文 彪,張瑞平

(山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院,山西 大同 037003)

粉塵是煤礦井下生產(chǎn)過(guò)程中的五大災(zāi)害之一。一方面,煤礦粉塵中的呼吸性粉塵吸入肺部可能引起塵肺病,對(duì)煤礦井下各作業(yè)點(diǎn)工人的身體健康造成巨大的威脅。目前,煤礦工人患?jí)m肺的病例占到全國(guó)職業(yè)性塵肺病總量的一半以上,在各類煤礦安全事故中導(dǎo)致死亡的人數(shù)占到70%以上。在2021年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1]中,我國(guó)累計(jì)報(bào)告職業(yè)性塵肺病例中,由于煤礦粉塵導(dǎo)致的塵肺病占到了50%以上。目前來(lái)說(shuō),針對(duì)塵肺病沒(méi)有行之有效的治療方案,對(duì)于人體肺部是一種不可逆的損傷。另一方面,粉塵會(huì)導(dǎo)致井下設(shè)備加速磨損,嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)粉塵爆炸,造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

目前,我國(guó)煤礦的降塵措施主要采用人工定期沖洗除塵。井下作業(yè)人員需要手持軟管進(jìn)行噴水沖塵,這種除塵方式對(duì)于作業(yè)人員的工作量是個(gè)不小的挑戰(zhàn),同時(shí)在人工沖塵中不可避免地吸入煤塵,影響了作業(yè)人員的身體健康。沖塵過(guò)程中往往需要3至4人協(xié)同作業(yè)才能進(jìn)行工作。對(duì)于一些狹窄的巷道來(lái)說(shuō),沖洗工作妨礙正常的人員流通和運(yùn)輸效率降低,導(dǎo)致煤礦的生產(chǎn)效率受到一定程度的影響。即便投入如此大的人力作業(yè),沖洗除塵效果也會(huì)隨著人員的疲乏導(dǎo)致下降。在煤礦特殊的巷道中,沖洗作業(yè)人員無(wú)法展開(kāi)工作,煤塵依然不能被有效的清除,從而使得井下煤塵含量居高不下,影響了煤礦的安全生產(chǎn)。

近年來(lái),巷道沖塵車正逐步應(yīng)用到井下,輪軌式巷道灑水沖塵車[2]運(yùn)用于有軌巷道,由工人進(jìn)行輔助沖塵,相較于傳統(tǒng)人工沖塵,速度有所提升,但靈活性差,除塵效果難以保障。隨著礦山智能化轉(zhuǎn)型,巷道沖塵機(jī)器人的出現(xiàn),能夠彌補(bǔ)當(dāng)前巷道除塵車難以解決的一些難題。

1 巷道沖塵機(jī)器人除塵要素和設(shè)計(jì)要求

煤礦巷道作為井下重要的人員、煤炭、電力、水源輸送的渠道,巷道的安全性極大地影響著煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率。煤礦巷道存在可視性差,煤塵污染嚴(yán)重,空間較為狹小,地形復(fù)雜等一系列的問(wèn)題[3]。煤塵不僅會(huì)導(dǎo)致井下人員極易患上塵肺病,而且可能會(huì)引起煤塵爆炸,或者造成儀器磨損和失靈,其危害不容小視。煤礦的巷道長(zhǎng)度和空間各不相同,運(yùn)輸大巷可長(zhǎng)至幾千米,使得人工沖洗除塵的勞動(dòng)強(qiáng)度巨大,除塵效果無(wú)法保證;個(gè)別小型巷道只有幾百米,并且空間窄小,人工除塵作業(yè)難以展開(kāi)。此外,對(duì)于復(fù)雜地形管道、設(shè)備上的積塵無(wú)法得到有效的清除。

我國(guó)煤監(jiān)局出臺(tái)的《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》[4]中,提到煤炭企業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)采、掘、機(jī)、運(yùn)、支、安全等工作面的智能化,進(jìn)一步推動(dòng)煤礦機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)井下各工種設(shè)備的協(xié)同工作,同時(shí)加強(qiáng)煤礦機(jī)器人的建設(shè)與投入使用,爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)煤礦智能生產(chǎn),以達(dá)到井下少人甚至無(wú)人增效的智能化礦山時(shí)代。根據(jù)其研發(fā)的目標(biāo),巷道沖塵機(jī)器人需要滿足在巷道中無(wú)軌化自行移動(dòng),通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)煤塵含量的精確測(cè)定,能夠具備自動(dòng)化完成沖洗作業(yè)[5]的能力,并且能夠?qū)崿F(xiàn)小范圍的精確沖塵,對(duì)于煤塵含量不同的范圍自主調(diào)節(jié)沖塵的參數(shù),使其能更精細(xì)地完成除塵任務(wù)。

2 巷道沖塵機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

巷道沖塵機(jī)器人總體設(shè)計(jì)如圖1所示,主要由閉環(huán)式人機(jī)控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分組成。

機(jī)械機(jī)構(gòu)主要包括行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂、噴水機(jī)構(gòu),由履帶式行走機(jī)構(gòu)控制除塵路徑,機(jī)械臂調(diào)整沖塵位姿,噴水機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)噴水除塵。

巷道沖塵機(jī)器人是為了實(shí)現(xiàn)代替工人在井下實(shí)現(xiàn)巷道除塵的目的,地面的操作人員在用戶界面可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操控,控制器依靠上位機(jī)和下位機(jī)間的通訊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各項(xiàng)功能運(yùn)行。在進(jìn)行沖洗巷道煤塵的過(guò)程中,上位機(jī)與下位機(jī)的無(wú)線通訊對(duì)巷道沖塵機(jī)器人行進(jìn)路線、機(jī)械臂位姿變換,以及一定空間內(nèi)的煤塵含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)于已完成的工作區(qū)域,將目標(biāo)完成度進(jìn)行對(duì)比,將結(jié)果在控制用戶界面顯示。若發(fā)生機(jī)器人無(wú)法處理的事故,地面操作人員能夠通過(guò)攝像機(jī)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行針對(duì)性地調(diào)整。下位機(jī)接收到終端命令,通過(guò)上位機(jī)通訊完成指令,并且將重新監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接脩艚缑孢M(jìn)行反饋,從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)式人機(jī)控制。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

巷道沖塵機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)由行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂和噴水機(jī)構(gòu)組成。車體采用履帶式行走機(jī)構(gòu),在履帶式底盤(pán)上部安裝水箱。巷道沖塵機(jī)器人機(jī)械臂具有5個(gè)自由度,控制箱位于機(jī)械臂基座后方,控制箱前端安裝云攝像頭,車體兩端裝配了照明系統(tǒng)和語(yǔ)音箱,機(jī)械臂末端載有超聲波測(cè)距傳感器及粉塵監(jiān)測(cè)傳感器。通過(guò)超聲波測(cè)距傳感器[6]和攝像頭能夠讓地面操作人員觀察到機(jī)器人所處環(huán)境和機(jī)械臂的位姿。

3.1.1行走機(jī)構(gòu)

巷道沖塵機(jī)器人由于在井下面臨不同的地形,需要其具有一定的越障能力。履帶式行走機(jī)構(gòu)是由左右兩邊的履帶組成,中間有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪使其完成前進(jìn)、后退、左右移動(dòng)的位置變化,如圖2所示。根據(jù)設(shè)計(jì)的水箱來(lái)看,巷道沖塵機(jī)器人需要具備穩(wěn)定行駛能力和一定程度的承載力。采用履帶式的行走方式有接地面積大,滾動(dòng)阻力小,底盤(pán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,運(yùn)載能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)履齒與地面相互作用[7],使得整體機(jī)構(gòu)抓地能力增強(qiáng),不易打翻,越障能力高于其他行走機(jī)構(gòu),是目前為止較為適合的一種行走方式。

圖2 履帶式行走機(jī)構(gòu)Fig.2 Crawler type walking mechanism

3.1.2機(jī)械臂設(shè)計(jì)

機(jī)械臂的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)研發(fā)是首要的環(huán)節(jié)。考慮到井下有一些管道和電纜,機(jī)械臂能夠比人工更為方便和精準(zhǔn)的沖塵。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)遵循工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)原則,考慮到實(shí)際的工作空間,機(jī)械臂自身的結(jié)構(gòu)占用空間盡量尋優(yōu)最小值,滿足標(biāo)定范圍內(nèi)的彈性變形約束和結(jié)構(gòu)尺寸約束下使得整個(gè)系統(tǒng)重量最小。根據(jù)工藝性原則,要考慮容易制造,便于維修,簡(jiǎn)便裝配的問(wèn)題。不但要設(shè)計(jì)出合理的機(jī)構(gòu),整體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度恰當(dāng),并且減少加工和維修的成本,能夠方便操縱。從高比強(qiáng)度材料選取原則來(lái)分析,為了滿足最小慣量原則,機(jī)械手臂是一種運(yùn)動(dòng)性部件,需要一種輕量化的材料,從而減少機(jī)械臂自身運(yùn)動(dòng)造成的功率消耗。綜合上述條件,本次設(shè)計(jì)采用硬鋁材料為機(jī)械臂的主要材料,采用焊接式的空心管進(jìn)行組裝,同時(shí)將控制電機(jī)的電源線從管內(nèi)穿過(guò),目的是為防止電源線暴露在外部產(chǎn)生膠皮的破損或者由于導(dǎo)線纏繞機(jī)體對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)造成阻礙。

在進(jìn)行機(jī)械臂選型過(guò)程中,考慮到巷道沖塵機(jī)器人本身具有一定的移動(dòng)能力,著重考慮機(jī)械臂末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在活動(dòng)空間的位姿變化,因此使用了5自由度串聯(lián)式關(guān)節(jié)[8]設(shè)計(jì),具有5個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),如圖3所示。通過(guò)調(diào)整關(guān)節(jié)角參數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂整體的位姿變換,選用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)比起移動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)型更為緊湊。5自由度能夠保證機(jī)械臂具有更多的靈活性,對(duì)于復(fù)雜障礙物能產(chǎn)生更多的工作空間,也是機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的一種。

圖3 5軸機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of five-axis manipulator

為了佐證機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的合理性,使用MATLAB軟件作機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真。使用Robot toolbox進(jìn)行分析仿真,可以對(duì)機(jī)器人位姿有直觀的展示,并且能夠計(jì)算出機(jī)械臂軌跡運(yùn)行的合理性。

由于井下的管線復(fù)雜,機(jī)械臂的活動(dòng)空間受到限制。為了分析機(jī)械臂的末端機(jī)構(gòu)所能到達(dá)的工作區(qū)域,采用蒙特卡洛法計(jì)算機(jī)械臂的工作空間。蒙特卡洛法采用了概率統(tǒng)計(jì)的數(shù)值計(jì)算法,由系統(tǒng)隨機(jī)產(chǎn)生的關(guān)節(jié)角角度值,通過(guò)位置坐標(biāo)生成三維空間點(diǎn)云圖像,使得機(jī)械臂工作空間更加容易觀察。設(shè)定隨機(jī)角度個(gè)數(shù)為30 000,工具箱生成30 000個(gè)空間點(diǎn)的點(diǎn)云圖,機(jī)械臂工作空間點(diǎn)云圖如圖4所示。

圖4 機(jī)械臂空間點(diǎn)云圖Fig.4 Point cloud image of manipulator

從圖4可知,末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體空間點(diǎn)內(nèi)部分布均勻。由于機(jī)械臂基座后方安裝控制箱,關(guān)節(jié)角角度有一定的限制,從而出現(xiàn)扇形空腔能夠容納控制箱。末端執(zhí)行器位置最高點(diǎn)與基座在水平方向距離為4.55 m,工作空間垂直方向間距為5.90 m,機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)合理,能夠完成巷道沖洗除塵的任務(wù)。

煤礦巷道管道和電纜使得機(jī)械臂需要進(jìn)行合理的軌跡規(guī)劃。圖5仿真了機(jī)械臂末端初末位置運(yùn)行軌跡,使用初末位置變換求逆解,從而得到相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量,用所求關(guān)節(jié)變量得出規(guī)劃軌跡。從結(jié)果來(lái)看,運(yùn)行軌跡順滑、平穩(wěn),達(dá)到機(jī)械臂合理作業(yè)的要求。

3.2 噴水機(jī)構(gòu)

噴水機(jī)構(gòu)主要由水箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、輸送軟管、噴嘴組成。

巷道沖塵機(jī)器人的噴水機(jī)構(gòu)主要執(zhí)行除塵沖洗任務(wù),能夠根據(jù)實(shí)際的作業(yè)設(shè)定除塵參數(shù)(噴嘴的流量和水流距離),通過(guò)下位機(jī)端口串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電機(jī),用來(lái)進(jìn)行電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速。密閉水箱容積主要通過(guò)灑水距離、灑水量和灑水時(shí)間決定[9]。考慮到巷道沖塵機(jī)器人在井下無(wú)人化除塵作業(yè),為了避免出現(xiàn)沖塵過(guò)程中水箱內(nèi)的存水量低于工作水位而出現(xiàn)電機(jī)損壞的事故,應(yīng)當(dāng)安裝水位控制器在水箱的底部[10]。在實(shí)際水量少于正常工作水量時(shí),能夠自動(dòng)切斷電機(jī)電源并且對(duì)上位機(jī)的用戶界面發(fā)出預(yù)警。

圖5 機(jī)械臂軌跡規(guī)劃Fig.5 Trajectory planning of manipulator

實(shí)施噴水作業(yè)時(shí),首先由控制器接收到信號(hào)啟動(dòng)開(kāi)關(guān),通過(guò)抽水泵從水箱通過(guò)軟管傳輸,最后通過(guò)噴嘴進(jìn)行噴水作業(yè)。調(diào)整出水的流量時(shí),由減速器降低電機(jī)轉(zhuǎn)速,扭矩變大,從而得到更大的吸力,噴嘴出水量增多。噴水過(guò)程中可通過(guò)機(jī)械臂的位姿進(jìn)行調(diào)整噴嘴的位置。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了合理規(guī)劃自主沖塵的任務(wù)流程,控制系統(tǒng)需要將上下位機(jī)通訊和操作人員形成一個(gè)具有反饋調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)[11],如圖6所示。機(jī)器人信號(hào)傳輸采用無(wú)線遙控的方式,使得沖塵機(jī)器人的操作性大大提升。在整個(gè)控制系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),巷道沖塵機(jī)器人實(shí)時(shí)的工作場(chǎng)景和數(shù)據(jù)通過(guò)車體安裝的攝像頭、各類傳感器采集匯入至下位機(jī)進(jìn)行處理,再采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至上位機(jī),在與上位機(jī)相接的用戶界面中就能顯現(xiàn)出來(lái)。操作人員也可以根據(jù)接收到的信息進(jìn)行人工調(diào)整,并使用上位機(jī)進(jìn)行校正。例如,機(jī)器臂的位姿可以通過(guò)GUI界面有更為直觀的觀察,手動(dòng)調(diào)節(jié)各種參數(shù),上位機(jī)將指令傳達(dá)至下位機(jī),下位機(jī)準(zhǔn)確地驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的工作機(jī)構(gòu),同時(shí)也會(huì)繼續(xù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行反饋。

在能見(jiàn)度較低的地方運(yùn)用超聲波測(cè)距傳感器作為預(yù)警,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械臂末端與工作面的距離,避免出現(xiàn)觸碰障礙物的情況,選擇最優(yōu)距離獲得更好的沖塵效果。下位機(jī)是控制系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié),在接收從上位機(jī)的指令對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等元件進(jìn)行啟停控制時(shí),兼具了收集傳感器模擬信號(hào)的功能。比如,機(jī)械臂末端加裝粉塵監(jiān)測(cè)傳感器,能測(cè)出一定空間的粉塵濃度,將參數(shù)回饋至上位機(jī)。

圖6 控制系統(tǒng)Fig.6 Control System

5 應(yīng)用效果及結(jié)論

針對(duì)煤礦巷道除塵,人工除塵工作量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高的問(wèn)題,引入一些智能機(jī)器人技術(shù)設(shè)計(jì)出巷道沖塵機(jī)器人,滿足井下大部分除塵工作的要求,改了善井下惡劣的工作環(huán)境,有效地保障了職工的身體健康,杜絕了發(fā)生煤塵爆炸的危險(xiǎn)。

1)巷道沖塵機(jī)器人的最大行進(jìn)速度為4 m/s,噴頭出口的壓力為3.7 MPa,水流流速為2.1 m/s,單次作業(yè)運(yùn)行最大距離為8 km,水箱容積為2.2 m3。人工沖塵每天需要6人輪流作業(yè)才能滿足除塵要求,每人沖洗100 m的巷道至少花費(fèi)1 h。而巷道除塵機(jī)器人每小時(shí)可清理1.5 km的巷道,是人工清理的15倍,僅需要一人進(jìn)行地面監(jiān)控即可。并且巷道沖塵機(jī)器人采用精確沖塵的方式,有效避免了除塵作業(yè)后地面積水過(guò)多和減少水資源的浪費(fèi)。

2)用靈活性強(qiáng)的履帶式行走機(jī)構(gòu)代替了現(xiàn)有的輪軌式噴霧除塵車,能應(yīng)對(duì)井下復(fù)雜的地形,具有自主行進(jìn)的能力。

3)模仿人體手臂設(shè)計(jì)機(jī)械臂執(zhí)行噴水除塵的任務(wù),使用Robot toolbox驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性,模擬巷道沖塵機(jī)器人作業(yè)時(shí)機(jī)械臂末端的軌跡分析。

4)使用無(wú)線通訊的方式遠(yuǎn)距離遙控,經(jīng)過(guò)上位機(jī)信息處理傳至用戶界面,通過(guò)自主作業(yè)和人工操作并存的方式,既減少操作人員工作量,也能對(duì)突發(fā)事故進(jìn)行及時(shí)處理。