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工矿自动化 Ind ustr y a nd Mine Auto ma tio n 第45卷第期 2019年月 Vo l . 45 No . 9 Sep. 2019 i “煤矿机器人智能化技术”专题t i -il |l r -.|||l r -.|||l r -.|||l r -.|||l r -.|||l r -.|||l r -.|||l r -.|||l r -.|||l r -.|||l r -.|||l r -.|||l r -.|||l r il l l i 【 【编者按】 】煤矿生产系统庞大而复杂，作业环境恶劣，灾害重、风险大、下井人员多、危险岗位多，在煤矿生产 的部分环节中引入机器人技术对减少井下作业人数、降低安全风险、提高生产效率、减轻矿工劳动强度具有 重要意义％ 2019年1月，国家煤矿安全监察局制定并发布了煤矿机器人重U研发目录，目录列出了针对 采煤、掘进、运输、安控、救援等5类共38种煤矿井下机器人，对每种机器人的功能提出了具体要求，并要求 大力研发应用煤矿机器人％煤矿机器人的研发，是实现煤炭高质量发展的必由之路％煤矿机器人的应用，是 煤炭开采技术革命的重要标志，是推动煤炭工业高质量发展的强大动力。为探索机器人替代人工，加快机械 化换人、自动化减人向智能化无人化迈进，交流探讨先进经验和技术，促进产学研用深度融合，推进煤矿机器 人研发应用的高质量发展，本刊组织策划了“煤矿机器人智能化技术”专题，本专题报道的煤矿机器人技术涉 及救援、掘进、巡检、选秆、防爆等煤矿生产的各个方面。特别感谢西安科技大学马宏伟教授和郑学召副教授 对本专题组稿工作的支持衷心感谢各位专家学者在百忙中为本专题撰稿％ 文章编号1671-251X201909-0001-06 DOI10. 13272/j. issn. 1671-251x. 17443 矿山钻孔救援探测机器人设计 马宏伟12，姚阳12，赵昊12，梁林12，马琨12，田海波12 1.西安科技大学机械工程学院,陕西西安710054 2. Sh a a nxi Key La b o r a to r y o f Mine El ec tr o mec h a nic a l Equipment Intel l ig ent Mo nito r ing , Xia n 710054, Ch ina Abstract Ba sed o n r equir ements o f mine d r il l ing r esc ue a nd d etec tio n, a mine d r il l ing r esc ue a nd d etec tio n-o b o twa sd esig ned to so l veth ep-o b l emso fna --o winfo -ma tio nd etec tio n-a ng e-sh o -td etec tio n 收稿日期收稿日期019-05-21； ；修回日期修回日期2019-08-12 ；责任编辑责任编辑张强. 基金项目基金项目国家T然科学基金项目50674075；陕西省科技统筹创新工程计划项目2013KTCL01-02；陕西省教育厅专项科研计划项目 18JK0504 作者简介作者简介马宏伟1957-,男，陕西兴平人，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为智能检测与控制、机器人技术、现代无损检测与评 价、煤矿机电设备及其智能化、矿山机电设备故障诊断与健康维护等，E-ma ilma h wxust. ed u. c n„ 引用格式引用格式马宏伟，姚阳，赵昊，等.矿山钻扎救援探测机器人设计] .工矿自动化，2019,459 16. MA Ho ng wei,YAO Ya ng ,ZHAO Ha o ,et a l . Des ig n o f mine d r il l ing r esc ue a nd d etec tio n r o b o t*. Ind us tr y a nd Mine Auto ma tio n， ， 2019， ，4591-6. ・2・ 工矿自动化2019年第45卷 d ista nc e, sing l e func tio n a nd no o b sta c l e c r o ssing a b il ity o f existing d etec tio n r o b o ts. Th e r o b o t c a n r ea c h und er g r o und c o a l mine th r o ug h 225 mm r esc ue b o r eh o l es, a nd use senso r s a nd c a mer a s to o b ta in envir o nmenta l info r ma tio n a nd tr a pped peo pl e info r ma tio n in d isa ster a r ea s, a nd tr a nsmit th e info r ma tio n to g r o und in r ea l time. Ta king NI myRIO a s th e c o ntr o l c o r e, th e c o ntr o l system is c o nstr uc ted b y using La b VIEW g r a ph ic a l pr o g r a mming , th e r o b o t c a n r ea l ize d a ta r emo te c o ntr o l in th e d isa ster a r ea b y mea ns o f wir ed c o mmunic a tio n. Th e test r es ul ts sh o w th a t th e r o b o t h a s g o o d mo tio n per fo r ma nc e, sma l l vo l ume, l ig h t weig h t, str o ng o b sta c l e c a pa b il ity, c a n smo o th l y pa ss th e r el ief h o l e, a nd c a n c a r r y o n th e r ea l -time d etec tio n a nd tr a nsmissio n o f mine envir o nment info r ma tio n, wh ic h pr o vid es th e fir st-h a nd info r ma tio n fo r d ec isio n in th e g r o und r esc ue c o mma nd c enter . Key words mine d r il l ing r esc ue a nd d etec tio n r o b o t; r esc ue b o r eh o l e; sma l l d ia meter wir ed c r a wl er r o b o t; c a b l e tr a c tio n; a uto no mo us wa l king; o b sta c l e c a pa b il ity 0引言 煤炭资源在我国能源结构中占据很大的比重- 在煤炭开采时瓦斯爆炸、透水、塌方等事故时有发 生，常常导致人员伤亡切。不仅如此，煤矿井下环 境复杂，在煤矿事故发生后将会变得极不稳定，也容 生 , 援 到被困人员的生命安全「4勺。因此，研制矿山救援探 测机器人具有重要意义 从20世纪80年代开始，欧美发达国家就开始 了煤矿救援机器人的研究和应用。RATLER矿井 探索机器人可通过一些传感器来采集井下信息⑺， 用于灾后现场侦查工作。Gemini Sc o ut机器人利用 无线远程控制方式，同时搭载气体传感器和红外相 机来对环境进行探测「8切。近些年，国内的一些高等 院校和科研机构对煤矿救援机器人的研究和应用做 了深入的研究。中国矿业大学研制了 CUMT- IIIC「10*等型号的煤矿救援机器人，采用多传感器信 息融合技术进行井下环境检测。西安科技大学研发 的六履带四摆臂煤矿救援探测机器人）11］，在机器人 自主导航与智能控制等方面取得了一系列研究 成果。 上述煤矿救援机器人虽然能够从正常巷道或竖 井进入井下实施探测任务，但是由于体积大,无法适 应从地面钻孔救援探测的需求。因此，为提高机器 人适应能力以及在井下的探测救援能力，让机器人 通过救援钻孔的方式顺利到达矿井内部探测灾变环 境及生命信息已成为煤矿救援机器人研究必须解决 重要课题。 在西弗吉尼亚Sa g o矿难救援中，救援人员从地 面钻了 3个深孔，通过深孔向 派出 援机器 人以确定井下情况。新西兰国防部提供的管道机器 人经过防火花改装，可以进入矿井内部并对其内部 环境进行探测「12*。唐山开诚电器有限责任公司研 制了一种钻孔探测机器人（图1）,该机器人可沿钻 孔到达下口，利用摄像头采集孔口附近的环境信息， 并 实 上位机「13*。西安科技大 学研制的生命信息钻孔探测系统（图2）可通过救援 钻孔的下口对 人员信息进行探测， 为救援提供决策 。 图1钻孔探测机器人 Fig . 1 Dr il l ing d etec tio n r o b o t 图2生命信息钻孔探测系统 Fig . 2 Dr il l ing d etec tio n system fo r l ife info r ma tio n 然而，此类探测型机器人只能探测到机器人周 围的一些环境信息，且探测距离较短，容易被障碍物 遮挡视角，探测设备功能单一，无越障能力，因此，不 能很好地满足人们对钻孔救援探测的需求。 针对上述问题，本文设计了一种矿山钻孔救援 探测机器人，该机器人能够通过钻孔到达井下，并探 测井下事故现场较大范围的环境信息和人员信丿息、, 2019年第9期马宏伟等矿山钻孔救援探测机器人设计・3・ 为地面救援指挥中心决策提供了第一手资料。 1机器人设计及工作原理 1. 1 设计方案 基于矿山钻孔救援探测的需求，本文设计了 一款适应于小管径的有线式小型履带式机器人。通 过设计本体结构使其适应探测孔道，顺利到达井下, 并具有一定的越障能力；测控系统使机器人能够满 足行走及探测的需要；采用有线通信方式实现数据 传输。机器人总体架构如图3所示。 一机器人总体 -T本体结构 通过救援融1 卜J灾变区域丽1 -T测控系统“ -T井下行走驱动丨 -T灾变环境探厕 -T气体浓度检亦 -T井下温度检亦I 图3机器人总体架构 Fig . 3 Over a l l a r c h itec tur e o f r o b o t 1. 2 工作原理 机器人工作原理如图4所示。在地面救援钻孔 施工完成后，救援人员先通过救援钻孔以绳索牵引 的方式将机器人送入井下灾变区域；机器人通过自 主行走和远程人工控制相结合的方式，逐步扩大探 测范围；利用自身携带的传感器获取灾变区域的环 人 ， 并实 地面， 援人 灾区情况采取相应的救援措施。 支架绳索计算机 地面 图4机器人工作原理 Fig. 4 Wo r king pr inc ipl e o f r o b o ts 本文所研究的矿山钻孔救援探测机器人为双履 带结构，机器人顶部和前部安装有导向轮和保护轮, 下落时导向轮和履带起到导向和支撑作用，保证机 器人在沿钻孔下落过程中的稳定性和减缓到达巷道 地面时的冲击。机器人本体结构如图5所示。 考虑到机器人在下落到井下时可能会出现倾覆 现象，利用摄像机实时传输的图像监测并控制机器 人位姿，确保机器人落地时位姿正确。 控制器气体传感器 支撑轮支撑架 图5机器人本体结构 Fig .5 Ro b o tb o d yst-uc tu-e 2机器人测控系统 2. 1 测控系统基本组成 机器人测控系统由电动机驱动模块、红外测距 模块、气体 检测 图 成，如 图6所示。 〔DC12 V 电f} |气体检测模块卜 AOPWM |温度检测模块卜 I2C |红外测距模块卜 AO NI- myRIO- 1900 控制器 USB 彳直流电动严驱彌 |直流无心电痢一| ■］图像釆集模块一| USB |上位机La b VIEW | 图6机器人测控系统结构 Fig .6 St-uc tu-eo fmea su-ementa nd c o nt-o l system o f r o b o t 测控系统采用NI myRIO-1900作为主控制 器「⑷，由12 V 电源为整个系统供电，选用型号 为600GSX-4468的2个涡轮蜗杆式无刷直流电动 机，搭配2个12 V单通道 电动机驱动器实现电 动机的正 、 制动。驱动轮、轮、 导 成机器人行 统。气体、， 红外 器 成机器人探测系统。此外, 控制器内部携带1个 器，可以实时 监测机器人 。 ，由控制器和上位机有线连 成机器人 统。 2.2 机器人各模块功能 测控系统是矿山钻孔救援探测机器人系统的核 心，主要实现对机器人驱动 、 块的控制。 与 是测控系统的主要 成部分。 动模块由运动控制芯片实现机器人灵活运 动； 气体、 、 红外、 器 以 机器人 号传导至上位机，由控制人员分 析后完成各种操作。 上位机对 处理的数据进行实时分析，判断 ・4・ 工矿自动化2019年第45卷 机器人位置、地形情况,并根据灾变环境采取相应的 对策。 机器人软件系统基于La b VIEW软件平台，采 计理念和图形化编程方式设计，主要包 括电动机控制 、各 器 图 块等。 2.2.1 电动 机 动 电动机驱动 是完成机器人行走的关键，由 电动机和WSDC2416S驱动器组成。机器人由外部 12 V 电源供电，分别输入 动器和控制器o 控制器可以分别输出3.3,5 V等检测 需电 压，并且驱动器有自带的稳压 ，可实现过热保护 能。整个驱动 图7所 示。配合H桥电路，通过控制INA、INB端 J通 实现电动机的正 ，采用PWM调速方式对电 动机 进行精确控制，从而完成机器人 动 向功能。 图7驱动模块原理 Fig . 7 Pr inc ipl e o f d r ive mo d ul e 电动机控制上位机程序框图如图8所示，主要 由互联 、功能初 入、 、条件 1 等控件组成。通过采集键盘上的按键变化信息以及 需要的动作执行方式来激活条件 中不同 的按键组合输入，结合逻辑门和捆绑控件 打 包并以共享变量的方式 机，驱动电动机 执行相 动作。 图8电动机驱动上位机程序框图 Fig . 8 Pr o g r a m b l o c k d ia g r a m o f mo to r 障功能开发，由于距离在0〜10 c m时，该传感器电 压值与距离呈非线性正比关系，所以，机器人与后方 距离 10 c m时需人工远程干预机器人紧急停 止，避免机器人发生碰撞。此外， 器还 响 应时间短、不受 背景光线影响的特点，为机器 人的实时控制提供 。 红外测距程序如图9所示。成功获取到机器人 与后方障碍 距离 ，通过上位机远程操控 实现避 能。程序框图中选择控制器模拟输入端 口，通过 ACDC Estima to r PtByPt. vi 读取其输出 分量，最终将距离信息实 上位机，并 且每隔50 ms更新 距离 。 图9 红外测距程序框图 Fig .9 Pr o g r a m b l o c k d ia g r a m o f infr a r ed r a ng ing 2.2.3 检测 温度检测模块采用Pmo d TMP3 , Pmo d TMP3 是一款基于Mic r o c h ip TCN75A芯片所构建的环 境温度传感器，可以通过I2C协议配置高达12位分 辨率 出，并且可以 编程 阈值，当检 测 超过阈值时报警。 2. 2. 4气体检测模块 1甲烷检测。MQ-5甲烷气体传感器适用于 家庭用气体泄漏报警、工业 燃气体报警以及气 体检测。在较宽的浓 内对甲烷等可燃气体有 良 敏度，并且 电压 值转换为与甲烷 气体浓度相对 号值输出，是 适合多 J 低成 器，MQ-5甲烷气体 器的测试电 路如图10所示。 d r ivenupper c o mputer 2. 2. 2红外测距模块 为实现机器人与后方障碍物距离的探测，本文 GP2Y0A21红外测距 器进行机器人的避 图10 MQ-5甲烷气体传感器测试电路 Fig . 10 Test c ir c uit o f MQ-5 meth a ne g a s senso r 该传感器需要施加2个电压加热器电压Vh AC/DC 5 V0. 1 V和测试电压 Vc DC 5 V士 2019年第9期马宏伟等矿山钻孔救援探测机器人设计 5・ 0.1V。其中Vh用于为传感器提供特定的工作温 度。Vc为负载电阻Rl提供测试的电压，须用直流 电源。Vrl是传感器串联的负载电阻Rl上的电压。 器模拟输出端口与控制器 ，读取输出 电压值，根据气体浓度与输出值图表,实现甲烷浓度 的读取。 2氧气检测。氧气传感器作为探测井下环境 必 器 ，对救援工作人 援 有着重要的意义。采用ME2-O2-20型氧气传感 器 气浓 。 器是 电 型 器，利 气在工作电极上发生的还原反应 和负极材料发生相应氧化反应产生电流，电流的大 气的浓度成正比，通过控制器模拟输入端口 测量电 大 判定氧气浓 大小。 2.2.5 图 图 统 红外夜视功能的S320 ，通过USB 线与控制器 。当机器人 处于光线较 ，依然可以 回夜视效果图像，并且可以通过程序设定，提高图像 质量，实 取 现场图 。图 程序 如图11所示。 图11图像采集程序 Fig . 11 Ima g e a c quisitio n pr o g r a m 3机器人样机试验机器人样机试验 3. 1 本体结构实现 机器人 体实 图 13 。 援机器 人零件加工以及相关硬件的装配，完成了钻孔救援 机器人本体，利用履带 部 机器 人在下落已成形孔时稳定且不产生打滑或者转动现 象，并且能够顺利通过225 mm的常用救援探测孔 对灾变区域进行实时探测，具有体积小、质量轻、越 障能力强等特点。 图13机器人本体实物 Fig . 13 Ro b o t b o d y ma ter ia l o b jec t 3. 2 测控系统实现 矿山钻孔救援机器人测控界面如图14所示，主 要包括电动机运行状态、视频传输、温度、气体等传 感器数据和机器人行驶速度监测等。监测结果表 明机器人正在以0.2 m/s的速度前进，同时检测到 氧气体积分数为21，温度为28. 1 l，并且图像传 清晰。 机器人测控 统 能 能 检 测精度高，实时性好。 机器人测控系统界面 摄像头采样分为Sna p和Gr a b两种，根据不同 的需求可以选择2 同 方式。图12为在 光线充 光线较 情况下， 画面 情况，采集画面清晰， 能使机器人在光线较暗 的环境也能完成巡检功能。此外，还可以通过 MAX工具对当前画面进行拍照，为救援人员提供 图。 方位显示I 前进 左转丿右转 后退 加速后退减速后退 加速前进减速前进 「左右驱动PWM站出变化显詞 甲烷氧气 温度 图14机器人测控界面 Fig .14 Mea sur ementa nd c o ntr o l inter fa c eo fr o b o t 30 29 28 27 26 24 20- a 光线充足 b 光线较暗 图12摄像头采集的图像效果 Fig . 12 Ima g e c a ptur ing effec t b y c a mer a 3. 3 运动性能试验 机器人 动 能测 试 图 15 。 能 测 试 分为爬坡、越障和通过225 mm已成形孔3种方 式。测试结果 本文所设计的机器人最大爬坡 角度可达35,并且具有较强的越障能力、适应能 力，可以顺利通过225 mm的测试孔道，为机器人 实际应用奠定了基础。 6・ 工矿自动化2019年第45卷 a 爬坡 b越障 c 通过已成形的孔道 图15机器人运动性能测试 Fig 15 Mo tio nper fo r ma nc etesto fr o b o t 4结论结论 1 基于矿山救援的需求，设计了矿山钻孔救 援探测机器人，能够从225 mm救援钻孔顺利 矿井内部，具有体积小、质量轻、方 带等特点，解 决了当 生后救援机器人因体积过大无法进 入矿井内部和探测距离较短等问题。 2 利用La b VIEW软件搭建了机器人测控系 统界面，通过多传感器融合技术检测灾变 气体、图像等 以及机器人运动控制 ，满 援的探测需求。 3 机器人通过已成形探测孔及爬坡和越障等 试验，结果 机器人 较 动性能，较强 的越障能力和适应能力，能够适应灾变发生后井下 路面情况，为 测救援提供了第 二 - 参考文献References 1 *何凯.基于双目视觉的煤矿井下救援机器人避障策略 的研究[D*.西安西安科技大学，2018. 2 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