露天煤矿带式输送机智能巡检机器人

杨孝新，刘婷婷，刘福明，王 伟

（新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100）

在露天矿山的开采中，矿岩运输是露天开采的决定性环节，运输成本约占总成本50%以上，露天煤矿主要运输方式包括汽车运输、铁路运输、带式输送机运输等。为减少运输道路占用土地量，降低基建费用、维护费用的投入，减缓能源消耗和建设绿色矿山，带式输送机运输逐步成为常见运输方式。《工业制造2025》和“第4 次工业革命”强力推进智慧矿山、智慧物流的建设，智能巡检机器人在矿山领域得到了普遍应用，逐步成为主流趋势。因此探索智能巡检机器人的发展和未来面临的问题是必经之路。

1 研究背景与意义

1）带式输送机在露天煤矿中的应用。带式输送机主要由机架、输送带辊筒、输送输送带、张紧装置、传动装置等组成。作为重要的矿山运输设备，具有高效、稳定的特点，在长距离、连续运输以及承载能力方面有着极大的优势。但在其维护方面仍存在问题，运行过程中易发生皮带跑偏、打滑、磨损，物料洒落，设备噪音异常等故障，对设备、作业人员造成极大的安全隐患甚至导致严重安全事故。

2）巡检机器人国内外研究现状。从20 世纪80年代末起，国外便陆陆续续开始巡检机器人的研究，而国内关于巡检机器人的研究主要开始于20 世纪90 年代末。随着自动巡检代替人工巡检的理念在全世界范围内的认可，智能巡检机器人已在石油、电力、矿山等行业得到了广泛应用[1]。国内外巡检机器人的研究历程见表1。

表1 国内外巡检机器人研究历程

从国内外的研究现状可以看出，目前巡检机器人研究主要侧重于电力行业、矿山生产行业[2]。对于带式运输机，至今仍然没有成熟的巡检机器人研究。带式输送机巡检机器人主要针对我国露天煤矿高寒、多粉尘、长距离运输环境下输送带运行状态检测，因此通过阐述巡检机器人在带式输送机上的应用，分析带式输送机巡检机器人在露天煤矿中的发展。

2 巡检机器人设计

为达到煤矿企业的安全和科学系统化管理要求，必须对煤炭生产输送的情况进行全面、及时的了解和掌握，对设备故障等意外情况能够及时、迅速地做出正确判断，并做出快速的指挥和处理[3]。因此对带式输送机全过程进行监测是首要前提，同时着重监控煤炭隐火、预警以及环境，减少故障隐患，保证安全输送煤炭。

2.1 巡检机器人设计需求

带式输送机巡检机器人应用于户外作业环境。带式输送机巡检机器人以西部某露天煤矿为应用场景。露天煤矿气候为内陆干旱沙漠气候[4]，全年最高温度高达41.2 ℃，最低温度至零下49.8 ℃，四季气温差异大，伴随着雨雪，最大风力可达11 级，带式输送机最大坡度为14°，属极端气候环境。因此机器人的本体设计过程中需充分考虑高温、低温对供能系统的影响。

带式输送机日常使用中常见的故障主要分为输送带故障和托辊故障，输送带故障又分为输送带断裂、撕裂、跑偏、打滑等。通过分析故障的原因，设计出更加适用、可靠的巡检机器人。结合露天煤矿现场环境和带式输送机的常见故障，对带式输送机巡检机器人的设计提出了以下要求。

1）整体防护等级。由于地处戈壁气候，风沙、煤尘对机器人存在巨大的影响，机器人整体防护等级需要达到IP67 级以上[5]。

2）往复巡检功能。巡检机器人可以实现长距离、长时间持续全线巡检作业，故巡检机器人的驱动方式必须要求结构简单、运行平稳，且巡检实时数据的采集必须方便。

3）巡检机器人体积适中。减少巡检机器人的占用空间，在运行过程中不会影响带式输送机运行及作业人员正常作业。

4）适应矿区现场极端气候环境，保持动力充足。能源系统能够保障持续长久地正常工作，同时能够减少电池更换次数，实现无人化操作，并且电源系统在极端环境下依然可以保证正常的充电、放电功能。

5）必要的防水、防震、防尘功能。巡检机器人运行环境处于室外，应尽可能避免煤粉、强风、暴雨雪等极端天气对其内部电路元件造成损坏，使其发生故障从而导致安全事故的发生。

6）搭载各类传感器，结构紧凑。依据带式输送机常见故障类型以及对其相应的监测参数，选择对应的传感器作为输入信息，作为故障判断依据。

7）通讯方式。采用5G 无线通讯方式，实现高效的信息传输。

8）人机界面。用户在操作端面能够实现对巡检机器人的无人化操作，远程监控和报警等功能；真正做到“减人化、无人化、信息化、安全化”[6]，提高巡检结果可靠性。

9）集群管理。机器人系统通过架设服务器端，多客户端接入，实现机器人集群化管理，由1 个主控端控制多台机器人同时工作，将自动充电功能下放到机器人自主完成，保障机器人安全性、可靠性，而其他复杂需求由上位主控端发送相应指令完成。

2.2 巡检机器人功能需求

带式输送机巡检机器人系统由巡检机器人本体、5G 通信基站、无线充电装置、远程控制系统4 部分组成[7]。巡检机器人系统如图1。

图1 巡检机器人系统

带式输送机巡检机器人部分替代了人的工作，可在特殊环境下检测和判断设备的运行状态，减少了人员巡检的需求，降低了人机交叉作业的频次；降低巡检人员的工作强度与风险，保障人员安全；减少企业用工成本和安全支出；提高巡检效率，增强巡检实时性，预防和减少带式输送机故障的发生，促进煤矿企业安全高效生产。

巡检机器人的研究已不仅仅局限于机械结构设计领域，还涉及图像识别与处理、人功智能、计算机控制、无线通讯等领域。采用AI 图像识别技术，可以对摄像数据进行实时监测和AI 自动识别，覆盖传输带异物、危险区域、人员聚集等各方面，系统能够快速分析安全隐患并进行及时处置，从而改变先出事、再处理的传统手段，借助人工智能提高报警准确率。

2.3 巡检机器人系统

1）通信系统设计。机器人搭载工业级5G 模块实现中距离稳定通讯，通讯协议使用TCP/IP 协议进行点对点稳定传输，保证机器人稳定控制。视频传输使用TCP/UDP 协议汇入机器人核心交换机，通过与无线5G 模块连接，经上层网络发送到上位机，实现远端低时延信号传输。

2）控制系统设计。本设计对于巡检机器人主控器控制电机旋转提供了2 种方案：①采用CANOpen 协议控制电机；②采用PWM 控制驱动器驱动电机。巡检机器人内外部温湿度传感器设计选用了STH31，温度的测量范围为－40～125 ℃，精度为±0.3 ℃；湿度的测量范围为0～100% RH，精度为±2% RH。巡检机器人主控制器通过采用IIC 接口可以同时接入多个温湿度传感器设备。基于RS232 串口控制高清摄像头的云台，设置高清摄像头的参数。RS485 串口可以通过充放电模块来读取电池的当前电量、电池电压以及电池充放电过程中的电流。RFID 选用恩智浦的PN532，可用IIC、SPI 和UART 接口实现于STM32 的通讯。工作在13.66MHz，芯片有8051 内核集成度高，抗干扰能力强。控制原理框图如图2。

图2 控制原理框图

3 带式输送机巡检机器人发展

1）机构定制化。利用3D 打印等技术，快速成型使机器人机构呈现个性化、定制化，改善应对不同环境下重复、多次、反复修改等机构设计问题。

2）本体简单化。对于机器人本体来说，本地控制是对简单、最可靠、最低程度的自主，同时可以对传感器简化优化，通讯不断升级、不断完善增强。

3）通讯多样化。以现有技术背景下，可利用有线、WIFI、蓝牙、红外、NFC、RFID、ZigBee、5G 等多种方式进行通讯。

4）计算云端化。逻辑决策、机身定位、环境识别、语音识别、图像识别、多机协同、路线规划、自主决策等复杂的、耗时计算过程，可将其交由云计算服务器实现，提高执行效率的同时，减少维护、建设成本。

露天煤矿带式输送机属特殊环境，时常有大风、大雪、高尘环境，带式输送机巡检机器人的研究应具备异常交互情况下灵活的遥操控能力，具备大时延、通讯中断、丢包情况下遥控、基于虚拟现实和信息反馈的控制等方法。智能化、集群化、网络化、协同化、最优化将成为下一代工业机器人理论与方法研究的核心。随着网络的不断升级，机器人数量增多，普通控制程序已不满足需求，传统的端对端控制无法应对智能化情况，集群管理系统会成为问题的突破口，从传统的人工决策转至AI 自动决策，极大降低危险，提高系统运转效率。集群管理系统的2 种部署方式如图3。

图3 集群管理系统的2 种部署方式

集群管理系统有2 种部署方式，集中式部署和分布式部署。2 种部署方式均存在共性的瓶颈问题，随机器人数量上升的指数级复杂度、高速可靠通讯、环境动态变化、稳定性及容错性。因此在研究内容上，可偏向于体系架构设计、协作环境感知、动态任务规划、协同路径规划及避障、系统自主学习这几个方面，对关键性的技术，比如云－边－端融合、传感器融合、任务分配、拥塞估计、单机学习、协同定位、任务排序、柔性调整、实时通讯、任务重规划等的深入研究，解决带式输煤带式输送机巡检机器人技术与应用的关键问题，推进我国露天煤矿智能巡检机器人技术抢占国际制高点，从单机智能到全局智能，融合新技术，打通技术壁垒。

4 结语

单机技术到多机协同，露天煤矿智能巡检机器人的研究已从单机结构研究转向集群式系统研究，随之而来的就是多学科、多技术、多领域的学科交叉、融合创新成为颠覆性技术重要来源。自动化运行、运行稳定可靠且功能齐全的巡检机器人需要借助最新、前沿科技不断升级迭代，建设统一、稳定的集群控制系统势在必行，为实现矿山巡检无人化，促进煤矿安全高效生产，具有不可或缺的作用。