趙春雷，田中華，李 航，舒愛國，朱紅金，李 明，李慧彤

(1.北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013；2.中國礦業(yè)大學(北京) 能源與礦業(yè)學院，北京 100083)

20世紀90年代以前，我國部分地區(qū)小煤窯泛濫，無計劃開采、越界偷采嚴重，導致生產(chǎn)布局混亂、資源浪費。自2009年始，我國陸續(xù)對各中、小型煤礦進行兼并重組，實現(xiàn)總體規(guī)劃、計劃開采。但是，整合后的礦井，地質資料不詳，采區(qū)受到老巷及房采區(qū)等破壞區(qū)的威脅，尤其是掘進過程中揭露老巷及房采區(qū)時，容易造成大量有毒、有害氣體及老空水涌出，給安全生產(chǎn)帶來極大隱患。

長期以來，我國大部分礦井對老巷及房采區(qū)的探查與監(jiān)控都采取人工結合物探的方式進行人為探巷，這樣不僅安全系數(shù)小，而且不能對老巷的實際情況進行全面、正確的了解[1-3]。尤其遇到低矮、有害氣體聚集、頂板未支護的巷道，人員難以進入，無法掌握現(xiàn)場情況，給下一步制定具體生產(chǎn)措施及安全生產(chǎn)帶來了困難和障礙，并且人為探巷時，一旦遇到險情，極有可能造成人員傷亡事故。

我國近年來步入煤礦智能化發(fā)展的初級階段，煤炭行業(yè)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)變革方興未艾，智能化、無人化、安全化開采也是行業(yè)未來的發(fā)展方向[4-8]。而礦用智能裝備尤其是機器人的研制與運用是改善井下安全生產(chǎn)的根本手段之一。國內外對煤礦用機器人已進行了大量的研究[9-12]，美澳研制多種煤礦救援機器人用于救援工作，但在井下實際應用過程中面臨諸多難題，在惡劣的環(huán)境中多發(fā)生故障。國內研制煤礦機器人起步較晚，目前對于不同用途的機器人檢測與應用停留在實驗室階段，在實際工況中應用尚處于起步階段，并且機器人研發(fā)過程并未建立統(tǒng)一規(guī)范標準。由于井下環(huán)境特殊，存在瓦斯等易燃易爆氣體，機器人兼顧防爆性能、探測能力以及環(huán)境適應能力至關重要。因此，機器人的感知、檢測、控制技術亟待創(chuàng)新是主要發(fā)展瓶頸之一。

因為井下環(huán)境惡劣，人工探巷直接影響煤礦生產(chǎn)和效益。隨著機器人技術的不斷進步，利用機器人進行輔助生產(chǎn)及救援是保障安全的重要方向[13-17]。在這種情況下，攻關井下老巷探巷機器人研發(fā)技術難題，尤其針對機器人的感測與控制技術進行創(chuàng)新，設計出具有人機交互、自主行走、數(shù)據(jù)處理等功能的機器人，使得機器代替人工、利用機器人探巷代替人為探巷，進而改掉人工方式的弊端，對實現(xiàn)探巷工作安全、高效，證煤礦安全生產(chǎn)發(fā)展有重大意義，同時也是對我國煤礦機器人研發(fā)工作的探索與補充。

1 煤礦探巷機器人設計方案

煤礦探巷機器人系統(tǒng)主要由機器人本體、無線中繼和手持遙控終端三部分組成，如圖1所示。機器人本體采用履帶式行走方式，使其適應探測老巷的需求，并具有自主避障功能和一定的越障能力；最后的現(xiàn)場應用表明雙履帶的構造符合設計跟應用，且保持平穩(wěn)的越障性能[18-20]。防爆云臺和多參數(shù)氣體傳感器具有環(huán)境探測、圖像采集、熱眼檢測、音頻采集等功能；手持遙控終端通過無線中繼實現(xiàn)對機器人的無線遙控，并通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與傳輸。

圖1 煤礦探巷機器人組成

煤礦探巷機器人本體采用履帶式行走方式，根據(jù)巷道地形，可以滿足越障、爬坡、越溝等作業(yè)，結構簡單，控制方便。機器人本體采用遠距離無線遙控方式通訊和控制，通過手持終端，經(jīng)無線網(wǎng)絡，向機器人本體發(fā)出指令，遠程控制機器人行走、信息采集，以及根據(jù)現(xiàn)場實際情況調整防爆一體化云臺動作，所攜帶的紅外熱成像儀可自動捕捉視野區(qū)域內的最高溫度并顯示在手持終端的屏幕上，方便作業(yè)人員了解探巷危險區(qū)域，同時通過多參數(shù)傳感器實時觀測巷道檢測地點，可連續(xù)檢測甲烷、二氧化碳、一氧化碳等多種氣體的濃度及現(xiàn)場環(huán)境溫度等參數(shù)，并可設定特定參數(shù)超限報警。

2 探巷機器人主要系統(tǒng)研發(fā)

探巷機器人主要適用于煤礦井下老巷的探測任務，其采用全金屬骨架的履帶式結構，且具備有效減震措施，機動性強，行走平穩(wěn)。探巷機器人基本參數(shù)：行走速度1.5m/s；外殼防護等級是IP65；連續(xù)行走時間達到3h；爬坡能力最高78%(38°)；紅外攝像機圖像解析度700TVL；拾音器靈敏度40dB；紅外熱像儀具備網(wǎng)絡+模擬視頻接口。

圖2 煤礦探巷機器人防爆云臺

防爆云臺的結構如圖2所示。防爆指使用專業(yè)方法使機器人本身不發(fā)生易燃、易爆物質的意外[21-25]。防爆云臺具有紅外熱成像及可見光攝像機兩種圖像采集功能，紅外熱成像儀具有鍺玻璃及防護網(wǎng)防護功能，實現(xiàn)對熱源的檢測。通過可見光攝像機采集老巷現(xiàn)場環(huán)境并將圖像實時上傳，輔助操作人員準確操控機器人。為確保機器人在井下淋水、黑暗及高粉塵等操作環(huán)境中正常工作，在攝像機鏡頭前安裝有雨刷器和補光燈，利用手持遙控終端可對其進行控制。

針對煤礦探巷機器人設計了防爆云臺動作執(zhí)行程序。鑒于云臺的多樣性和云臺運轉作業(yè)的可控性，該程序設計的結果直接作用于閉路監(jiān)視系統(tǒng)的可操作性及可靠性等關鍵性指標。程序運用yuntai_cmd函數(shù)實現(xiàn)設計，運行使得云臺可以穩(wěn)定固定紅外熱像儀和可見光攝像機，多角度地調節(jié)支撐設備以及進行360°轉動調整機器人的視野。

此外，機器人攜帶GD7型多參數(shù)傳感器作為環(huán)境探測工具，多參數(shù)傳感器可同時連續(xù)監(jiān)測甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧氣、溫度、濕度和差壓等7種參數(shù)，并可設定特定參數(shù)超限報警。傳感器采用RS485通訊模式，與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

GD7型多參數(shù)傳感器工作原理如圖3所示。氧氣、一氧化碳、二氧化碳和甲烷探頭以及溫度、濕度和差壓傳感器將外界輸入信號分別送入A/D轉換器，進行模擬量到數(shù)字量的轉換，然后經(jīng)CPU處理后得到與實際輸入對應的數(shù)值，通過485通訊模塊傳送到顯示屏上顯示。同時，采集的二氧化碳、一氧化碳等多種氣體參數(shù)經(jīng)無線中繼，傳送到手持終端進行顯示。另外，機器人本體上還裝有后置攝像機、照明燈、紅外測溫傳感器、避障傳感器和拾音器。后置攝像機用來采集設備后方的視頻信息，左右兩側的照明燈可使機器人在光線弱的環(huán)境中擴大攝像機的可視范圍，機器人前端右中部設有拾音器，用以檢測機器人周圍的音頻信號。

探巷機器人在探巷過程中出現(xiàn)損壞、打滑現(xiàn)象均會造成摩擦力顯著增大，如果工作中溫度超過機器工作溫度將會導致機器本體零部件發(fā)熱嚴重，當其超過溫度閾值將會停止工作，造成一定的工作問題，探巷機器人儲存、使用環(huán)境溫度為-20～+70℃。因此需要靈敏度較高的傳感器進行工作。

圖3 多參數(shù)氣體傳感器原理圖

無線中繼是手持遙控終端和機器人本體無線通訊的中間樞紐，操控人員通過礦用本安手持遙控終端經(jīng)無線中繼之間架設的無線網(wǎng)絡，向機器人發(fā)出指令，遠程控制機器人的行走、現(xiàn)場環(huán)境信息采集以及防爆云臺的控制等。

手持遙控終端可以實現(xiàn)對機器人的視頻顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)視和行走控制，手持遙控終端頂端設有音頻輸出接口，可外接耳機或其他音頻設備。手持遙控終端通過屏幕界面上的模擬按鈕，實現(xiàn)對機器人及云臺的操控。設計了煤礦探巷機器人遙控終端開關量程序。

3 軟件系統(tǒng)流程設計

3.1 主控程序流程設計

主控程序設計流程如圖4所示，手持遙控終端為所有控制命令的下發(fā)起始端，操作人員通過手持遙控終端下發(fā)控制命令并通過無線WiFi信號傳輸?shù)綗o線中繼，無線中繼將WiFi控制命令進行網(wǎng)絡轉換及控制信號功率放大后，實時轉發(fā)至機器人本體。為了保證控制命令的準確性，機器人本體會對接收到的命令進行CRC校驗，控制命令經(jīng)過校驗解析無誤后進行相應的控制動作。若CRC校驗有錯誤，機器人本體認為本次接收到控制命令存在錯誤，且不進行相應設備的動作，等待下一次控制命令的接收。

圖4 主控程序流程圖

3.2 信息采集及顯示報警程序流程設計

信息采集及顯示報警程序設計流程如圖5所示，機器人本體運行狀態(tài)及其周圍環(huán)境參數(shù)等信息通過各個信息采集模塊(包括溫度采集模塊、視頻信息采集模塊、氣體參數(shù)采集模塊、電池信息采集模塊、避障數(shù)據(jù)采集模塊等)傳輸至機器人本體主控系統(tǒng)，并通過主控系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行解析，得到相應的機器人本體及周邊環(huán)境參數(shù)值并上傳至手持遙控終端顯示，同時手持遙控終端可對參數(shù)報警限值進行配置。機器人本體主控系統(tǒng)實時將采集的參數(shù)信息與其報警限值進行比較，若超過限值，本體控制系統(tǒng)將此報警信息上傳至手持遙控終端進行報警并將報警信息記錄，以便后續(xù)對參數(shù)報警信息的查閱。

圖5 信息采集及顯示報警程序流程圖

3.3 數(shù)據(jù)傳輸及通訊程序流程設計

數(shù)據(jù)傳輸及通訊程序設計流程如圖6所示，由于視頻傳輸?shù)臄?shù)據(jù)遠遠大于控制命令數(shù)據(jù)，為了消除控制命令數(shù)據(jù)傳輸被視頻信號傳輸干擾的問題，采用了視頻與控制命令數(shù)據(jù)分開傳輸?shù)姆绞??？刂泼钣墒殖诌b控終端通過WiFi傳輸至無線中繼，并經(jīng)過無線中繼進行網(wǎng)絡轉換為RS232通訊并進行信號放大處理后，再經(jīng)過無線數(shù)傳電臺傳輸至機器人本體通訊主控模塊，對機器人本體進行控制。同理，機器人本體的采集數(shù)據(jù)，通過機器人本體通訊主控模塊經(jīng)過無線數(shù)傳電臺傳輸至無線中繼后，通過無線中繼進行網(wǎng)絡轉換為RS232及信號放大后，通過WIFI模式傳輸至手持遙控終端顯示。

如圖6所示，機器人本體視頻信號通過無線圖傳電臺傳輸至無線中繼，無線中繼接收到視頻信號后，經(jīng)過視頻服務器將模擬視頻信號轉換成網(wǎng)絡視頻信號，并經(jīng)過網(wǎng)絡轉換將以太網(wǎng)信號轉換為WiFi模式，經(jīng)過WiFi傳輸至手持遙控終端，進行視頻圖像展示。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸及通訊程序流程圖

4 探巷機器人應用效果

探巷機器人研制成功后，在山西某礦進行了實際應用。該礦位于朔州市山陰縣，探巷機器人工作于15304工作面，傾向長240m，平均采高3m，傾角3°，共配置162臺液壓支架，支架中心距1.5m，刮板機中部槽137節(jié)。該礦井田范圍內存在較大范圍的房采區(qū)以及周邊煤礦房采區(qū)積水、有毒有害氣體等隱患，在礦井正常生產(chǎn)期間經(jīng)常會揭露老巷和老空區(qū)，存在有毒有害氣體涌出等風險。根據(jù)老巷探查實際現(xiàn)狀，為保證探查老巷人員安全及礦井安全生產(chǎn)，用履帶式探巷機器人代替人工進行老巷探查。

實際應用效果表明：檢測數(shù)據(jù)為溫度16.4℃、氧氣19.3%、濕度74.5%RH、二氧化碳0.54%、甲烷和一氧化碳均為零，探巷結果表明該廢棄老巷安全。本次現(xiàn)場應用效果表明在該礦用履帶式探巷機器人實踐性能方面表現(xiàn)良好，負載能力大，越障能力強，適應復雜環(huán)境和地形，作業(yè)效率高，監(jiān)控攝像頭可實現(xiàn)多方位視頻監(jiān)視。利用探巷機器人可以清楚拍攝老巷形狀及其它情況，最大限度的降低了探查老巷的風險，而且探查老巷不需要排放老巷內的氣體，所有的參數(shù)和圖像信息可實時上傳，有效地解決了探巷人員在上述場所面臨的人身安全和數(shù)據(jù)信息采集不足等問題，對提高探巷安全性，減少人員傷亡具有重要意義。

為比較機器人探巷相對于人工的優(yōu)勢以及測試該探巷機器人的性能表現(xiàn)。就某老巷的探巷各個環(huán)節(jié)進行人工探查和該機器人探查的最終結果進行對比分析，見表1。

由表1可以看出，采用機器人探查，工作效率大大提高，同時大量減少用工數(shù)量，更重要的是，采用機器人探巷不必承擔人工探查所承擔的未知風險，大大提高了安全性，對于實現(xiàn)煤礦無人化開采也是很好的探索。

5 結 語

基于對煤礦老巷探查的需求，將礦用防爆技術與機器人技術相結合，研發(fā)設計了適合煤礦井下的履帶式探巷機器人，具體對探巷機器人的感測和控制系統(tǒng)研發(fā)與設計流程進行介紹。該機器人具有較好的運動性能和適應能力，具有體積小、質量輕、方便運輸?shù)忍攸c，通過在煤礦的實際應用表明：設計的探巷機器人可以替代探巷人員在老巷及房采區(qū)探查，適應性強、使用效率高，研發(fā)的感測和控制系統(tǒng)準確可靠，能夠為井下老巷探測、服務生產(chǎn)提供可靠、詳實的資料。另一方面，用機器人代替人工探巷體現(xiàn)了“以人為本，生命至上”的理念，在安全方面大幅度的降低了面臨的重大風險，確保了作業(yè)人員的安全。在經(jīng)濟方面為回采工作面復采提供了技術依據(jù)，減少了煤炭資源的浪費，提高了煤礦的經(jīng)濟效益。