸方向的距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障位置的進(jìn)一步檢測(cè)。

殼體內(nèi)部還設(shè)置有避障模塊和通訊模塊，所述避障模塊設(shè)置為全景相機(jī)，所述通訊模塊設(shè)置為5G CPE 設(shè)備，所述全景相機(jī)的攝像頭朝向智能巡檢機(jī)器人的前進(jìn)方向，對(duì)應(yīng)殼體上的位置設(shè)置有玻璃窗口，用于對(duì)前進(jìn)方向的障礙物進(jìn)行拍攝，所述5GCPE設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)智能巡檢機(jī)器人與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通訊，在所述殼體的頂部還設(shè)置有報(bào)警器。

導(dǎo)軌采用工字鋼結(jié)構(gòu)，包括處于中間的豎板以及與之垂直相連的上橫板和下橫板，行走單元包括兩個(gè)主動(dòng)輪，主動(dòng)輪分別設(shè)置在工字鋼兩側(cè)的凹槽內(nèi)，其中心的傳動(dòng)軸均與對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)的輸出軸相連，伺服電機(jī)的輸出軸和豎板之間的垂直距離小于主動(dòng)輪的半徑，從而確保主動(dòng)輪的表面緊壓豎板，在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下沿豎板表面移動(dòng)。

豎板與主動(dòng)輪的接觸面設(shè)置為摩擦面，沿所述上橫板架設(shè)有供電滑觸線裝置。位置確認(rèn)模塊用于對(duì)智能巡檢機(jī)器人的行走位置進(jìn)行復(fù)測(cè)，包括沿所述導(dǎo)軌均勻間隔黏貼的RFID 標(biāo)簽，以及在殼體上設(shè)置的RFID 標(biāo)簽讀卡器，RFID 標(biāo)簽均設(shè)置有對(duì)應(yīng)其所在位置的位置信息。

2.2 工作原理

智能巡檢機(jī)器人進(jìn)行巡檢時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)巡檢任務(wù)，機(jī)器人沿導(dǎo)軌勻速行駛，通過旋轉(zhuǎn)云臺(tái)調(diào)整兩個(gè)測(cè)試單元的角度，使其分別向上和向下朝向?qū)?yīng)的上下托輥旋轉(zhuǎn)，利用可見光相機(jī)、紅外相機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集，利用拾音器對(duì)皮帶機(jī)的運(yùn)行聲音實(shí)時(shí)捕捉，利用激光測(cè)試器進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)通過5G CPE 設(shè)備傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)。如拾音器捕捉到異常音頻信號(hào)，為了進(jìn)一步確認(rèn)異常來(lái)源，隨即伺服電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)云臺(tái)左右轉(zhuǎn)動(dòng)，第一電動(dòng)機(jī)或者第二電動(dòng)機(jī)也可以帶動(dòng)對(duì)應(yīng)測(cè)試單元進(jìn)行微調(diào)，使測(cè)試單元更加靠近異常位置，然后，可見光相機(jī)、紅外相機(jī)、激光測(cè)速儀隨即對(duì)準(zhǔn)該托輥進(jìn)行監(jiān)測(cè)，紅外相機(jī)監(jiān)測(cè)出溫度異常，激光測(cè)速器檢測(cè)出速度異常，上位機(jī)收到異常信號(hào)，發(fā)出危險(xiǎn)預(yù)警信息，相關(guān)人員立即對(duì)該位置托輥進(jìn)行檢修，待問題處理完成，異常信號(hào)消失，巡檢機(jī)器人繼續(xù)完成下達(dá)的巡檢任務(wù)。行駛途中還可監(jiān)測(cè)沿途生物活動(dòng)軌跡，當(dāng)人或者動(dòng)物靠近皮帶機(jī)時(shí)，通過全景相機(jī)采集圖像，進(jìn)行圖像處理后，立即發(fā)出危險(xiǎn)警示，提示或驅(qū)趕生物遠(yuǎn)離皮帶機(jī)，保障皮帶機(jī)安全運(yùn)行。

2.3 巡檢方法

步驟一：借助多個(gè)從動(dòng)輪，將智能巡檢機(jī)器人懸掛于導(dǎo)軌上，微調(diào)從動(dòng)輪和主動(dòng)輪與導(dǎo)軌的相對(duì)位置，如主動(dòng)輪可以緊壓導(dǎo)軌的豎板，每個(gè)從動(dòng)輪在導(dǎo)軌的橫板的位置基本一致，確保后續(xù)行走順暢；

步驟二：通過伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)智能巡檢機(jī)器人沿導(dǎo)軌移動(dòng)，通過第一電動(dòng)機(jī)調(diào)整對(duì)應(yīng)測(cè)試單元的角度，使其各自朝向礦用皮帶機(jī)中成對(duì)出現(xiàn)的兩個(gè)托輥轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄測(cè)試單元正對(duì)托輥時(shí)的角度，在后續(xù)的測(cè)試中保持該角度不變。為了確保對(duì)每個(gè)托輥的檢測(cè)角度都一致，導(dǎo)軌要盡量平行于礦用皮帶機(jī)中成對(duì)出現(xiàn)的兩個(gè)托輥的中心線設(shè)置，即平行于機(jī)架設(shè)置。

步驟三：開啟測(cè)試單元對(duì)托輥的轉(zhuǎn)速、聲音和圖像進(jìn)行日常檢測(cè)，開啟全景相機(jī)對(duì)智能巡檢機(jī)器人前方的障礙物進(jìn)行檢測(cè)，并通過5G CPE 設(shè)備上傳至監(jiān)控系統(tǒng)；

步驟四：若監(jiān)控系統(tǒng)通過分析發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、聲音或者圖像信息中有異常狀況，下發(fā)指令給智能巡檢機(jī)器人，通過第二電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)對(duì)應(yīng)的測(cè)試單元向靠近托輥的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使其對(duì)故障位置做進(jìn)一步的檢測(cè)，再上傳至監(jiān)控系統(tǒng)做最終處理。

2.4 特點(diǎn)分析

該裝置利用配備紅外熱成像儀、拾音器、高清攝像頭、激光測(cè)速器等代替人工勻速沿線巡檢，實(shí)時(shí)上傳檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過邏輯運(yùn)算預(yù)測(cè)設(shè)備故障發(fā)出預(yù)警，提醒相關(guān)人員及時(shí)檢查檢修故障設(shè)備，提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性，大大提高了巡檢可靠性，節(jié)省了成本，同時(shí)，這種通過將計(jì)算機(jī)視覺、各類傳感器搭載于控制箱，利用無(wú)線網(wǎng)橋傳輸，集成于一體的智能巡檢機(jī)器人滿足了企業(yè)的需求。

3 實(shí)踐應(yīng)用及效果

虎龍溝煤礦主斜井巷道斷面寬×高=6 m×4.8 m，腰線高1.8 m，采用ST/S5400 型皮帶運(yùn)輸機(jī)，機(jī)長(zhǎng)180 m，傾角14.5°，提升高度55 m，帶寬1 800 mm，最高帶速5.0 m/s。ST/S5400 型皮帶機(jī)在以往主要有皮帶斷裂、跑偏、打滑、托輥卡死、煤料自燃等故障，人工巡視效率低下，問題發(fā)現(xiàn)不及時(shí)。采用智能巡檢機(jī)器人巡視后，機(jī)器人搭載有5G CPE 設(shè)備、攝像機(jī)、紅外測(cè)溫、溫度、濕度、煙霧、甲烷傳感器、一氧化碳、氧氣傳感器等探測(cè)裝置，在傳動(dòng)系統(tǒng)的牽引下，沿皮帶巷道往復(fù)移動(dòng)進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)[4-6]。

通過在虎龍溝煤礦主斜井巷道ST/S5400 型皮帶運(yùn)輸機(jī)上安裝智能巡檢機(jī)器人后，可對(duì)該ST/S5400 型皮帶機(jī)運(yùn)輸沿線實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備要運(yùn)輸過程中出現(xiàn)的故障，及時(shí)進(jìn)行維修。智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的無(wú)人值守，系統(tǒng)安全、可靠、使用方便，維護(hù)量小，有效減少了井下皮帶機(jī)崗位的工作人員，減輕了巡檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為企業(yè)創(chuàng)造了較好的安全經(jīng)濟(jì)效益。