楊孝新，劉婷婷，劉福明，王 偉

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

在露天礦山的開采中，礦巖運(yùn)輸是露天開采的決定性環(huán)節(jié)，運(yùn)輸成本約占總成本50%以上，露天煤礦主要運(yùn)輸方式包括汽車運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸、帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)?。為減少運(yùn)輸?shù)缆氛加猛恋亓?，降低基建費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用的投入，減緩能源消耗和建設(shè)綠色礦山，帶式輸送機(jī)運(yùn)輸逐步成為常見運(yùn)輸方式。《工業(yè)制造2025》和“第4 次工業(yè)革命”強(qiáng)力推進(jìn)智慧礦山、智慧物流的建設(shè)，智能巡檢機(jī)器人在礦山領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用，逐步成為主流趨勢。因此探索智能巡檢機(jī)器人的發(fā)展和未來面臨的問題是必經(jīng)之路。

1 研究背景與意義

1）帶式輸送機(jī)在露天煤礦中的應(yīng)用。帶式輸送機(jī)主要由機(jī)架、輸送帶輥筒、輸送輸送帶、張緊裝置、傳動裝置等組成。作為重要的礦山運(yùn)輸設(shè)備，具有高效、穩(wěn)定的特點(diǎn)，在長距離、連續(xù)運(yùn)輸以及承載能力方面有著極大的優(yōu)勢。但在其維護(hù)方面仍存在問題，運(yùn)行過程中易發(fā)生皮帶跑偏、打滑、磨損，物料灑落，設(shè)備噪音異常等故障，對設(shè)備、作業(yè)人員造成極大的安全隱患甚至導(dǎo)致嚴(yán)重安全事故。

2）巡檢機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。從20 世紀(jì)80年代末起，國外便陸陸續(xù)續(xù)開始巡檢機(jī)器人的研究，而國內(nèi)關(guān)于巡檢機(jī)器人的研究主要開始于20 世紀(jì)90 年代末。隨著自動巡檢代替人工巡檢的理念在全世界范圍內(nèi)的認(rèn)可，智能巡檢機(jī)器人已在石油、電力、礦山等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1]。國內(nèi)外巡檢機(jī)器人的研究歷程見表1。

表1 國內(nèi)外巡檢機(jī)器人研究歷程

從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以看出，目前巡檢機(jī)器人研究主要側(cè)重于電力行業(yè)、礦山生產(chǎn)行業(yè)[2]。對于帶式運(yùn)輸機(jī)，至今仍然沒有成熟的巡檢機(jī)器人研究。帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人主要針對我國露天煤礦高寒、多粉塵、長距離運(yùn)輸環(huán)境下輸送帶運(yùn)行狀態(tài)檢測，因此通過闡述巡檢機(jī)器人在帶式輸送機(jī)上的應(yīng)用，分析帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人在露天煤礦中的發(fā)展。

2 巡檢機(jī)器人設(shè)計

為達(dá)到煤礦企業(yè)的安全和科學(xué)系統(tǒng)化管理要求，必須對煤炭生產(chǎn)輸送的情況進(jìn)行全面、及時的了解和掌握，對設(shè)備故障等意外情況能夠及時、迅速地做出正確判斷，并做出快速的指揮和處理[3]。因此對帶式輸送機(jī)全過程進(jìn)行監(jiān)測是首要前提，同時著重監(jiān)控煤炭隱火、預(yù)警以及環(huán)境，減少故障隱患，保證安全輸送煤炭。

2.1 巡檢機(jī)器人設(shè)計需求

帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人應(yīng)用于戶外作業(yè)環(huán)境。帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人以西部某露天煤礦為應(yīng)用場景。露天煤礦氣候?yàn)閮?nèi)陸干旱沙漠氣候[4]，全年最高溫度高達(dá)41.2 ℃，最低溫度至零下49.8 ℃，四季氣溫差異大，伴隨著雨雪，最大風(fēng)力可達(dá)11 級，帶式輸送機(jī)最大坡度為14°，屬極端氣候環(huán)境。因此機(jī)器人的本體設(shè)計過程中需充分考慮高溫、低溫對供能系統(tǒng)的影響。

帶式輸送機(jī)日常使用中常見的故障主要分為輸送帶故障和托輥故障，輸送帶故障又分為輸送帶斷裂、撕裂、跑偏、打滑等。通過分析故障的原因，設(shè)計出更加適用、可靠的巡檢機(jī)器人。結(jié)合露天煤礦現(xiàn)場環(huán)境和帶式輸送機(jī)的常見故障，對帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人的設(shè)計提出了以下要求。

1）整體防護(hù)等級。由于地處戈壁氣候，風(fēng)沙、煤塵對機(jī)器人存在巨大的影響，機(jī)器人整體防護(hù)等級需要達(dá)到IP67 級以上[5]。

2）往復(fù)巡檢功能。巡檢機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)長距離、長時間持續(xù)全線巡檢作業(yè)，故巡檢機(jī)器人的驅(qū)動方式必須要求結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)，且巡檢實(shí)時數(shù)據(jù)的采集必須方便。

3）巡檢機(jī)器人體積適中。減少巡檢機(jī)器人的占用空間，在運(yùn)行過程中不會影響帶式輸送機(jī)運(yùn)行及作業(yè)人員正常作業(yè)。

4）適應(yīng)礦區(qū)現(xiàn)場極端氣候環(huán)境，保持動力充足。能源系統(tǒng)能夠保障持續(xù)長久地正常工作，同時能夠減少電池更換次數(shù)，實(shí)現(xiàn)無人化操作，并且電源系統(tǒng)在極端環(huán)境下依然可以保證正常的充電、放電功能。

5）必要的防水、防震、防塵功能。巡檢機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境處于室外，應(yīng)盡可能避免煤粉、強(qiáng)風(fēng)、暴雨雪等極端天氣對其內(nèi)部電路元件造成損壞，使其發(fā)生故障從而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

6）搭載各類傳感器，結(jié)構(gòu)緊湊。依據(jù)帶式輸送機(jī)常見故障類型以及對其相應(yīng)的監(jiān)測參數(shù)，選擇對應(yīng)的傳感器作為輸入信息，作為故障判斷依據(jù)。

7）通訊方式。采用5G 無線通訊方式，實(shí)現(xiàn)高效的信息傳輸。

8）人機(jī)界面。用戶在操作端面能夠?qū)崿F(xiàn)對巡檢機(jī)器人的無人化操作，遠(yuǎn)程監(jiān)控和報警等功能；真正做到“減人化、無人化、信息化、安全化”[6]，提高巡檢結(jié)果可靠性。

9）集群管理。機(jī)器人系統(tǒng)通過架設(shè)服務(wù)器端，多客戶端接入，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人集群化管理，由1 個主控端控制多臺機(jī)器人同時工作，將自動充電功能下放到機(jī)器人自主完成，保障機(jī)器人安全性、可靠性，而其他復(fù)雜需求由上位主控端發(fā)送相應(yīng)指令完成。

2.2 巡檢機(jī)器人功能需求

帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)由巡檢機(jī)器人本體、5G 通信基站、無線充電裝置、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)4 部分組成[7]。巡檢機(jī)器人系統(tǒng)如圖1。

圖1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)

帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人部分替代了人的工作，可在特殊環(huán)境下檢測和判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，減少了人員巡檢的需求，降低了人機(jī)交叉作業(yè)的頻次；降低巡檢人員的工作強(qiáng)度與風(fēng)險，保障人員安全；減少企業(yè)用工成本和安全支出；提高巡檢效率，增強(qiáng)巡檢實(shí)時性，預(yù)防和減少帶式輸送機(jī)故障的發(fā)生，促進(jìn)煤礦企業(yè)安全高效生產(chǎn)。

巡檢機(jī)器人的研究已不僅僅局限于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，還涉及圖像識別與處理、人功智能、計算機(jī)控制、無線通訊等領(lǐng)域。采用AI 圖像識別技術(shù)，可以對攝像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和AI 自動識別，覆蓋傳輸帶異物、危險區(qū)域、人員聚集等各方面，系統(tǒng)能夠快速分析安全隱患并進(jìn)行及時處置，從而改變先出事、再處理的傳統(tǒng)手段，借助人工智能提高報警準(zhǔn)確率。

2.3 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)

1）通信系統(tǒng)設(shè)計。機(jī)器人搭載工業(yè)級5G 模塊實(shí)現(xiàn)中距離穩(wěn)定通訊，通訊協(xié)議使用TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)穩(wěn)定傳輸，保證機(jī)器人穩(wěn)定控制。視頻傳輸使用TCP/UDP 協(xié)議匯入機(jī)器人核心交換機(jī)，通過與無線5G 模塊連接，經(jīng)上層網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端低時延信號傳輸。

2）控制系統(tǒng)設(shè)計。本設(shè)計對于巡檢機(jī)器人主控器控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)提供了2 種方案：①采用CANOpen 協(xié)議控制電機(jī)；②采用PWM 控制驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)。巡檢機(jī)器人內(nèi)外部溫濕度傳感器設(shè)計選用了STH31，溫度的測量范圍為－40～125 ℃，精度為±0.3 ℃；濕度的測量范圍為0～100% RH，精度為±2% RH。巡檢機(jī)器人主控制器通過采用IIC 接口可以同時接入多個溫濕度傳感器設(shè)備?；赗S232 串口控制高清攝像頭的云臺，設(shè)置高清攝像頭的參數(shù)。RS485 串口可以通過充放電模塊來讀取電池的當(dāng)前電量、電池電壓以及電池充放電過程中的電流。RFID 選用恩智浦的PN532，可用IIC、SPI 和UART 接口實(shí)現(xiàn)于STM32 的通訊。工作在13.66MHz，芯片有8051 內(nèi)核集成度高，抗干擾能力強(qiáng)。控制原理框圖如圖2。

圖2 控制原理框圖

3 帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人發(fā)展

1）機(jī)構(gòu)定制化。利用3D 打印等技術(shù)，快速成型使機(jī)器人機(jī)構(gòu)呈現(xiàn)個性化、定制化，改善應(yīng)對不同環(huán)境下重復(fù)、多次、反復(fù)修改等機(jī)構(gòu)設(shè)計問題。

2）本體簡單化。對于機(jī)器人本體來說，本地控制是對簡單、最可靠、最低程度的自主，同時可以對傳感器簡化優(yōu)化，通訊不斷升級、不斷完善增強(qiáng)。

3）通訊多樣化。以現(xiàn)有技術(shù)背景下，可利用有線、WIFI、藍(lán)牙、紅外、NFC、RFID、ZigBee、5G 等多種方式進(jìn)行通訊。

4）計算云端化。邏輯決策、機(jī)身定位、環(huán)境識別、語音識別、圖像識別、多機(jī)協(xié)同、路線規(guī)劃、自主決策等復(fù)雜的、耗時計算過程，可將其交由云計算服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，提高執(zhí)行效率的同時，減少維護(hù)、建設(shè)成本。

露天煤礦帶式輸送機(jī)屬特殊環(huán)境，時常有大風(fēng)、大雪、高塵環(huán)境，帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人的研究應(yīng)具備異常交互情況下靈活的遙操控能力，具備大時延、通訊中斷、丟包情況下遙控、基于虛擬現(xiàn)實(shí)和信息反饋的控制等方法。智能化、集群化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化、最優(yōu)化將成為下一代工業(yè)機(jī)器人理論與方法研究的核心。隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷升級，機(jī)器人數(shù)量增多，普通控制程序已不滿足需求，傳統(tǒng)的端對端控制無法應(yīng)對智能化情況，集群管理系統(tǒng)會成為問題的突破口，從傳統(tǒng)的人工決策轉(zhuǎn)至AI 自動決策，極大降低危險，提高系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率。集群管理系統(tǒng)的2 種部署方式如圖3。

圖3 集群管理系統(tǒng)的2 種部署方式

集群管理系統(tǒng)有2 種部署方式，集中式部署和分布式部署。2 種部署方式均存在共性的瓶頸問題，隨機(jī)器人數(shù)量上升的指數(shù)級復(fù)雜度、高速可靠通訊、環(huán)境動態(tài)變化、穩(wěn)定性及容錯性。因此在研究內(nèi)容上，可偏向于體系架構(gòu)設(shè)計、協(xié)作環(huán)境感知、動態(tài)任務(wù)規(guī)劃、協(xié)同路徑規(guī)劃及避障、系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)這幾個方面，對關(guān)鍵性的技術(shù)，比如云－邊－端融合、傳感器融合、任務(wù)分配、擁塞估計、單機(jī)學(xué)習(xí)、協(xié)同定位、任務(wù)排序、柔性調(diào)整、實(shí)時通訊、任務(wù)重規(guī)劃等的深入研究，解決帶式輸煤帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用的關(guān)鍵問題，推進(jìn)我國露天煤礦智能巡檢機(jī)器人技術(shù)搶占國際制高點(diǎn)，從單機(jī)智能到全局智能，融合新技術(shù)，打通技術(shù)壁壘。

4 結(jié)語

單機(jī)技術(shù)到多機(jī)協(xié)同，露天煤礦智能巡檢機(jī)器人的研究已從單機(jī)結(jié)構(gòu)研究轉(zhuǎn)向集群式系統(tǒng)研究，隨之而來的就是多學(xué)科、多技術(shù)、多領(lǐng)域的學(xué)科交叉、融合創(chuàng)新成為顛覆性技術(shù)重要來源。自動化運(yùn)行、運(yùn)行穩(wěn)定可靠且功能齊全的巡檢機(jī)器人需要借助最新、前沿科技不斷升級迭代，建設(shè)統(tǒng)一、穩(wěn)定的集群控制系統(tǒng)勢在必行，為實(shí)現(xiàn)礦山巡檢無人化，促進(jìn)煤礦安全高效生產(chǎn)，具有不可或缺的作用。