矿用皮带机智能巡检机器人的分析与应用

韩学敏

（晋能控股煤业集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司，山西 大同 037000）

1 项目概况

当前，我国大部分煤矿对皮带机中托辊状况的传统巡检主要靠人工，皮带太长，巡检工作量大，人工手持测温仪、测振仪进行巡检发现问题不及时，存在着重大设备安全隐患。在目前的工业化生产中，矿用皮带机常见故障包括：皮带断裂、跑偏、打滑、托辊卡死以及运载物自燃等，当皮带机出现故障时，不仅影响煤矿运输系统的效率，更会对工人生命安全造成威胁。因此对皮带机运输状态的实时监测成为企业共同关注的问题。当前虎龙沟煤矿井下工作面皮带机的巡检方式仍以人工巡视为主，这种方式主要依靠巡视工人的感官来对皮带机状态进行判断，巡检效率低、成本高，而且依赖于工人的主观判断，可靠性差。因此，设计一种用于矿用皮带机的智能巡检机器人，对皮带机实现智能巡检。

2 矿用皮带机的智能巡检机器人的分析

2.1 结构分析

针对虎龙沟煤矿皮带运输机的情况，提供了一种智能巡检机器人，该装置的结构如图1 所示，主要包括壳体、旋转云台、导轨、测试单元、全景相机、5G CPE 设备、主动轮、伺服电机、从动轮、RFID 标签读卡器等部件。

从图1 可知，智能巡检机器人装置壳体底部设置有旋转云台，顶部通过行走单元与导轨相连，内部设置有控制单元，导轨沿矿用皮带机的机架设置，在旋转云台的两侧各设置一套测试单元，分别对两个托辊进行图像、转速和声音检测，旋转云台通过旋转，调整测试单元与对应托辊之间的相对位姿，实现日常检测和对故障位置的进一步检测，行走单元用于控制智能巡检机器人沿导轨移动[1-3]。

图1 智能巡检机器人结构示意图

旋转云台包括倒T 形支架，倒T 形支架中横杆与导轨平行设置，其两端各设置一个安装座，安装座与第一电动机的输出轴相连，其表面设置有测试单元，第一电动机用于带动安装座连同其上的测试单元绕X 轴的正方向或者负方向旋转，从而使测试单元朝向各自对应的托辊旋转，实现日常检测。

倒T 形支架中竖杆的自由端与第二电动机的输出轴相连，第二电动机用于带动整个倒T 形支架绕Z 轴方向旋转，从而调整测试单元与对应托辊在Y轴方向的距离，实现对故障位置的进一步检测。

壳体内部还设置有避障模块和通讯模块，所述避障模块设置为全景相机，所述通讯模块设置为5G CPE 设备，所述全景相机的摄像头朝向智能巡检机器人的前进方向，对应壳体上的位置设置有玻璃窗口，用于对前进方向的障碍物进行拍摄，所述5GCPE设备用于实现智能巡检机器人与监控系统之间的通讯，在所述壳体的顶部还设置有报警器。

导轨采用工字钢结构，包括处于中间的竖板以及与之垂直相连的上横板和下横板，行走单元包括两个主动轮，主动轮分别设置在工字钢两侧的凹槽内，其中心的传动轴均与对应的伺服电机的输出轴相连，伺服电机的输出轴和竖板之间的垂直距离小于主动轮的半径，从而确保主动轮的表面紧压竖板，在伺服电机的带动下沿竖板表面移动。

竖板与主动轮的接触面设置为摩擦面，沿所述上横板架设有供电滑触线装置。位置确认模块用于对智能巡检机器人的行走位置进行复测，包括沿所述导轨均匀间隔黏贴的RFID 标签，以及在壳体上设置的RFID 标签读卡器，RFID 标签均设置有对应其所在位置的位置信息。

2.2 工作原理

智能巡检机器人进行巡检时，监控系统下达巡检任务，机器人沿导轨匀速行驶，通过旋转云台调整两个测试单元的角度，使其分别向上和向下朝向对应的上下托辊旋转，利用可见光相机、红外相机进行实时图像采集，利用拾音器对皮带机的运行声音实时捕捉，利用激光测试器进行转速检测，检测数据通过5G CPE 设备传输至监控系统的上位机。如拾音器捕捉到异常音频信号，为了进一步确认异常来源，随即伺服电机控制旋转云台左右转动，第一电动机或者第二电动机也可以带动对应测试单元进行微调，使测试单元更加靠近异常位置，然后，可见光相机、红外相机、激光测速仪随即对准该托辊进行监测，红外相机监测出温度异常，激光测速器检测出速度异常，上位机收到异常信号，发出危险预警信息，相关人员立即对该位置托辊进行检修，待问题处理完成，异常信号消失，巡检机器人继续完成下达的巡检任务。行驶途中还可监测沿途生物活动轨迹，当人或者动物靠近皮带机时，通过全景相机采集图像，进行图像处理后，立即发出危险警示，提示或驱赶生物远离皮带机，保障皮带机安全运行。

2.3 巡检方法

步骤一：借助多个从动轮，将智能巡检机器人悬挂于导轨上，微调从动轮和主动轮与导轨的相对位置，如主动轮可以紧压导轨的竖板，每个从动轮在导轨的横板的位置基本一致，确保后续行走顺畅；

步骤二：通过伺服电动机带动智能巡检机器人沿导轨移动，通过第一电动机调整对应测试单元的角度，使其各自朝向矿用皮带机中成对出现的两个托辊转动，记录测试单元正对托辊时的角度，在后续的测试中保持该角度不变。为了确保对每个托辊的检测角度都一致，导轨要尽量平行于矿用皮带机中成对出现的两个托辊的中心线设置，即平行于机架设置。

步骤三：开启测试单元对托辊的转速、声音和图像进行日常检测，开启全景相机对智能巡检机器人前方的障碍物进行检测，并通过5G CPE 设备上传至监控系统；

步骤四：若监控系统通过分析发现转速、声音或者图像信息中有异常状况，下发指令给智能巡检机器人，通过第二电动机带动对应的测试单元向靠近托辊的方向转动，使其对故障位置做进一步的检测，再上传至监控系统做最终处理。

2.4 特点分析

该装置利用配备红外热成像仪、拾音器、高清摄像头、激光测速器等代替人工匀速沿线巡检，实时上传检测数据，通过逻辑运算预测设备故障发出预警，提醒相关人员及时检查检修故障设备，提高设备的运行可靠性，大大提高了巡检可靠性，节省了成本，同时，这种通过将计算机视觉、各类传感器搭载于控制箱，利用无线网桥传输，集成于一体的智能巡检机器人满足了企业的需求。

3 实践应用及效果

虎龙沟煤矿主斜井巷道断面宽×高=6 m×4.8 m，腰线高1.8 m，采用ST/S5400 型皮带运输机，机长180 m，倾角14.5°，提升高度55 m，带宽1 800 mm，最高带速5.0 m/s。ST/S5400 型皮带机在以往主要有皮带断裂、跑偏、打滑、托辊卡死、煤料自燃等故障，人工巡视效率低下，问题发现不及时。采用智能巡检机器人巡视后，机器人搭载有5G CPE 设备、摄像机、红外测温、温度、湿度、烟雾、甲烷传感器、一氧化碳、氧气传感器等探测装置，在传动系统的牵引下，沿皮带巷道往复移动进行全方位的监测[4-6]。

通过在虎龙沟煤矿主斜井巷道ST/S5400 型皮带运输机上安装智能巡检机器人后，可对该ST/S5400 型皮带机运输沿线实现实时监控，实时发现设备要运输过程中出现的故障，及时进行维修。智能巡检机器人的应用，实现了皮带运输系统的无人值守，系统安全、可靠、使用方便，维护量小，有效减少了井下皮带机岗位的工作人员，减轻了巡检人员的劳动强度，为企业创造了较好的安全经济效益。