煤矿巡检机器人优化设计

曹永爱， 崔世杰， 郭 凯

（山西科达自控股份有限公司， 山西 太原 030000）

引言

在煤炭开采中，煤矿安全与设备故障监测一直是煤炭生产的重要环节。现有的自动化巡检机器人对煤炭安全及其设备故障监测在巷道与设备监测方面普遍存在成本高、可靠性低、效率低下等劣势，机器人技术的发展为解决该类弊病提供了良好的支持，为煤炭安全与设备监测研究提供了一种新的思路。本文拟运用悬挂式巡检机器人对煤炭安全与设备监测系统进行改进，通过使用不同监测模块提高监测效率，降低制造成本，提高系统可靠性与实时性，提升煤炭企业生产效率。

1 巡检机器人环境及其功能分析

悬挂式巡检机器人的主要功能为井下巷道与设备运行情况的监测巡检。其具体工作环境如图1 所示。工作环境主要有4 个特点：

图1 巡检机器人工作环境示意图

1）空气环境复杂，包括一氧化碳、瓦斯等危险性较大且浓度高的气体，易产生中毒、爆炸等危险情况。

2）工作环境较为昏暗，照明条件差，机器人巡检工作环境暗。

3）巷道臂展长且存在斜巷等复杂情况，井下巷道一般四通八达，可联通各个工作面，斜巷坡度一般为30°，分巷道弯角与曲率半径各不相同，巡检机器人工作环境复杂。

4）巷道温度较低且湿度高。因此，悬挂式巡检机器人工作环境复杂恶劣，需综合考虑环境因素。

通过分析悬挂式巡检机器人工作环境，针对上述工作环境机器人应满足的条件有：

1）巡检机器人行走应平稳，可在钢丝绳上平稳转弯、上下坡、驶过障碍。

2）巡检机器人应进行轻量化设计，保持较低的重量与体积。但应满足巡检机器人的使用强度要求，并设计合理的安装空间为电源、控制器等设备预留空间。

3）由于巡检机器人工作环境较为恶劣，故应有较好的抗干扰能力，减少外界环境的干扰。

4）尽量减小设备能耗，提高巡检机器人的工作续航能力[1-2]。

2 悬挂式巡检机器人优化设计

2.1 巡检机器人整体设计

通过分析巡检机器人的工作环境及其功能需求，为适应上述的特殊环境及其功能分析，巡检机器人应满足的技术条件有：巡检机器人运行速度应不大于15 cm/s，爬坡能力不大于30°，总质量不大于50 kg，最低与最高工作温度分别为-5 ℃与80 ℃。

现阶段，悬挂式巡检机器人主要分为仿生臂攀援式、轮臂复合式、多节分体式三种。其中，多节分体式与仿生臂攀援式虽跨越障碍物性能较好，但由于其运行速度慢、设备设计复杂，不适合与井下巷道监测，故本文选用轮臂复合式。

悬挂式巡检机器人可分为三部分，主要有行走机构、模块搭载框架及其越障机构。其结构示意图如下页图2 所示。其中，模块搭载框架的主要功能是为整体提供机架，为电池、电机、控制器以及传感器提供安装空间；行走机构主要分为驱动部分、阶梯轴、行走轮、过障导杆和预紧轮五部分。机器人设计中包括两个行走机构，以保证机器人行走稳定，不产生前后摇摆的现象。在行走轮的下方设计预紧轮，使弹簧缩紧，给钢丝绳以预紧力，保证行走轮、预紧轮与钢丝绳的贴合，防止机器人从钢丝绳上脱落，保证机器人的行走稳定，提高机器人运行效率；过障机构主要分为导杆、下支架、弹簧、支撑板、预紧轮和弹簧调节螺母六部分。导杆为过障导杆，在行走轮下方等距安装两个过障导杆可消除机器人越过障碍时的倾斜，保证稳定。机器人越障的上下行走主要通过滚珠滑块与滑杆配合运行实现，滚珠滑块安装在下支架的下方，支架上方还安装两个过障导杆以及预紧轮，可保证行走的稳定性。预紧弹簧安装在上支架与三脚架之间的连杆上，上方与支架滑块连接，下方与三脚架连接。

图2 悬挂式巡检机器人结构示意图

2.2 悬挂杆设计

悬挂杆的设计主要是为了使巡检机器人可在巷道中架设的钢丝绳上自由行走。悬挂杆的一端主要用于悬挂钢丝绳，另外一端为通过膨胀螺丝固定在侧壁。其中，悬挂杆上固定的钢丝绳其横截面半圆弧必须完整，且半圆弧外不应有凸块，以确保机器人运行的稳定；钢丝绳在安装到悬挂杆圆弧凹槽后，接触部位两端应以1.5 mm 的钢丝穿过钢丝绳，并最终固定到悬挂杆之上。

2.3 过弯结构设计

巡检机器人过弯装置本文进行了过弯钢轨设计，该设计可使拐角减小，减小过障碍次数，提高稳定性。在巡检机器人过弯时，前后两臂的主动轮易发生偏转，针对该现象，本文设计了如图3 所示的转弯机构。该机构主要分为轴承、旋转轴和三角架三部分。机械臂的转弯偏转主要通过旋转轴与三角架的配合完成偏转。

图3 转弯机构示意图

2.4 驱动结构设计

驱动机构的安装位置在行走机构的封闭侧，为了使机器人侧摆现象减少，故应选择质量轻、体积小但也可提供足够力矩的驱动方式。同时，驱动机构重心应低于主动轴轴心，以使得机器人在行走时更加稳定。故本文采用直角减速器与电机组合的驱动方式。直角减速器选用直角涡轮蜗杆减速器，该设备体积小、重量轻、安装方便、运行平稳，适合于巡检机器人的应用，其型号为YHNMRV-040-05。电机为满足体积与质量的要求，选用步进电机。电机输出转矩计算为：

式中：T 为输出转矩，N·m；Pm为电机输出功率，W；N为电机转速，r/min。

通过实际分析可知，Pm应为86.67 W，N 应为325 r/min，故输出转矩T 应为3 N·m 以上。结合市场现有型号，选用86BYGH301AA 电机。

3 系统测试

按上述设计，将煤矿巡检机器人组装好后，通过分析，巡检机器人的制造成本较现有的自动化巡检机器人制造成本显著降低。将煤矿巡检机器人应用于实际生产中，机器人运行平稳可靠，监测系统效率显著提高。经400 h 连续运行后发现，巡检机器人无故障发生，可应用于实际生产之中[3]。

4 结论

1）煤矿巡检机器人工作环境复杂，机器人设计应符合设备轻量化、平稳性、抗干扰强、能耗低的特点。

2）悬挂式巡检机器人应选用轮臂复合式，对机器人整体、悬挂杆、过弯机构、驱动机构进行分别设计，并进行实地运行检测后发现，本文所设计机器人运行平稳可靠，成本显著降低，经400 h 运行后，机器人未发生故障，可应用于实际生产之中。