煤矿井下巡检机器人技术及应用

赵炳文 张碧川 王玉娇

（陕西陕煤榆北煤业有限公司，陕西 榆林 719000）

0 引言

在煤矿、冶金、电力以及石化等行业需要随时对大量的生产设备、变电站以及输油管线等进行监控和检测。传统的监测方法是采用现场人工巡检，但人工巡检不仅劳动强度大、效率低，而且易受人为因素的影响，巡检质量不能得到很好的保障。随着机器人技术的发展及其应用领域的不断扩大，巡检机器人开始出现在电力、矿山、石化以及城市建设等领域。由于煤矿环境复杂、危险岗位多且事故时有发生，为保证煤矿生产的安全，采取“无人则安”的工作原则；因此巡检机器人在煤矿井下的应用尤为重要。

1 煤矿井下巡检机器人分类及组成

1.1 煤矿巡检机器人分类

煤矿巡检机器人根据供电方式、移动形式以及作业功能的不同有不同的分类方法，具体分类如图1所示。

图1 煤矿巡检机器人分类

1.2 煤矿井下防爆巡检机器人组成

下面以轨道式悬挂防爆巡检机器人为例，详细介绍巡检机器人的组成结构。

轨道式悬挂防爆巡检机器人系统由地面监控中心、无线网络和防爆巡检机器人本体组成，系统组成结构如图2所示。

图2 巡检机器人系统组成结构

1.2.1 地面监控中心

地面监控中心由服务器和显示器组成。地面监控中心利用无线通信的方式与防爆巡检机器人进行信息交换，同时也实现对巡检机器人的远程控制。地面监控中心实时接收、显示防爆巡检机器人发来的现场视频、图像、声音、环境气体和温度等参数以及巡检机器人的位置、驱动电流和电池电量等数据信息，对机器人传动系统和采集系统进行控制，并对采集的图像、声音及各种环境信息进行识别、判断和智能分析，发现异常现象及时报警并对问题进行处理[1]。

1.2.2 防爆巡检机器人本体

防爆巡检机器人本体由控制模块、无线通信模块、驱动机构、摄像机、拾音器、红外热像仪、传感器、充电装置及电源组成，其中控制模块是防爆巡检机器人本体的核心，地面监控中心通过无线网络与控制模块交换信息，同时控制机器人完成各项巡检任务。

巡检机器人本体控制模块可以对采集的图像、声音、红外热像、红外温度以及气体浓度等数据进行分析和处理，并通过无线通信模块将这些数据发送到地面监控中心，同时接收服务器的控制指令。根据分类的不同，巡检机器人本体的控制模块还具有其他功能，例如自主充电式巡检机器人的控制模块具有充电控制功能；自主移动式巡检机器人的控制模块具有驱动机构控制功能。驱动机构是巡检机器人行走的必要装置，包括电机、驱动轮组件、从动轮组件、承重轮、导向轮及相关机械组件。驱动机构利用驱动轮和从动轮与轨道的摩擦力带动巡检机器人本体在轨道上运行。巡检机器人在平直轨道和带坡度的轨道上运行时，需要的驱动力矩不同。在平直轨道上运行时，驱动力矩只需要克服滚阻力矩即可，但在有坡度的轨道上运行时，不仅需要克服滚阻力矩，还要克服机器人本体重力产生的分力，否则机器人本体就会打滑。因此，为保证轨道式悬挂巡检机器人的正常运行，在驱动机构中还设置了能检测驱动轮与轨道之间正压力的装置，该装置根据驱动轮与轨道之间的压力自动调整驱动轮和从动轮与轨道的夹紧力。

在低照度、高湿度和粉尘环境下，通过机器人本体搭载摄像机和拾音器采集现场环境、皮带机、水泵、缆线、管路和仪表阀门等监测设备的图像以及声音，视频图像在地面监控中心的服务器和大屏幕上存储显示，通过分析图像和声音来判断生产现场是否存在异常以及设备故障位置、损坏程度等情况。巡检机器人搭载非接触式红外热像测温仪，通过捕捉设备辐射的热红外线，检测设备表面温度数值，并形成热视图像，显示设备的温度分布情况。巡检机器人同时还装有多参数气体探测器、烟雾传感器以及避障传感器，能够准确检测环境中甲烷、硫化氢、一氧化碳和氧气的浓度，判断有毒气体和烟雾是否超限，还可以判断障碍物的距离。为了适应煤矿井下设备长时间巡检的需要，巡检机器人一般采用可充电电池作为供电电源，在巡检机器人本体一端安装有充电装置，以便与安装在轨道上的充电插头对接充电[2]。

2 煤矿巡检机器人能源动力技术

随着矿用巡检机器人功能的不断完善和扩展，井下巡检线路也不断延长，巡检环境更加复杂，因此对巡检机器人的待机时间提出了更高的要求。煤矿井下巡检机器人一般多采用充电电池来供电，除合理加大巡检机器人的电池容量外，研发满足井下环境要求的自主充电装置也是巡检机器人普及应用的一个关键技术。

图3是一种轨道式巡检机器人防爆自动充电装置，该装置由插头和插座2个部分组成，插座部分安装在机器人本体的一端，内部连接充电电池。插头部分安装在轨道上位于巡检路径的末端，并与充电电源相连。

图3 防爆自动充电装置

插头部分由导柱伸缩机构、隔爆阀驱动机构、卸扣执行机构、插头遮尘罩机构和导向杆组成。导柱伸缩机构包括导柱隔爆腔、隔爆导柱和充电触头，隔爆导柱在导柱隔爆腔内可进行轴向滑动，充电触头位于隔爆导柱前端。隔爆阀驱动机构由插头隔爆腔、隔爆阀、到位传感器和磁性耦合器组成，隔爆阀可在插头隔爆腔内进行径向转动，磁性耦合器安装在蜗杆输出端，插头隔爆腔的伸出端设置成圆形台阶。卸扣执行机构安装有圆筒隔爆腔和锁舌拆卸器[3]。

插座部分由隔爆阀随动机构、机械闭锁机构、导向套和插座遮尘罩机构组成，隔爆阀随动机构内置有蜗轮蜗杆机械传动组件，导向套为喇叭嘴形式，导向杆可以插入导向套的圆孔内。闭锁阀随动机构包括插座隔爆腔、隔爆阀和磁性联轴器，隔爆阀可在插座隔爆腔内进行径向转动。机械闭锁机构包括闭锁螺套，闭锁螺套安装在插座隔爆腔的正前端，闭锁螺套内部装有锁舌和弹簧片。当插头部分插入插座时，机械闭锁机构内的锁舌与插头隔爆腔端部的圆形台阶形成闭锁隔爆腔。当插头部分与插座分离时，卸扣执行机构动作，锁舌拆卸器向前移动，压缩锁舌，插头隔爆腔端部的圆形台阶缩回初始位置。插座遮尘罩机构与插头遮尘罩机构结构一样，包括齿轮、触发板、遮尘罩和拉簧等，依靠拉簧使遮尘罩与闭锁螺套形成密封结合面，起到防尘、防水的作用。

轨道式巡检机器人防爆自动充电装置的工作过程如图4所示。

图4 防爆自动充电装置工作过程

3 煤矿巡检机器人应用效果

某大型煤矿利用轨道式悬挂防爆巡检机器人对主井皮带机进行全天候巡检。巡检机器人通过搭载摄像机、拾音器、红外热像仪和多种传感器实时采集巡检现场的图像、声音、红外热像、红外温度、烟雾以及气体浓度等信息，不仅实现了巡检工作业时的“望、闻、问、切”，而且可以实时地对数字化的图像、声音和数据信息进行归类存储，发现异常情况及时反馈处理，并利用里程和图像准确定位故障位置，实现了工作现场无人值守、对异常状况及设备故障的超前预判、预警的功能，大大提高了工作效率，减轻了工人的劳动强度，取得了较好的巡检效果，达到了减员增效的目的。

3.1 皮带跑偏检测

主井运输系统中皮带跑偏是常见的问题之一，巡检机器人通过采集现场视频图像来提取特征，并对其进行处理和深度学习，利用皮带和托辊的特征对皮带及托辊进行识别，检测托辊露出皮带的长度，以此作为判断皮带是否跑偏的依据，再结合多帧图像之间托辊检测长度的关系，得出当前帧图像是否是跑偏图像，通过图像分析对跑偏部位进行语音报警。皮带跑偏识别结果如图5所示。

图5 皮带跑偏识别结果

3.2 红外测温与气体探测

机器人通过搭载红外热成像仪对现场设备的温度进行监测，如图6 所示。根据报警设定值进行语音报警。有一次机器人发出高温报警，根据报警数据，经工人现场确认，皮带运输机一托辊与沿线胶管接触摩擦，导致托辊温度升高，工人及时处理后消除了火灾隐患[4]。

图6 现场红外热像检测

应用现场有多条气体管道，气体一旦泄露会存在重大的安全隐患，巡检机器人搭载气体探测传感器对现场的气体浓度进行实时监测，达到报警设定值就第一时间发出语音报警，并实时上传报警位置。

3.3 异常声音检测与报警

皮带运输机托辊损坏是皮带运输系统常见的故障之一，也是巡检的重点。巡检机器人利用音频分析平台通过采集、分析和识别音频，及时对异常声音进行语音报警，并存储异常音频，便于人工复查处理。机器人应用前期由于识别出多处托辊损坏，因此报警频率较高。及时解决托辊问题后，皮带运输机的安全性得到了保障，报警率也下降了。

4 结语

煤矿井下巡检机器人采用模块化设计，体积小、重量轻，适用于各种复杂的煤矿井下环境，机器人本体吊挂在轨道上，在巷道内往复运行，能够完全代替人工巡检，适用于煤矿井下巷道、皮带机、水泵房、变电所、绞车房及其他井下重点巡检区域。巡检机器人搭载多种传感器，实时采集现场的图像、声音、红外热像、红外温度、烟雾以及多种气体浓度等参数；巡检机器人具有智能识别功能，采用智能感知关键技术算法，能够准确判断设备当前的运行状态，并基于大数据分析预警技术，对煤矿设备运行故障进行超前预判、预警，减少故障停机时间。同时，采用先进的无线移动通信技术，通信距离远，抗干扰性强，既能保证图像及数据的实时传输，又符合防爆要求。