薛春榮，李小波

(1.煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)警與防控國家礦山安全監(jiān)察局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

礦井火災(zāi)、瓦斯爆炸事故后，災(zāi)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)溫度高，粉塵濃度大，巷道內(nèi)充滿爆炸性氣體以及高濃度CO等有毒有害氣體，礦井環(huán)境不穩(wěn)定，隨時(shí)有可能發(fā)生二次爆炸，救護(hù)人員不能貿(mào)然進(jìn)入災(zāi)區(qū)。因此，亟需一種能夠代替救援人員進(jìn)入到受災(zāi)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，為救援人員、救援指揮人員進(jìn)行決策和精準(zhǔn)施救提供現(xiàn)場(chǎng)有效數(shù)據(jù)[1-4]。目前，國內(nèi)外煤礦救災(zāi)機(jī)器人的研究取得了豐碩的成果，出現(xiàn)了各種不同形式的救災(zāi)機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)[5-9]，但現(xiàn)有無線通信救災(zāi)機(jī)器人需要救援人員在近距離可視范圍內(nèi)進(jìn)行遙控操作，無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)程操控，因?yàn)槊旱V井下的無線通信信號(hào)在巷道內(nèi)傳播特性不同于地面，在煤礦井下特殊空間及多變工作環(huán)境下無法滿足高吞吐速率、遠(yuǎn)距離可靠穩(wěn)定傳輸?shù)刃枨骩9-12]，尤其是隨著救災(zāi)機(jī)器人的行走距離增加，無線信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)跫案蓴_增多，就會(huì)造成遙控信息的缺失，使得救援人員不能對(duì)受災(zāi)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)、全面的探測(cè)[13，14]。

其次，由于災(zāi)后地面環(huán)境極其復(fù)雜，多為非結(jié)構(gòu)路面，往往存在很多細(xì)石瓦礫、障礙物，對(duì)礦用探測(cè)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的要求非?？量?。但履帶行走裝置具有驅(qū)動(dòng)力大、接地比壓小、底盤穩(wěn)定性好、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小以及對(duì)各類底板適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[15，16]，因此，本文設(shè)計(jì)一種越障能力強(qiáng)、遠(yuǎn)距離通信可靠的救援探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)，可在災(zāi)區(qū)探測(cè)作業(yè)，能有效地保護(hù)救援人員，提高救援效率。

1 救援探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 救援探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)組成

救援探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)組成如圖1所示，該系統(tǒng)由遙控器服務(wù)器、救援探測(cè)機(jī)器人組成。救援探測(cè)機(jī)器人由遙控服務(wù)器遙控，可實(shí)現(xiàn)各類有毒有害氣體濃度，及清晰圖像信息采集，可輔助或代替救援人員對(duì)煤礦事故危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行探測(cè)。

圖1 礦用探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)

1.2 救援探測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)

救援探測(cè)機(jī)器人是負(fù)責(zé)救援事故現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)狀況的探測(cè)，主要是由履帶移動(dòng)平臺(tái)、自動(dòng)收放線裝置、升降式環(huán)境信息采集單元、視頻采集單元等組成。

1)履帶移動(dòng)平臺(tái)，由履帶行走裝置、防爆動(dòng)力電源、驅(qū)動(dòng)控制單元、防爆殼體等組成，履帶式行走裝置主要的組成部分為48 V/3 kW的直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、克里斯蒂懸掛履帶行走機(jī)構(gòu)。防爆動(dòng)力電源，由17塊100 Ah磷酸鐵鋰蓄電池組串聯(lián)，額定電壓48 V，為提高電池組的安全性，成組設(shè)計(jì)的單體電池并聯(lián)二極管，支路輸出端串聯(lián)二極管、過流熔斷電阻。同時(shí)電源配置電池管理系統(tǒng)(BMS)，具有電池充放電策略管理、電池組溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)、單體電池電壓和電流檢測(cè)、SOC估計(jì)等功能。驅(qū)動(dòng)控制單元，采用GX48-150伺服驅(qū)動(dòng)器與西門子PLCS7-200構(gòu)成驅(qū)動(dòng)控制單元，具有速度傳感器矢量控制功能，可實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的精確控制。

2)自動(dòng)收放線裝置，主要由直流電機(jī)+行星輪減速器與鏈輪固聯(lián)帶動(dòng)繞線盤正反轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)線纜的收放。為了使線纜能規(guī)則舒展的卷繞在線盤上，設(shè)計(jì)鏈輪絲杠排線裝置與電動(dòng)導(dǎo)軌式的彈力張緊裝置，排線裝置的絲杠導(dǎo)程約為線纜的直徑。卷線裝置收放線時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)繞線盤轉(zhuǎn)動(dòng)，電纜在隨著機(jī)器人的移動(dòng)自動(dòng)收放，收放速度通過電動(dòng)導(dǎo)軌式的彈力張緊裝置的張緊力反饋?zhàn)詣?dòng)控制收放線速度。

3)升降式環(huán)境信息采集裝置，由電動(dòng)推桿式升降裝置和氣體傳感器組成。電動(dòng)推桿式升降裝置可升降高度為1.5 m，可有效的采集不同高度的氣體濃度。包括二氧化硫、二氧化氮、硫化氫、一氧化碳、溫度、煙霧傳感器，數(shù)據(jù)通過485有線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭b控器服務(wù)器進(jìn)行顯示與報(bào)警，同時(shí)也具有本地顯示，超限聲光報(bào)警功能。

4)視頻采集單元，包括3臺(tái)可見光/紅外攝像儀和1云臺(tái)攝像儀，用于實(shí)時(shí)采集監(jiān)控光纜卷線裝置的工作狀態(tài)、機(jī)器人行走的路況信息、事故救援現(xiàn)場(chǎng)圖像等，其中，所有攝像儀通過網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議傳輸。

1.3 遙控服務(wù)器設(shè)計(jì)與測(cè)試

遙控服務(wù)器主要包括硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要由本安電源、主板、數(shù)據(jù)采集卡、顯示屏、本安光電交換機(jī)等組成。軟件系統(tǒng)采用力控組態(tài)軟件(ForceControl)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、設(shè)備通訊服務(wù)程序、網(wǎng)絡(luò)通訊程序、HMI畫面、SDK接口、Web應(yīng)用服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)等功能模塊，便于救援探測(cè)機(jī)器人遙控軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。

遙控服務(wù)器通過3 km光纜(MGTBV(2～12)B鎧裝防爆光纖，直徑8 mm)與救援探測(cè)機(jī)器人進(jìn)行有線通信。實(shí)現(xiàn)遙控制指令傳輸、狀態(tài)指示、數(shù)據(jù)顯示、畫面顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等應(yīng)用功能。首先，顯示界面上能實(shí)時(shí)顯示救援探測(cè)機(jī)器人采集的各種信息及數(shù)據(jù)，包括現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像、溫度數(shù)據(jù)、氣體濃度數(shù)據(jù)和各種報(bào)警信息等。其次，救援探測(cè)機(jī)器人所有的視覺圖像、音頻等感知信息均在遙控服務(wù)器上進(jìn)行分析處理。如救援探測(cè)機(jī)器人設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，救援探測(cè)機(jī)器人和遙控服務(wù)器均會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，提示救援隊(duì)員。通過遙控服務(wù)器能夠形成實(shí)時(shí)報(bào)警記錄、歷史報(bào)警記錄并存入數(shù)據(jù)庫中。

最后，通過對(duì)系統(tǒng)遙控通信質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，通信線纜收放正常，四路圖像清晰連續(xù)，環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸正常，系統(tǒng)整體通信信號(hào)穩(wěn)定可靠，運(yùn)行1小時(shí)數(shù)據(jù)平均延時(shí)小于37 ms，滿足通信要求。

2 救援探測(cè)機(jī)器人的防爆設(shè)計(jì)

防爆設(shè)計(jì)是爆炸性環(huán)境作業(yè)機(jī)器人區(qū)別于其他行業(yè)機(jī)器人的本質(zhì)特征，煤礦環(huán)境對(duì)防爆設(shè)計(jì)的要求最為嚴(yán)格。因此，救援探測(cè)機(jī)器人需滿足《煤礦安全規(guī)程》和《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備》(GB/T3836—2021)的防爆要求[17]。

2.1 救援探測(cè)機(jī)器人本安設(shè)計(jì)

救援探測(cè)機(jī)器人本安設(shè)計(jì)主要就是本安部件的本安供電及相關(guān)本安信號(hào)的隔離設(shè)計(jì)。主要包括本安攝像儀、云臺(tái)攝像儀、氣體傳感器、溫濕度傳感器、聲光報(bào)警器等。本安攝像儀/云臺(tái)攝像儀視頻數(shù)據(jù)信號(hào)，采用萬維的IT-NET本安信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換模塊隔離，氣體傳感器、溫濕度傳感器、聲光報(bào)警器等485本安信號(hào)采用萬維的IT-COM信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換模塊隔離。本安部件供電模塊選擇與無錫煤科本安參數(shù)(電容、電感、電壓)相匹配的本安電源模塊，且放置于隔爆腔中。

2.2 殼體隔爆設(shè)計(jì)

隔爆殼體應(yīng)能夠承受通過外殼任何接合面或結(jié)構(gòu)間隙滲透到外殼內(nèi)部的可燃?xì)怏w混合物在內(nèi)部爆炸而不損壞，并且不會(huì)引起外部的爆炸性環(huán)境的點(diǎn)燃。救援探測(cè)機(jī)器人履帶移動(dòng)平臺(tái)、升降式環(huán)境信息采集裝置、自動(dòng)收放線裝置均采用隔爆設(shè)計(jì)，隔爆結(jié)合面主要采用圓筒隔爆面和平面隔爆面。

圖2 履帶驅(qū)動(dòng)輪隔爆結(jié)構(gòu)示意

本研究以復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)輪隔爆設(shè)計(jì)為例，在殼體側(cè)壁高為40 mm凸緣加工安裝階梯套的安裝孔和法蘭面，保證螺紋孔不穿透殼體。階梯套與殼體安裝孔過盈配合，與驅(qū)動(dòng)軸間隙配合，階梯套內(nèi)圓柱面與驅(qū)動(dòng)軸形成圓筒隔爆接合面，隔爆面長(zhǎng)19.5 mm，間隙0.04 mm。階梯套采用無火花的合金銅材料制作，驅(qū)動(dòng)軸與階梯套采用旋轉(zhuǎn)密封圈(銅合金)。階梯套與外殼法蘭采用平面隔爆面，隔爆面長(zhǎng)23 mm，間隙0.4 mm。移動(dòng)平臺(tái)的隔爆外殼材質(zhì)為Q345鋼板焊接而成，有三個(gè)隔爆腔組成，其中電機(jī)腔能承受1 MPa，電池腔能承受1.5 MPa，接線腔能承受1.5 MPa，加壓時(shí)間為(10+20)s 的靜壓試驗(yàn)。

3 救援探測(cè)機(jī)器人越障分析

救援探測(cè)機(jī)器人應(yīng)具備較強(qiáng)的爬坡越障能力，以適應(yīng)煤礦非結(jié)構(gòu)環(huán)境，而影響其爬坡越障性能的重要因素之一是機(jī)器人的重心位置分布，因此需要對(duì)其分析設(shè)計(jì)[18]。

3.1 救援探測(cè)機(jī)器人越障運(yùn)動(dòng)分析

救援探測(cè)機(jī)器人從動(dòng)輪履帶首先接觸到臺(tái)階尖角，在驅(qū)動(dòng)輪的推動(dòng)與支撐輪的支持力、摩擦力的共同作用下慢慢爬上臺(tái)階，前輪(從動(dòng)輪)位置隨之升高，救援探測(cè)機(jī)器人從接觸臺(tái)階障礙物到完全越過的過程如圖3所示。

圖3 救援探測(cè)機(jī)器人越障過程示意

救援探測(cè)機(jī)器人越障時(shí)，主要應(yīng)該考慮其機(jī)體重心是否可以適應(yīng)障礙物[19，20]，及越障時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩受其機(jī)體仰角變化規(guī)律，建立其受力分析模型(如圖4)。

式中，F(xiàn)f1，F(xiàn)f2為探測(cè)機(jī)器人受到地面摩擦力，N；FN1，F(xiàn)N2為探測(cè)機(jī)器人受到地面的支撐力，N；G為探測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)重力，N；T為探測(cè)機(jī)器人輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；μ為摩擦系數(shù)，取μ=0.5[21]；L為引導(dǎo)輪與驅(qū)動(dòng)輪中心距，m；β為探測(cè)機(jī)器人仰角，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，(°)；R為探測(cè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪半徑，m。

圖4 救援探測(cè)機(jī)器人受力情況

整理式上式可得救援探測(cè)機(jī)器人電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與車體仰角β的函數(shù)關(guān)系：

T=(Ff2sinβ+FN2)Lcosβ-G(Lxcosβ-

Lysinβ)-Ff2cosβLsinβ

式中，(Lx，Ly)為機(jī)身的重心位置。

繪制救援探測(cè)機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨車體仰角β變化曲線如圖5所示，探測(cè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩受仰角影響，即仰角越大，其所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨救援探測(cè)機(jī)器人仰角變化曲線

由于重心(質(zhì)心)難以測(cè)量，因此采用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。其中探測(cè)機(jī)器人處于仰角β=23°時(shí)，取得最大轉(zhuǎn)矩值，Tmax=367 N·m 。通過分析，3 kW驅(qū)動(dòng)電機(jī)+ZPLE120行星齒輪減速機(jī)最大輸出力矩達(dá)380 Nm，能夠滿足越障需求。

3.2 救援探測(cè)機(jī)器人越障實(shí)驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)分析，對(duì)救援探測(cè)機(jī)器人越臺(tái)階障礙時(shí)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩變化進(jìn)行分析。選取高度為22 cm的水泥臺(tái)階進(jìn)行越障實(shí)驗(yàn)，初始路面為水泥硬化路面，完成路面為草坪，越障性能測(cè)試如圖6所示。在實(shí)際越障過程中，采集驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流，通過力矩與電流的數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出力矩，并繪制曲線如圖7所示。

圖6 越障性能測(cè)試

注：a表示準(zhǔn)備爬臺(tái)階，仰角β=0增大；b表示在爬升臺(tái)階，仰角β增大；c表示在臺(tái)階上方，仰角β減小；d表示完成臺(tái)階爬越 仰角β=0增大

由圖7可知：2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變化趨勢(shì)是基本相同。通過對(duì)a階段分析，由于在測(cè)試過程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)1側(cè)的履帶最先接觸臺(tái)階，導(dǎo)致救援探測(cè)機(jī)器人向受力小的一側(cè)偏轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)2的力矩在時(shí)間上有一定滯后性，在b階段越障過程中力矩逐漸增大，當(dāng)重心越過臺(tái)階的支點(diǎn)后，救援探測(cè)機(jī)器人的車頭就急劇下落，電機(jī)的力矩也急劇變小(如c階段)，最后完成越障，平穩(wěn)地在草坪上行走，此時(shí)的力矩比初始在水泥路面大。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，救援探測(cè)機(jī)器人能順利爬越22 cm高的階障礙物，越障時(shí)電機(jī)的力矩與理論分析基本一致。

4 結(jié) 論

1)針對(duì)煤礦救援探測(cè)機(jī)器人在受限空間救援探測(cè)過程中，通信不穩(wěn)定性、以及非結(jié)構(gòu)環(huán)境的越障性能問題。研制了具有自動(dòng)跟隨收放通信光纜功能的履帶式救援探測(cè)機(jī)器人及遙控服務(wù)系統(tǒng)。具體分析了救援探測(cè)機(jī)器人越障過程中力矩與仰角的關(guān)系，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明越障過程中仰角越大，需要的電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩越大。

2)對(duì)救援探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，救援探測(cè)機(jī)器人可順利通過22 cm高的臺(tái)階，3 km通信光纜收放正常，運(yùn)行1 h數(shù)據(jù)平均延時(shí)小于37 ms，四路圖像清晰，環(huán)境檢測(cè)輸數(shù)據(jù)傳輸正常，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定。