井下巷道冲尘机器人研究

文 彪,张瑞平

(山西大同大学 煤炭工程学院,山西 大同 037003)

粉尘是煤矿井下生产过程中的五大灾害之一。一方面,煤矿粉尘中的呼吸性粉尘吸入肺部可能引起尘肺病,对煤矿井下各作业点工人的身体健康造成巨大的威胁。目前,煤矿工人患尘肺的病例占到全国职业性尘肺病总量的一半以上,在各类煤矿安全事故中导致死亡的人数占到70%以上。在2021年的统计数据[1]中,我国累计报告职业性尘肺病例中,由于煤矿粉尘导致的尘肺病占到了50%以上。目前来说,针对尘肺病没有行之有效的治疗方案,对于人体肺部是一种不可逆的损伤。另一方面,粉尘会导致井下设备加速磨损,严重时可能引发粉尘爆炸,造成巨大的人员伤亡和经济损失。

目前,我国煤矿的降尘措施主要采用人工定期冲洗除尘。井下作业人员需要手持软管进行喷水冲尘,这种除尘方式对于作业人员的工作量是个不小的挑战,同时在人工冲尘中不可避免地吸入煤尘,影响了作业人员的身体健康。冲尘过程中往往需要3至4人协同作业才能进行工作。对于一些狭窄的巷道来说,冲洗工作妨碍正常的人员流通和运输效率降低,导致煤矿的生产效率受到一定程度的影响。即便投入如此大的人力作业,冲洗除尘效果也会随着人员的疲乏导致下降。在煤矿特殊的巷道中,冲洗作业人员无法展开工作,煤尘依然不能被有效的清除,从而使得井下煤尘含量居高不下,影响了煤矿的安全生产。

近年来,巷道冲尘车正逐步应用到井下,轮轨式巷道洒水冲尘车[2]运用于有轨巷道,由工人进行辅助冲尘,相较于传统人工冲尘,速度有所提升,但灵活性差,除尘效果难以保障。随着矿山智能化转型,巷道冲尘机器人的出现,能够弥补当前巷道除尘车难以解决的一些难题。

1 巷道冲尘机器人除尘要素和设计要求

煤矿巷道作为井下重要的人员、煤炭、电力、水源输送的渠道,巷道的安全性极大地影响着煤矿企业的生产效率。煤矿巷道存在可视性差,煤尘污染严重,空间较为狭小,地形复杂等一系列的问题[3]。煤尘不仅会导致井下人员极易患上尘肺病,而且可能会引起煤尘爆炸,或者造成仪器磨损和失灵,其危害不容小视。煤矿的巷道长度和空间各不相同,运输大巷可长至几千米,使得人工冲洗除尘的劳动强度巨大,除尘效果无法保证;个别小型巷道只有几百米,并且空间窄小,人工除尘作业难以展开。此外,对于复杂地形管道、设备上的积尘无法得到有效的清除。

我国煤监局出台的《煤矿机器人重点研发目录》[4]中,提到煤炭企业逐步实现对采、掘、机、运、支、安全等工作面的智能化,进一步推动煤矿机器人关键技术开发,实现井下各工种设备的协同工作,同时加强煤矿机器人的建设与投入使用,争取早日实现煤矿智能生产,以达到井下少人甚至无人增效的智能化矿山时代。根据其研发的目标,巷道冲尘机器人需要满足在巷道中无轨化自行移动,通过多种方式实现煤尘含量的精确测定,能够具备自动化完成冲洗作业[5]的能力,并且能够实现小范围的精确冲尘,对于煤尘含量不同的范围自主调节冲尘的参数,使其能更精细地完成除尘任务。

2 巷道冲尘机器人总体设计

巷道冲尘机器人总体设计如图1所示,主要由闭环式人机控制和机械结构两个部分组成。

机械机构主要包括行走机构、机械臂、喷水机构,由履带式行走机构控制除尘路径,机械臂调整冲尘位姿,喷水机构负责喷水除尘。

巷道冲尘机器人是为了实现代替工人在井下实现巷道除尘的目的,地面的操作人员在用户界面可以进行远程操控,控制器依靠上位机和下位机间的通讯实现机器人的各项功能运行。在进行冲洗巷道煤尘的过程中,上位机与下位机的无线通讯对巷道冲尘机器人行进路线、机械臂位姿变换,以及一定空间内的煤尘含量进行实时监控。对于已完成的工作区域,将目标完成度进行对比,将结果在控制用户界面显示。若发生机器人无法处理的事故,地面操作人员能够通过摄像机和监测数据进行针对性地调整。下位机接收到终端命令,通过上位机通讯完成指令,并且将重新监测的数据实时传输到用户界面进行反馈,从而实现闭环式人机控制。

3 机械结构设计

3.1 机械结构总体设计

巷道冲尘机器人机械结构由行走机构、机械臂和喷水机构组成。车体采用履带式行走机构,在履带式底盘上部安装水箱。巷道冲尘机器人机械臂具有5个自由度,控制箱位于机械臂基座后方,控制箱前端安装云摄像头,车体两端装配了照明系统和语音箱,机械臂末端载有超声波测距传感器及粉尘监测传感器。通过超声波测距传感器[6]和摄像头能够让地面操作人员观察到机器人所处环境和机械臂的位姿。

3.1.1行走机构

巷道冲尘机器人由于在井下面临不同的地形,需要其具有一定的越障能力。履带式行走机构是由左右两边的履带组成,中间有驱动系统,使用电机驱动驱动轮使其完成前进、后退、左右移动的位置变化,如图2所示。根据设计的水箱来看,巷道冲尘机器人需要具备稳定行驶能力和一定程度的承载力。采用履带式的行走方式有接地面积大,滚动阻力小,底盘结构稳定,运载能力强的优势。同时履齿与地面相互作用[7],使得整体机构抓地能力增强,不易打翻,越障能力高于其他行走机构,是目前为止较为适合的一种行走方式。

图2 履带式行走机构Fig.2 Crawler type walking mechanism

3.1.2机械臂设计

机械臂的设计对于整个机器人结构研发是首要的环节。考虑到井下有一些管道和电缆,机械臂能够比人工更为方便和精准的冲尘。在进行设计时遵循工业机器人的设计原则,考虑到实际的工作空间,机械臂自身的结构占用空间尽量寻优最小值,满足标定范围内的弹性变形约束和结构尺寸约束下使得整个系统重量最小。根据工艺性原则,要考虑容易制造,便于维修,简便装配的问题。不但要设计出合理的机构,整体的结构复杂程度恰当,并且减少加工和维修的成本,能够方便操纵。从高比强度材料选取原则来分析,为了满足最小惯量原则,机械手臂是一种运动性部件,需要一种轻量化的材料,从而减少机械臂自身运动造成的功率消耗。综合上述条件,本次设计采用硬铝材料为机械臂的主要材料,采用焊接式的空心管进行组装,同时将控制电机的电源线从管内穿过,目的是为防止电源线暴露在外部产生胶皮的破损或者由于导线缠绕机体对机械臂的运动造成阻碍。

在进行机械臂选型过程中,考虑到巷道冲尘机器人本身具有一定的移动能力,着重考虑机械臂末端执行机构在活动空间的位姿变化,因此使用了5自由度串联式关节[8]设计,具有5个旋转关节,如图3所示。通过调整关节角参数实现机械臂整体的位姿变换,选用旋转关节运动比起移动关节构型更为紧凑。5自由度能够保证机械臂具有更多的灵活性,对于复杂障碍物能产生更多的工作空间,也是机器人机构设计中常用的一种。

图3 5轴机械臂结构图Fig.3 Structure of five-axis manipulator

为了佐证机械臂运动学模型的合理性,使用MATLAB软件作机械臂运动仿真。使用Robot toolbox进行分析仿真,可以对机器人位姿有直观的展示,并且能够计算出机械臂轨迹运行的合理性。

由于井下的管线复杂,机械臂的活动空间受到限制。为了分析机械臂的末端机构所能到达的工作区域,采用蒙特卡洛法计算机械臂的工作空间。蒙特卡洛法采用了概率统计的数值计算法,由系统随机产生的关节角角度值,通过位置坐标生成三维空间点云图像,使得机械臂工作空间更加容易观察。设定随机角度个数为30 000,工具箱生成30 000个空间点的点云图,机械臂工作空间点云图如图4所示。

图4 机械臂空间点云图Fig.4 Point cloud image of manipulator

从图4可知,末端执行机构整体空间点内部分布均匀。由于机械臂基座后方安装控制箱,关节角角度有一定的限制,从而出现扇形空腔能够容纳控制箱。末端执行器位置最高点与基座在水平方向距离为4.55 m,工作空间垂直方向间距为5.90 m,机械臂的结构设计参数合理,能够完成巷道冲洗除尘的任务。

煤矿巷道管道和电缆使得机械臂需要进行合理的轨迹规划。图5仿真了机械臂末端初末位置运行轨迹,使用初末位置变换求逆解,从而得到相应的关节变量,用所求关节变量得出规划轨迹。从结果来看,运行轨迹顺滑、平稳,达到机械臂合理作业的要求。

3.2 喷水机构

喷水机构主要由水箱、驱动电机、输送软管、喷嘴组成。

巷道冲尘机器人的喷水机构主要执行除尘冲洗任务,能够根据实际的作业设定除尘参数(喷嘴的流量和水流距离),通过下位机端口串联驱动电机,用来进行电机的启动和调速。密闭水箱容积主要通过洒水距离、洒水量和洒水时间决定[9]。考虑到巷道冲尘机器人在井下无人化除尘作业,为了避免出现冲尘过程中水箱内的存水量低于工作水位而出现电机损坏的事故,应当安装水位控制器在水箱的底部[10]。在实际水量少于正常工作水量时,能够自动切断电机电源并且对上位机的用户界面发出预警。

图5 机械臂轨迹规划Fig.5 Trajectory planning of manipulator

实施喷水作业时,首先由控制器接收到信号启动开关,通过抽水泵从水箱通过软管传输,最后通过喷嘴进行喷水作业。调整出水的流量时,由减速器降低电机转速,扭矩变大,从而得到更大的吸力,喷嘴出水量增多。喷水过程中可通过机械臂的位姿进行调整喷嘴的位置。

4 控制系统设计

为了合理规划自主冲尘的任务流程,控制系统需要将上下位机通讯和操作人员形成一个具有反馈调节的闭环系统[11],如图6所示。机器人信号传输采用无线遥控的方式,使得冲尘机器人的操作性大大提升。在整个控制系统启动时,巷道冲尘机器人实时的工作场景和数据通过车体安装的摄像头、各类传感器采集汇入至下位机进行处理,再采用无线传输的方式发送至上位机,在与上位机相接的用户界面中就能显现出来。操作人员也可以根据接收到的信息进行人工调整,并使用上位机进行校正。例如,机器臂的位姿可以通过GUI界面有更为直观的观察,手动调节各种参数,上位机将指令传达至下位机,下位机准确地驱动相应的工作机构,同时也会继续对现场环境进行反馈。

在能见度较低的地方运用超声波测距传感器作为预警,实时监测机械臂末端与工作面的距离,避免出现触碰障碍物的情况,选择最优距离获得更好的冲尘效果。下位机是控制系统的中心环节,在接收从上位机的指令对电机驱动器等元件进行启停控制时,兼具了收集传感器模拟信号的功能。比如,机械臂末端加装粉尘监测传感器,能测出一定空间的粉尘浓度,将参数回馈至上位机。

图6 控制系统Fig.6 Control System

5 应用效果及结论

针对煤矿巷道除尘,人工除尘工作量大、劳动强度高的问题,引入一些智能机器人技术设计出巷道冲尘机器人,满足井下大部分除尘工作的要求,改了善井下恶劣的工作环境,有效地保障了职工的身体健康,杜绝了发生煤尘爆炸的危险。

1)巷道冲尘机器人的最大行进速度为4 m/s,喷头出口的压力为3.7 MPa,水流流速为2.1 m/s,单次作业运行最大距离为8 km,水箱容积为2.2 m3。人工冲尘每天需要6人轮流作业才能满足除尘要求,每人冲洗100 m的巷道至少花费1 h。而巷道除尘机器人每小时可清理1.5 km的巷道,是人工清理的15倍,仅需要一人进行地面监控即可。并且巷道冲尘机器人采用精确冲尘的方式,有效避免了除尘作业后地面积水过多和减少水资源的浪费。

2)用灵活性强的履带式行走机构代替了现有的轮轨式喷雾除尘车,能应对井下复杂的地形,具有自主行进的能力。

3)模仿人体手臂设计机械臂执行喷水除尘的任务,使用Robot toolbox验证设计参数的合理性,模拟巷道冲尘机器人作业时机械臂末端的轨迹分析。

4)使用无线通讯的方式远距离遥控,经过上位机信息处理传至用户界面,通过自主作业和人工操作并存的方式,既减少操作人员工作量,也能对突发事故进行及时处理。