井下胶带机道自动巡检机器人的研究与应用

张 永，赵 伟

(枣庄矿业集团新安煤业有限公司，山东 枣庄 277642)

随着我国人口老龄化程度加剧，企业减员提效政策的实施，迫切需要开展胶带机巡检的智能化研究。针对胶带机巡检面临的劳动力减少及传统检测手段缺失的问题，探索通过机器人技术辅助人工巡检或者代替人工巡检，在减轻基层员工劳动强度的同时，也降低人工巡检的安全风险，实现有效、可靠巡检，能够有效提升煤矿企业的本质安全管理水平。随着科学技术的快速发展，越来越多的机器人出现在我们身边，像变电站巡检机器人、安防机器人、石化领域应用的灭火侦查机器人无不映射着科技的魅力[1-3]。2019年，政府工作报告中提出了“智能+” 的重要战略，这是“智能+”首次写入政府工作报告，却已是人工智能连续3年被写入政府工作报告，也反映出国家在推动智能化发展中拥有的决心。国家煤矿安全监察局也提出要大力发展和推广在煤矿井下等易爆危险场所应用具备巡检、勘察、探测等功能的机器人，以代替人工，降低劳动风险和强度，提高劳动效率。巡检机器人不仅能将巡检员从恶劣的工作环境中解脱出来，减轻工人的劳动强度，而且能提高巡检质量，实现设备保护由点监护提升到面监护，对设备故障进行超前预控，减少设备停机时间，降低机电事故造成的经济损失，延长设备使用寿命，创造可观的经济效益，对煤矿安全生产具有重大意义[4-6]。另外，矿用巡检机器人在矿山应用后，能够有效减轻基层员工的劳动强度和人员需求，对矿山“减员提效”提供支撑，同时能有效提升煤矿企业的本质安全管理水平，对煤矿工业机器人的技术革新具有重要的理论研究价值和现实意义。

1 研究方法及技术路线

(1)研究方法[7-9]。①通过对机器人系统硬件的研发，使之具备无线通信系统、设备的稳定发电供电系统、现场声音采集系统、可见光及热成像检测系统、多气体检测装置。②通过对上位机软件的研发，使之具备监控部分、声音采集部分、视频分析部分、历史报表部分、数据存储部分。③通过对机器人硬件设备的研究、机器人机软件开发，组成整体机器人系统，使机器人能够代替人在胶带机道进行巡检。

(2)技术路线[10-12]。①对新安煤矿实际情况进行分析，设计科学合理的技术方案。②调研论证井下胶带机道自动巡检机器人技术方案的可行性。③进行理论分析和设计，样机生产、调试、优化。④技术方案的现场实施。研究技术路线如图1所示。

图1 研究技术路线Fig.1 Research technical route

2 井下胶带机道自动巡检机器人系统

系统主要由机器人本体、基站、轨道系统、远程控制站组成[13-15]。井下胶带机道自动巡检机器人系统如图2所示。

图2 井下胶带机道自动巡检机器人系统Fig.2 Automatic inspection robot system for underground belt conveyor track

2.1 巡检机器人本体设计

巡检机器人本体设计有本安双视云台摄像机(含红外热像仪、可见光摄像机、补光灯)、避障传感器、天线、前置摄像机、RFID、补光灯等，能够自动沿轨道往复移动，对煤矿生产设备及生产环境进行全方位监测。巡检机器人本体实物如图3所示。

图3 巡检机器人本体实物Fig.3 Physical inspection robot body

2.2 无线基站

无线基站主要包括无线设备模块、定向天线、馈线等[16-18]，搭建无线通信网络平台，实现整个系统中上位机与巡检机器人本体之间的信息传输，也允许符合国际标准的其他无线设备接入网络。无线基站实物如图4所示。

图4 无线基站实物Fig.4 Wireless base station

2.3 机器人运行轨道

机器人运行轨道采用标准8号工字钢轨道，高度80 mm，宽度50 mm，腹板厚度5 mm，单根轨道长度6 m，单重8.33 kg/m，长度以及轨道弯曲角度依据现场情况调整，并实施不同安装方案。机器人运行轨道如图5所示。

图5 机器人运行轨道示意Fig.5 Robot running track

2.4 巡检机器人控制软件

巡检机器人控制软件用于巡检机器人采集信息的显示、报警、存储、查询及智能化学习和分析处理。工作站界面由系统、控制、查询、配置等部分组成，程序启动后，通过选择菜单栏，可进入相应的界面，实现机器人远程控制。

3 井下胶带机道自动巡检机器人设计

3.1 自发电设计

发电机机构组件主要由驱动支架、发电机、主动轮、从动轮和减速器组成，主动轮和从动轮安装在驱动支架上，与减速器组成伺服轮结构，发电机输出轴安装有小齿轮，与减速机啮合[19-20]。巡检机器人工作时，主动轮和从动轮分别位于轨道的两侧并将轨道夹紧，在钢丝绳牵引下，主动轮与轨道摩擦转动，变速后带动发电机旋转，输出电能。发电机设计安装在防爆箱体内，满足矿用防爆技术要求。发电机机构组件如图6所示。

3.2 控制及传感器技术设计

机器人本体核心包括：机器本体控制单元、外围传感器、高亮度补光灯、发电管理系统、无线通信模块、本安双视云台等关键部分。控制及传感器技术如图7所示。

图6 发电机机构组件Fig.6 Generator mechanism components

图7 控制及传感器技术Fig.7 Control and sensor technology

3.3 上位机软件设计

上位机软件设计流程如图8所示。

图8 上位机软件设计流程Fig.8 Design process of host computer software

上位机软件主要包括登录模块、主监测界面模块、数据分析模块、调试升级模块、设备信息模块、历史报表模块。

(1)采用MODBUS TCP通信协议与井下胶带智能机器人进行远程通信，实现机器人控制、实时采集显示机器人运行数据功能。

(2)实现机器人可见光图像、红外热成像图像的实时采集、显示、实现云台摄像机控制、抓拍、录像、语音对讲等功能。

(3)通过可见光摄像机实时采集现场胶带机设备工作是否异常，对于超限运行的设备，及时发出语音报警提示。

(4)实现有毒有害气体浓度显示、分析、报警。

4 系统优点及功能

4.1 系统优点

(1)机器人轨道系统采用标准工字钢型材，首尾通过特殊的锁扣进行连接，使机器人运行更加平稳。轨道连接处采用柔性吊挂方式与巷道顶板或侧壁进行连接，避免了巷道受地压变形时对轨道产生影响。

(2)机器人本体搭载多传感器，高清摄像仪、红外热像仪、拾音器、避障传感器、多参数气体测定仪、烟雾传感器，确保机器人巡检过程的高效及全面性。

(3)高效稳定的无线通信网络。通过数台防爆无线基站均匀地分布在胶带沿线，每台基站通过光纤进行串联，最终与地面工作站连接在一起，组成一个网络系统。为了避免井下高湿度对无线信号的影响，机器人本体采用双天线设计，有效提升了无线信号的连接质量和基站之间的切换速度。

(4)智能的地面控制及分析系统。该系统主要以工作站作为支撑，结合机器人现场采集的信息，通过“视”、“听”、“觉”全方位地对现场设备进行智能分析保护，同时能将分析后的数据传递到上级管理部门，实现数据信息共享，胶带机各项保护更立体化、全面化，有效缩短设备的非正常停机时间，提升吨煤效益。

4.2 系统功能

(1)智能分析：通过音频、视频、相关传感器等设备，丰富机器人自身的识别功能，基于大数据分析预警技术，对煤矿设备运行故障超前预判、预警，减少故障停机时间。在胶带巡检应用中，可与固定值守机器人相配合，为设备提供更完善的监控。智能分析如图9所示。

图9 智能分析Fig.10 Intelligent analysis

(2)具备音频异常分析功能，如电机、轴承等，音频异常报警。

(3)具备双向对讲功能，满足远程人员指挥、警告现场作业人员。

(4)具备语音智能提示功能，远程端、机器人本体端都具备语音智能提示，如警告人员避让、设备异常、自身异常报警提示等。

5 效益分析

5.1 经济效益

巡检人员按4班3运转配置，井下每条胶带最少需要4名巡检工，年工资总和40万元左右，加上操作用工具、其他办公耗材等费用，每年人工巡检的费用约50万元。如果推行使用巡检机器人，将大大降低巡检工人数量，为煤矿带来可观的效益。同时，机器人实施后，可以有效对故障进行预判，降低重大事故发生概率，同时能有效缩短设备非正常停机时间，经济效益巨大。

5.2 社会效益

项目开发成功后，不仅能大量减少人工费用，同时可与设备控制系统融为一体，将点保护变为面保护，大大提高生产效率和设备运行的可靠性、安全性，提升了矿山的智能化水平，还能提升集团公司装备制造的核心竞争力。

6 结语

巡检机器人可以代替巡检工定时、定点、高质量地完成井下设备的日常巡检任务，机器人本体吊挂于轨道在巷道内往复运行，模拟巡检工井下巷道行走，巡检机器人搭载多种传感器，实时采集巡检现场的图像、声音、红外热像及温度数据、烟雾、多种气体浓度参数等信息，不仅模拟实现巡检工巡检作业时的“望、闻、问、切”，而且将传统的无法复现记录和不能准确量化对比的人工感官现象，以图像、声音和准确的数据实时归类存储，便于故障问题的查询复现。巡检机器人在完成巡检工日常巡检任务的基础上，增加了强大的智能化大数据分析功能，它将采集到的数字化信息采用智能感知关键技术算法进行深入处理，综合分析、准确判断设备当前运行状态，并基于大数据分析预警技术，对煤矿设备运行故障超前预判、预警，减少故障停机时间。巡检机器人不仅能将巡检员从恶劣的工作环境中解脱出来，大量减少人工费用，同时可与设备控制系统融为一体，将点保护变面保护，大大提高生产效率和设备运行的可靠性、安全性，提升了矿山的智能化水平外，提升集团公司装备制造的核心竞争力，对煤炭安全生具有重要的战略意义。

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