石宏民

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

0 引言

近年來，隨著煤礦開采量和開采深度的逐年增加，煤礦開采環(huán)境更加復(fù)雜[1]，面臨著各種可能發(fā)生的煤礦安全事故，比如在2004 年10 月20 日在河南鄭州礦務(wù)局發(fā)生一起瓦斯爆炸，事故一共造成148 名礦工死亡，35人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到3 935.7 萬元，事故的原因是架線電機(jī)車與架線之間產(chǎn)生摩擦高溫，由于巡檢不到位導(dǎo)致高溫逐漸產(chǎn)生火花最終引發(fā)瓦斯爆炸；在2019 年3月21日發(fā)生在江蘇響水天公司的一起瓦斯爆炸，造成64人死亡，重傷73人，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。為了保證煤礦安全高效開采，根據(jù)煤礦技術(shù)文件《煤礦安全管理規(guī)范手冊》的相關(guān)要求，需要對煤礦巷道進(jìn)行定期巡檢，從而保證煤礦生產(chǎn)的順利進(jìn)行，避免不必要的煤礦事故發(fā)生，保證礦工生命安全[2]。對煤礦巷道進(jìn)行實(shí)時巡檢并保證準(zhǔn)確采集環(huán)境參數(shù)信息是煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的重要保證，對于保證煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要的作用[3]。

目前，國內(nèi)各煤礦均安排了專門的巡視工人對巷道進(jìn)行定期查看，主要是采用人工來完成，人工巡檢存在嚴(yán)重的弊端，煤礦巷道較短的是十幾千米、較長的巷道達(dá)到幾百千米，僅僅靠人力進(jìn)行巡檢存在巡檢工人勞動強(qiáng)度比較大，工作環(huán)境惡劣、巡檢效率比較低、巡檢不到位或出現(xiàn)漏檢等問題，為煤礦事故埋下安全隱患。近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展，利用機(jī)器人進(jìn)行煤礦巷道巡檢的思想逐漸得到廣泛認(rèn)可，國外的很多專家開始研制煤礦巷道巡檢機(jī)器人[4]，許旺[5]設(shè)計了一種輪式移動巡檢機(jī)器人，通過在機(jī)器人平臺搭建監(jiān)測設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)測，采用輪式巡檢并不適合井下復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。為此，設(shè)計一種適用于煤礦井下巡檢的機(jī)器人系統(tǒng)迫在眉睫。

為此本文從煤礦井下智能巡檢要求角度出發(fā)，設(shè)計了一種履帶式煤礦巷道巡檢機(jī)器人，并搭載了多種傳感器和監(jiān)控設(shè)備，可以代替人工完成對長距離巷道的智能巡檢，巡檢準(zhǔn)確度更高，續(xù)航時間更長，從而有效避免煤礦事故的發(fā)生。

1 煤礦巷道智能巡檢機(jī)器人設(shè)計要求

由于煤礦巷道環(huán)境較為特殊，常年處于潮濕、多塵、易燃易爆氣體環(huán)境中，并且含有某些像硫化氫等腐蝕性的氣體，為此對于設(shè)計的煤礦巷道巡檢機(jī)器人需要滿足煤礦井下防爆、防塵、防濕的要求[5]；煤礦巷道內(nèi)部錯綜復(fù)雜，地面砂礫較多，包括物料運(yùn)輸巷道、通風(fēng)巷道、采掘巷道以及采空區(qū)巷道等，所有的巷道都交錯分布，相對而言距離都比較長，在實(shí)際巡檢過程中需要具有較好的轉(zhuǎn)彎性能和通過性能，能夠保證機(jī)器人在煤礦巷道內(nèi)全方位移動和行走。

為了滿足巷道巡檢要求，對巡檢機(jī)器人提出以下幾點(diǎn)設(shè)計要求：（1）機(jī)器人結(jié)構(gòu)要緊湊，重量要盡可能輕，滿足強(qiáng)度要求；（2）為完成巡檢任務(wù)，需要保證機(jī)器人頂部具有較大的可擴(kuò)展空間，用于搭載巡檢設(shè)備和機(jī)械臂，并留有安裝孔便于安裝；（3）需要保證機(jī)器人有較好的通過性和轉(zhuǎn)彎半徑；（4）機(jī)器人本體需要具有較高的可靠性，具有防水防爆特性。

2 履帶式巡檢機(jī)器人總體方案設(shè)計

根據(jù)煤礦巷道巡檢對機(jī)器人硬件系統(tǒng)的設(shè)計要求，結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊化、集成化設(shè)計思想，使用Solid-Works 2019 分別設(shè)計了履帶式巡檢機(jī)器人的各個模塊，包括新型履帶行走輪、高清攝像頭模塊、機(jī)械臂模塊等，其中高清攝像頭可以在空間360°自由轉(zhuǎn)動，并具有自動清潔鏡片的功能，并對建立好的各個模塊進(jìn)行了總體裝配，最終可以得到如圖1 所示的煤礦巷道履帶式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)三維模型。

圖1 履帶式行走機(jī)器人三維模型

履帶式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要由內(nèi)置驅(qū)動的底盤、履帶式行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂、應(yīng)急箱和360°高清攝像頭組成，可以實(shí)現(xiàn)對煤礦巷道的安全監(jiān)控，其中360°高清攝像頭內(nèi)部嵌入防抖動模塊，并且具有夜視功能，可以在夜間采集到煤礦巷道清晰圖像，對煤礦巷道中的設(shè)備和人員進(jìn)行實(shí)時巡檢。采用履帶式差速行走機(jī)構(gòu)具有較大的通過能力和爬坡能力，頂部搭載的機(jī)械臂和應(yīng)急箱可以在緊急狀況下，攜帶食物或水利用自身結(jié)構(gòu)小巧的優(yōu)勢到達(dá)井下搜救人員和送去物資，整體結(jié)構(gòu)緊湊，布置靈活。

3 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

3.1 差速履帶式行走機(jī)構(gòu)

由于煤礦井下地質(zhì)復(fù)雜，巷道地面存在大量的砂石且地面布置有較多的電纜，需要保證機(jī)器人具有較好的通過性能，同時受煤礦巷道獨(dú)特的地理位置特點(diǎn)，存在較多的大坡度工況，需要保證機(jī)器人的爬坡越障性能，然而傳統(tǒng)的履帶式行走機(jī)構(gòu)主要適用于較為復(fù)雜的地面，并不具備大坡度爬行能力。

本文設(shè)計了差速履帶行走機(jī)構(gòu)，圖1 所示為履帶式行走機(jī)構(gòu)方案，采用4 個差速輪不僅可以實(shí)現(xiàn)在地面上行走，同時前端的斜面可以保證履帶式巡檢機(jī)器人具有較好的通過能力，在運(yùn)動過程中保持平穩(wěn)性。本套移動機(jī)構(gòu)采用行星輪履帶式行走，主要功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體的移動，可以實(shí)現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎、爬坡、越障、清障、頂部高負(fù)載，轉(zhuǎn)向靈活，可以實(shí)現(xiàn)垂直越障。

3.2 機(jī)械臂抓取機(jī)構(gòu)

由于煤礦井下大多存在大塊的石頭或者在巡檢過程中前方具有障礙物，導(dǎo)致機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)動過程中受到阻礙，同時在應(yīng)用于井下救援過程中需要對機(jī)器人前方進(jìn)行清障，為此設(shè)計了機(jī)械臂抓取機(jī)構(gòu)。

機(jī)械臂抓取機(jī)構(gòu)主要由扇形齒輪、夾鉗、減速器、電動機(jī)、二級開式齒輪等部分組成，步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動減速器運(yùn)動，傘齒輪發(fā)生周期性轉(zhuǎn)動并帶動一級齒輪轉(zhuǎn)動，隨后驅(qū)動左右輪控制夾鉗動作，將障礙物夾住或釋放。在機(jī)械臂移動過程中需要使用電控系統(tǒng)對整個電路系統(tǒng)進(jìn)行控制。

4 履帶式機(jī)器人電路系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要分為電動機(jī)驅(qū)動、紅外線攝像頭云臺、工控機(jī)、傳感器及機(jī)械臂模塊5部分組成。

4.1 數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊原理

履帶式巡檢機(jī)器人數(shù)據(jù)采集模塊是實(shí)現(xiàn)正常巡檢的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于煤礦井下環(huán)境惡劣，伴隨著瓦斯、CO、CO2以及硫化氫等有毒有害氣體[6]，需要首先對煤礦井下環(huán)境進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集，從而保證煤礦井下的安全運(yùn)行。

利用機(jī)器人自身搭載了數(shù)據(jù)采集與傳感器模塊，構(gòu)建出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要功能為采集并處理末端傳感器獲得的檢測信息，主要采集到的信息包括煙霧濃度、CH4濃度、CO濃度、CO2濃度和溫濕度等環(huán)境參數(shù)信息。

圖2 環(huán)境數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊是以STM32 單片機(jī)作為主控制器，通過在機(jī)身上搭載多種傳感器實(shí)現(xiàn)對環(huán)境信號的采集，利用無線WiFi 通信模塊自身建立的端口TCP 服務(wù)器，將井下采集到的數(shù)據(jù)信息上傳到設(shè)計的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，將采集到的煙霧信號、溫濕度信號、CH4氣體濃度、CO 濃度、CO2濃度等上傳到上位機(jī)通過可視化界面高清顯示井下環(huán)境參數(shù)信息，從而有效避免局部瓦斯?jié)舛冗^高或者某區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)CO 超限等問題導(dǎo)致的煤礦事故。表1所示為井下環(huán)境參數(shù)氣體檢測技術(shù)指標(biāo)。

表1 井下環(huán)境氣體檢測技術(shù)指標(biāo)

4.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件

由于履帶式巡檢機(jī)器人數(shù)據(jù)采集模塊所選用的CH4傳感器、CO傳感器、煙霧傳感器都是模擬量輸出，在實(shí)際進(jìn)行硬件電路設(shè)計時，單片機(jī)僅僅可以讀取二進(jìn)制數(shù)字信號，必須要通過模數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而將氣體傳感器采集到的物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸出，圖3 所示為煙霧傳感器模塊電路系統(tǒng)。利用STM32 的ADC 通道采集到各個傳感器輸出的模擬電壓信號，并且其中的12 位的ADC 是一種模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器[7]，模擬電壓是由ADC 轉(zhuǎn)化為一個12位的數(shù)字值，通過設(shè)計如圖所示的PI模塊可以實(shí)現(xiàn)將所有獲取到的信號輸入，進(jìn)行比例積分調(diào)節(jié)，最終可以得到穩(wěn)定的信號輸出[8-9]。

圖3 煙霧傳感檢測模塊電路

除了可以采集煙霧信號，對于井下有毒有害氣體如CO 需要采集數(shù)據(jù)，采用ME3-CO 傳感器具有低功耗、高精度、高靈敏度等優(yōu)勢[10-12]，圖4 所示為ME3-CO 傳感器信號采集電路系統(tǒng)。如圖所示，其中的3 個引腳分別為對電極C，工作電極W、恒定電位R 極，傳感器的靈敏度為( 0.070±0.015 )μA/ppm，容易受到外部的干擾信號。

圖4 ME3-CO傳感器信號采集電路系統(tǒng)

軟件程序設(shè)計流程如圖5 所示。數(shù)據(jù)采集模塊軟件開發(fā)流程中，實(shí)際傳感器的電流經(jīng)過運(yùn)算放大電路可以轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓并且被放大，可以直接接入單片機(jī)ADC 電壓采集通道中，ADC 數(shù)據(jù)采集是由內(nèi)部不同的通道程序分別采集煙霧、CO 和CH4，輸出引腳的模擬量，然后實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換通過計算得到對應(yīng)的濃度值。相類似的氣體傳感器均可以使用該套流程，首先通過初始化設(shè)置ADC 工作參數(shù)和工作時鐘等參數(shù)，然后調(diào)用全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，讀取輸入到ADC 通道中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，最后返回到濃度值就可以對采集到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行顯示。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計流程

通過設(shè)計履帶式煤礦巷道巡檢機(jī)器人硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對煤礦井下履帶式行走巡檢、對障礙物的清除和對煤礦井下有毒有害氣體環(huán)境參數(shù)的采集。為了高清呈現(xiàn)煤礦井下的實(shí)際環(huán)境，利用labview 2019設(shè)計了一套履帶式巡檢機(jī)器人上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對煤礦井下環(huán)境參數(shù)的全方位監(jiān)控。

5 履帶式機(jī)器人功能測試與應(yīng)用

煤礦巷道履帶式巡檢機(jī)器人數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)包括5 大監(jiān)控模塊，參數(shù)設(shè)置模塊、按鍵控制操作模塊、巡檢環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、歷史數(shù)據(jù)模塊和郵件報警模塊。通過設(shè)置參數(shù)保機(jī)器人本體系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，通過上位機(jī)可以自動控制機(jī)器人的運(yùn)動和云臺的轉(zhuǎn)動，當(dāng)煤礦井下發(fā)生緊急狀況時可以通過郵件報警模塊快速接收到郵件并及時進(jìn)行處理。為了研究設(shè)計的履帶式巡檢機(jī)器人通過性能，僅對行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行了樣機(jī)現(xiàn)場模擬測試，拆除了機(jī)械臂和應(yīng)急箱，圖6 所示為測試應(yīng)用現(xiàn)場。

圖6 實(shí)驗(yàn)性能測試

通過在地面設(shè)置高度為100 mm 的橫木作為障礙物，模擬井下巷道地面障礙，對機(jī)器人的越障性能進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)表明：該套履帶式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)車體尺寸為1 000 mm×600 mm×400 mm，車體總質(zhì)量為50 kg，該行星輪履帶式行走機(jī)構(gòu)可以爬坡角度小于15°的斜坡，在平地上運(yùn)動的最大速度為0.5 m/s，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)與真實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)誤差小于0.56%，取得良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

6 結(jié)束語

隨著煤礦開采難度的逐漸增加，煤礦巡檢勢在必行。傳統(tǒng)的井下人工巡檢存在工人勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、巡檢不到位、伴隨著有毒有害氣體等問題，本文通過對煤礦井下巡檢要求進(jìn)行分析，結(jié)合煤礦井下復(fù)雜的地質(zhì)條件環(huán)境要求，設(shè)計了一套履帶式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，主要由機(jī)器人本體硬件系統(tǒng)方案和軟件系統(tǒng)組成，包括機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計、機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計、行星輪履帶式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計等，最后通過對機(jī)器人進(jìn)行現(xiàn)場測試和應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)器人具有較好的越障能力和數(shù)據(jù)采集功能，可以代替人工完成對煤礦巷道的智能巡檢任務(wù)，整機(jī)巡檢續(xù)航時間達(dá)到12 h，取得良好的應(yīng)用效果。