趙炳文 張碧川 王玉嬌

（陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000）

0 引言

在煤礦、冶金、電力以及石化等行業(yè)需要隨時(shí)對(duì)大量的生產(chǎn)設(shè)備、變電站以及輸油管線等進(jìn)行監(jiān)控和檢測(cè)。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法是采用現(xiàn)場(chǎng)人工巡檢，但人工巡檢不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，而且易受人為因素的影響，巡檢質(zhì)量不能得到很好的保障。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，巡檢機(jī)器人開始出現(xiàn)在電力、礦山、石化以及城市建設(shè)等領(lǐng)域。由于煤礦環(huán)境復(fù)雜、危險(xiǎn)崗位多且事故時(shí)有發(fā)生，為保證煤礦生產(chǎn)的安全，采取“無人則安”的工作原則；因此巡檢機(jī)器人在煤礦井下的應(yīng)用尤為重要。

1 煤礦井下巡檢機(jī)器人分類及組成

1.1 煤礦巡檢機(jī)器人分類

煤礦巡檢機(jī)器人根據(jù)供電方式、移動(dòng)形式以及作業(yè)功能的不同有不同的分類方法，具體分類如圖1所示。

圖1 煤礦巡檢機(jī)器人分類

1.2 煤礦井下防爆巡檢機(jī)器人組成

下面以軌道式懸掛防爆巡檢機(jī)器人為例，詳細(xì)介紹巡檢機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)。

軌道式懸掛防爆巡檢機(jī)器人系統(tǒng)由地面監(jiān)控中心、無線網(wǎng)絡(luò)和防爆巡檢機(jī)器人本體組成，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

1.2.1 地面監(jiān)控中心

地面監(jiān)控中心由服務(wù)器和顯示器組成。地面監(jiān)控中心利用無線通信的方式與防爆巡檢機(jī)器人進(jìn)行信息交換，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。地面監(jiān)控中心實(shí)時(shí)接收、顯示防爆巡檢機(jī)器人發(fā)來的現(xiàn)場(chǎng)視頻、圖像、聲音、環(huán)境氣體和溫度等參數(shù)以及巡檢機(jī)器人的位置、驅(qū)動(dòng)電流和電池電量等數(shù)據(jù)信息，對(duì)機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)和采集系統(tǒng)進(jìn)行控制，并對(duì)采集的圖像、聲音及各種環(huán)境信息進(jìn)行識(shí)別、判斷和智能分析，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象及時(shí)報(bào)警并對(duì)問題進(jìn)行處理[1]。

1.2.2 防爆巡檢機(jī)器人本體

防爆巡檢機(jī)器人本體由控制模塊、無線通信模塊、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、攝像機(jī)、拾音器、紅外熱像儀、傳感器、充電裝置及電源組成，其中控制模塊是防爆巡檢機(jī)器人本體的核心，地面監(jiān)控中心通過無線網(wǎng)絡(luò)與控制模塊交換信息，同時(shí)控制機(jī)器人完成各項(xiàng)巡檢任務(wù)。

巡檢機(jī)器人本體控制模塊可以對(duì)采集的圖像、聲音、紅外熱像、紅外溫度以及氣體濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并通過無線通信模塊將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到地面監(jiān)控中心，同時(shí)接收服務(wù)器的控制指令。根據(jù)分類的不同，巡檢機(jī)器人本體的控制模塊還具有其他功能，例如自主充電式巡檢機(jī)器人的控制模塊具有充電控制功能；自主移動(dòng)式巡檢機(jī)器人的控制模塊具有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制功能。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是巡檢機(jī)器人行走的必要裝置，包括電機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪組件、從動(dòng)輪組件、承重輪、導(dǎo)向輪及相關(guān)機(jī)械組件。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)利用驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪與軌道的摩擦力帶動(dòng)巡檢機(jī)器人本體在軌道上運(yùn)行。巡檢機(jī)器人在平直軌道和帶坡度的軌道上運(yùn)行時(shí)，需要的驅(qū)動(dòng)力矩不同。在平直軌道上運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩只需要克服滾阻力矩即可，但在有坡度的軌道上運(yùn)行時(shí)，不僅需要克服滾阻力矩，還要克服機(jī)器人本體重力產(chǎn)生的分力，否則機(jī)器人本體就會(huì)打滑。因此，為保證軌道式懸掛巡檢機(jī)器人的正常運(yùn)行，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中還設(shè)置了能檢測(cè)驅(qū)動(dòng)輪與軌道之間正壓力的裝置，該裝置根據(jù)驅(qū)動(dòng)輪與軌道之間的壓力自動(dòng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪與軌道的夾緊力。

在低照度、高濕度和粉塵環(huán)境下，通過機(jī)器人本體搭載攝像機(jī)和拾音器采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、皮帶機(jī)、水泵、纜線、管路和儀表閥門等監(jiān)測(cè)設(shè)備的圖像以及聲音，視頻圖像在地面監(jiān)控中心的服務(wù)器和大屏幕上存儲(chǔ)顯示，通過分析圖像和聲音來判斷生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)是否存在異常以及設(shè)備故障位置、損壞程度等情況。巡檢機(jī)器人搭載非接觸式紅外熱像測(cè)溫儀，通過捕捉設(shè)備輻射的熱紅外線，檢測(cè)設(shè)備表面溫度數(shù)值，并形成熱視圖像，顯示設(shè)備的溫度分布情況。巡檢機(jī)器人同時(shí)還裝有多參數(shù)氣體探測(cè)器、煙霧傳感器以及避障傳感器，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)環(huán)境中甲烷、硫化氫、一氧化碳和氧氣的濃度，判斷有毒氣體和煙霧是否超限，還可以判斷障礙物的距離。為了適應(yīng)煤礦井下設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間巡檢的需要，巡檢機(jī)器人一般采用可充電電池作為供電電源，在巡檢機(jī)器人本體一端安裝有充電裝置，以便與安裝在軌道上的充電插頭對(duì)接充電[2]。

2 煤礦巡檢機(jī)器人能源動(dòng)力技術(shù)

隨著礦用巡檢機(jī)器人功能的不斷完善和擴(kuò)展，井下巡檢線路也不斷延長(zhǎng)，巡檢環(huán)境更加復(fù)雜，因此對(duì)巡檢機(jī)器人的待機(jī)時(shí)間提出了更高的要求。煤礦井下巡檢機(jī)器人一般多采用充電電池來供電，除合理加大巡檢機(jī)器人的電池容量外，研發(fā)滿足井下環(huán)境要求的自主充電裝置也是巡檢機(jī)器人普及應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

圖3是一種軌道式巡檢機(jī)器人防爆自動(dòng)充電裝置，該裝置由插頭和插座2個(gè)部分組成，插座部分安裝在機(jī)器人本體的一端，內(nèi)部連接充電電池。插頭部分安裝在軌道上位于巡檢路徑的末端，并與充電電源相連。

圖3 防爆自動(dòng)充電裝置

插頭部分由導(dǎo)柱伸縮機(jī)構(gòu)、隔爆閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、卸扣執(zhí)行機(jī)構(gòu)、插頭遮塵罩機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向桿組成。導(dǎo)柱伸縮機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)柱隔爆腔、隔爆導(dǎo)柱和充電觸頭，隔爆導(dǎo)柱在導(dǎo)柱隔爆腔內(nèi)可進(jìn)行軸向滑動(dòng)，充電觸頭位于隔爆導(dǎo)柱前端。隔爆閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由插頭隔爆腔、隔爆閥、到位傳感器和磁性耦合器組成，隔爆閥可在插頭隔爆腔內(nèi)進(jìn)行徑向轉(zhuǎn)動(dòng)，磁性耦合器安裝在蝸桿輸出端，插頭隔爆腔的伸出端設(shè)置成圓形臺(tái)階。卸扣執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝有圓筒隔爆腔和鎖舌拆卸器[3]。

插座部分由隔爆閥隨動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械閉鎖機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向套和插座遮塵罩機(jī)構(gòu)組成，隔爆閥隨動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)置有蝸輪蝸桿機(jī)械傳動(dòng)組件，導(dǎo)向套為喇叭嘴形式，導(dǎo)向桿可以插入導(dǎo)向套的圓孔內(nèi)。閉鎖閥隨動(dòng)機(jī)構(gòu)包括插座隔爆腔、隔爆閥和磁性聯(lián)軸器，隔爆閥可在插座隔爆腔內(nèi)進(jìn)行徑向轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械閉鎖機(jī)構(gòu)包括閉鎖螺套，閉鎖螺套安裝在插座隔爆腔的正前端，閉鎖螺套內(nèi)部裝有鎖舌和彈簧片。當(dāng)插頭部分插入插座時(shí)，機(jī)械閉鎖機(jī)構(gòu)內(nèi)的鎖舌與插頭隔爆腔端部的圓形臺(tái)階形成閉鎖隔爆腔。當(dāng)插頭部分與插座分離時(shí)，卸扣執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，鎖舌拆卸器向前移動(dòng)，壓縮鎖舌，插頭隔爆腔端部的圓形臺(tái)階縮回初始位置。插座遮塵罩機(jī)構(gòu)與插頭遮塵罩機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)一樣，包括齒輪、觸發(fā)板、遮塵罩和拉簧等，依靠拉簧使遮塵罩與閉鎖螺套形成密封結(jié)合面，起到防塵、防水的作用。

軌道式巡檢機(jī)器人防爆自動(dòng)充電裝置的工作過程如圖4所示。

圖4 防爆自動(dòng)充電裝置工作過程

3 煤礦巡檢機(jī)器人應(yīng)用效果

某大型煤礦利用軌道式懸掛防爆巡檢機(jī)器人對(duì)主井皮帶機(jī)進(jìn)行全天候巡檢。巡檢機(jī)器人通過搭載攝像機(jī)、拾音器、紅外熱像儀和多種傳感器實(shí)時(shí)采集巡檢現(xiàn)場(chǎng)的圖像、聲音、紅外熱像、紅外溫度、煙霧以及氣體濃度等信息，不僅實(shí)現(xiàn)了巡檢工作業(yè)時(shí)的“望、聞、問、切”，而且可以實(shí)時(shí)地對(duì)數(shù)字化的圖像、聲音和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行歸類存儲(chǔ)，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)反饋處理，并利用里程和圖像準(zhǔn)確定位故障位置，實(shí)現(xiàn)了工作現(xiàn)場(chǎng)無人值守、對(duì)異常狀況及設(shè)備故障的超前預(yù)判、預(yù)警的功能，大大提高了工作效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了較好的巡檢效果，達(dá)到了減員增效的目的。

3.1 皮帶跑偏檢測(cè)

主井運(yùn)輸系統(tǒng)中皮帶跑偏是常見的問題之一，巡檢機(jī)器人通過采集現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像來提取特征，并對(duì)其進(jìn)行處理和深度學(xué)習(xí)，利用皮帶和托輥的特征對(duì)皮帶及托輥進(jìn)行識(shí)別，檢測(cè)托輥露出皮帶的長(zhǎng)度，以此作為判斷皮帶是否跑偏的依據(jù)，再結(jié)合多幀圖像之間托輥檢測(cè)長(zhǎng)度的關(guān)系，得出當(dāng)前幀圖像是否是跑偏圖像，通過圖像分析對(duì)跑偏部位進(jìn)行語音報(bào)警。皮帶跑偏識(shí)別結(jié)果如圖5所示。

圖5 皮帶跑偏識(shí)別結(jié)果

3.2 紅外測(cè)溫與氣體探測(cè)

機(jī)器人通過搭載紅外熱成像儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖6 所示。根據(jù)報(bào)警設(shè)定值進(jìn)行語音報(bào)警。有一次機(jī)器人發(fā)出高溫報(bào)警，根據(jù)報(bào)警數(shù)據(jù)，經(jīng)工人現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，皮帶運(yùn)輸機(jī)一托輥與沿線膠管接觸摩擦，導(dǎo)致托輥溫度升高，工人及時(shí)處理后消除了火災(zāi)隱患[4]。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)紅外熱像檢測(cè)

應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)有多條氣體管道，氣體一旦泄露會(huì)存在重大的安全隱患，巡檢機(jī)器人搭載氣體探測(cè)傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到報(bào)警設(shè)定值就第一時(shí)間發(fā)出語音報(bào)警，并實(shí)時(shí)上傳報(bào)警位置。

3.3 異常聲音檢測(cè)與報(bào)警

皮帶運(yùn)輸機(jī)托輥損壞是皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)常見的故障之一，也是巡檢的重點(diǎn)。巡檢機(jī)器人利用音頻分析平臺(tái)通過采集、分析和識(shí)別音頻，及時(shí)對(duì)異常聲音進(jìn)行語音報(bào)警，并存儲(chǔ)異常音頻，便于人工復(fù)查處理。機(jī)器人應(yīng)用前期由于識(shí)別出多處托輥損壞，因此報(bào)警頻率較高。及時(shí)解決托輥問題后，皮帶運(yùn)輸機(jī)的安全性得到了保障，報(bào)警率也下降了。

4 結(jié)語

煤礦井下巡檢機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，體積小、重量輕，適用于各種復(fù)雜的煤礦井下環(huán)境，機(jī)器人本體吊掛在軌道上，在巷道內(nèi)往復(fù)運(yùn)行，能夠完全代替人工巡檢，適用于煤礦井下巷道、皮帶機(jī)、水泵房、變電所、絞車房及其他井下重點(diǎn)巡檢區(qū)域。巡檢機(jī)器人搭載多種傳感器，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)的圖像、聲音、紅外熱像、紅外溫度、煙霧以及多種氣體濃度等參數(shù)；巡檢機(jī)器人具有智能識(shí)別功能，采用智能感知關(guān)鍵技術(shù)算法，能夠準(zhǔn)確判斷設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，并基于大數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)，對(duì)煤礦設(shè)備運(yùn)行故障進(jìn)行超前預(yù)判、預(yù)警，減少故障停機(jī)時(shí)間。同時(shí)，采用先進(jìn)的無線移動(dòng)通信技術(shù)，通信距離遠(yuǎn)，抗干擾性強(qiáng)，既能保證圖像及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，又符合防爆要求。