智能带式输送机巡检机器人在煤矿的应用.pdf

★智慧矿山★ 移动扫码阅读 引用格式邵珠娟,邓晓刚,程豪杰,等􀆱智能带式输送机巡检机器人在煤矿的应用 [J]􀆱中国煤炭,２ ０ ２ ０,４ ６ ６ ３ ５－３ ９ 􀆱 S h a oZ h u j u a n,D e n gX i a o g a n g,C h e n gH a o j i e,e t a l 􀆱A p p l i c a t i o no fB e l tC o n v e y o r I n t e l l i g e n t I n s p e c t i o nR o Ｇ b o t i nC o a lM i n e[J]􀆱 C h i n aC o a l,２ ０ ２ ０,４ ６６ ３ ５－３ ９ 􀆱 基金项目山西省应用基础研究项目 ２ ０ １ ８ ０ １ D ２ ２ １ ３ ４ ２ ,山西省高等学校科技创新项目 ２ ０ １ ９ L ０ １ ８ １ 智能带式输送机巡检机器人在煤矿的应用 邵珠娟１ 邓晓刚１ 程豪杰２ 杜才溢２ 张玉江１, ２,３ １ 􀆱山东能源临沂矿业集团有限责任公司,山东省临沂市,２ ７ ６ ０ １ ７; ２ 􀆱太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,０ ３ ０ ０ ２ ４; ３ 􀆱山东能源集团博士后科研工作站,山东省济南市,２ ５ ０ ０ １ ４ 摘 要 为了解决传统矿山安全巡检工作中人力物力消耗高、效率低、无法直观管理等 问题,针对煤矿井下作业空间狭小、有害气体多、湿度大、光照复杂等环境特点,提出了用 智能带式输送机巡检机器人替代井下人员的应用要求;阐述了智能带式输送机巡检机器人的 系统结构组成;详细介绍了智能带式输送机巡检机器人的驱动系统、图像采集系统、语音对 讲及应急广播系统、环境检测系统、智能防撞与避障系统及其应用参数.通过现场工业性试 验情况表明,智能带式输送机巡检机器人实现了 “ 自动化减人”的目标,降低了成本,提高 了自动化程度和故障处理效率,具有良好的经济技术效益. 关键词 煤矿机器人 智能巡检 带式输送机巡检机器人 自动化减人 中图分类号 T D ７ ６ 文献标识码 A A p p l i c a t i o no fB e l tC o n v e y o r I n t e l l i g e n t I n s p e c t i o nR o b o t i nC o a lM i n e S h a oZ h u j u a n １, D e n gX i a o g a n g １, C h e n gH a o j i e ２, D uC a i y i ２, Z h a n gY u j i a n g １,２,３ １ 􀆱 S h a n d o n gE n e r g yL i n y iM i n i n gG r o u pC o 􀆱,L t d 􀆱,L i n y i,S h a n d o n g２ ７ ６ ０ １ ７,C h i n a; ２ 􀆱 C o l l e g eo fM i n i n gE n g i n e e r i n g,T a i y u a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,T a i y u a n,S h a n x i ０ ３ ０ ０ ２ ４,C h i n a; ３ 􀆱 P o s t d o c t o r a lR e s e a r c hS t a t i o n,S h a n d o n gE n e r g yG r o u p,J i n a n,S h a n d o n g２ ５ ０ ０ １ ４,C h i n a A b s t r a c t I no r d e r t os o l v e t h eh i g hc o n s u m p t i o no fm a n p o w e r a n dm a t e r i a l r e s o u r c e s,l o we f f i c i e n c y,u n a b l em a n a g ed i r e c t l y a n do t h e rp r o b l e m s i nt r a d i t i o n a lm i n es a f e t y i n s p e c t i o n s,a n da i m i n ga t t h e s m a l l o p e r a t i o ns p a c e,m o r eh a r m f u l g a s e s,h i g hh u Ｇ m i d i t y,c o m p l e x l i g h t c o n d i t i o na n do t h e r e n v i r o n m e n t a l c h a r a c t e r i s t i c so f u n d e r g r o u n dm i n e ,t h e a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t o f i n t e l Ｇ l i g e n tb e l t c o n v e y o r i n s p e c t i o nr o b o t i n s t e a do fw o r k e rw a sp r o p o s e d,a n dt h es y s t e ms t r u c t u r a l c o m p o s i t i o no f t h er o b o ts y s t e m w a se l a b o r a t e d,t h ed r i v es y s t e m,i m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m,v o i c e i n t e r c o ma n de m e r g e n c yb r o a d c a s t i n gs y s t e m,e n v i r o n m e n t a l d e t e c t i o ns y s t e m,i n t e l l i g e n t a n t i Ｇ c d l i s i o na n do b s t a c l ea v o i d a n c es y s t e mo f t h er o b o ts y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o np a r a m e t e r sw e r e i n t r o d u c e d i nd e t a i l 􀆱T h ef i e l di n d u s t r i a l t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no f i n t e l l i g e n tb e l tc o n v e y o r i n s p e c t i o nr o b o ta Ｇ c h i e v e dt h eg o a l o fp e o p l e r e d u c t i o nb ya u t o m a t i o n,r e d u c e d t h e c o s t,i m p r o v e d t h e a u t o m a t i cd e g r e e a n d f a u l t h a n d i n ge f f i c i e n c y, a n dh a dg o o de c o n o m i ca n dt e c h n i c a l b e n e f i t s 􀆱 K e yw o r d s c o a lm i n er o b o t,i n t e l l i g e n t i n s p e c t i o n,b e l t c o n v e y o r i n s p e c t i o nr o b o t,p e o p l er e d u c t i o nb ya u t o m a t i o n 矿山安全巡检是保证矿山开采安全的重点工作 之一,其主要的检查内容包括排水系统、开采系 ５３ 智能带式输送机巡检机器人在煤矿的应用 统、电力、矿内外环境等.安全巡检工作不仅需要 安全巡检人员每天定时开展巡检工作,还要投入大 量的时间和物力,以确保全面掌握整个矿山运行情 况.当前,人工巡检方式存在工作量大、效率低、 过分依赖巡检人员经验以及人力资源浪费等问题. 随着技术的进步和矿山等高危行业要求的提高,通 过智能巡检机器人来代替人工巡检,实现直观可视 化管理,对降低劳动强度、提高煤矿管理水平、推 动矿山工作管理模式向数字化、现代化方向发展以 及确保矿山的安全生产具有重要意义. 智能巡检机器人多应用于电力、油田管道、地 下管廊的安全巡检,可以实现可见光、红外线、语 音交互、环境检测及智能分析功能.随着煤矿行业 “ 自动化减人,智能化无人”的要求,当前矿用巡 检机器人开始越来越受到重视.杨学军等[ １]研究人 员开展了液压支架巡检机器人姿态研究,并提出了 相关模型,对液压支架直线度、姿态等重要参量进 行结算;蒋春鹏[ ２]提出了改进的电动输电线巡检机 器人方案,并对其关键结构进行设计;潘祥生、周 展等[ ３－５]研究人员研究了一种适用于煤矿井下巷道 的矿用悬线式巡检机器人,分析了其动力学特性和 控制系统;李学民[ ６]分析了特殊环境下井下巡检机 器人的研究现状及关键技术;裴文良等[ ７]研究人员 研发了适用于水泵房、变电站等井下硐室设备自动 巡检的防爆巡检机器人;张士海[ ８]详细介绍了龙王 沟煤矿主斜井应用的矿用巡检机器人,认为矿用巡 检机器人的应用显著提高了巡检效率,具有良好的 经济技术效益;陆文涛、马静雅等[ ９,１ ０]研究人员设 计了矿用输送机巡检机器人,提高了带式输送机的 故障处理效率. 然而,煤矿用智能带式输送机巡检机器人的研 究仍然不成熟,随着现在人力成本不断提高,国家 提出 “ 智能制造”战略和 “ 安全矿山”方针,对智 能带式输送机巡检机器人在煤矿的应用提出了更高 的要求,现场应用效果对智能带式输送机巡检机器 人研究的完善发挥了重要的推动作用. １ 智能带式输送机巡检机器人应用要求及结构组成 １ 􀆱 １ 智能带式输送机巡检机器人应用要求 鉴于煤矿井下带式输送机工作环境的特殊性和 复杂性,智能带式输送机巡检机器人需要满足以下 条件. １工作环境湿度大,需要考虑湿度对智能带 式输送机巡检机器人精度和稳定性的影响. ２大型机电设备附近存在电磁和射频干扰, 要求智能带式输送机巡检机器人系统具备较强的抗 干扰能力. ３工作空间具有长度大、起伏转弯且空间狭 小等特点,这对智能带式输送机巡检机器人的行走 速度、最大行走距离、爬坡能力、转弯半径、控制 方式提出较高要求. ４运煤廊道巡检要求具有一定的智能性和强 大的监控功能,包括对机电设备温度监控、气体浓 度监控、视频监控等功能. ５智能带式输送机巡检机器人应保证安全, 具备充电闭锁功能. ６智能带式输送机巡检机器人具备环境检测 分析、声音采集及双向对讲、本体自检、远程控制 等功能. ７通过强大的远程监控平台,具备实现环境 与设备不间断的移动监控监测、应急火灾报警与处 置的功能. １ 􀆱 ２ 智能带式输送机巡检机器人结构组成 为了实现上述功能,智能带式输送机巡检机器人 设计有驱动系统、图像采集系统、语音对讲及应急广 播系统、环境检测系统、智能防撞与避障系统等.智 能带式输送机巡检机器人结构组成如图１所示. 图１ 智能带式输送机巡检机器人结构组成 １驱动系统.由于选煤厂带式输送机廊道内 地形复杂,智能带式输送机巡检机器人运行轨道存 在转弯、上下坡困难等情况,为了使智能带式输送 机巡检机器人在各种情况下都能平稳行走,需要有 较好适应能力的行走机构.因此,设计了驱动系 统,该系统设计有左右压紧机构、水平旋转机构和 垂直旋转机构,可保障智能带式输送机巡检机器人 多方位稳定巡检.驱动系统结构示意图如图２所 示. ６３ 中国煤炭第４ ６卷第６期２ ０ ２ ０年６月 图２ 驱动系统结构示意图 ２图像采集系统.图像采集系统搭载一体化 高性 能 云 台,红 外 热 成 像 及 可 见 光 摄 像 机 参 数 见表１. 表１ 图像采集系统参数表 序号指标参数 １ 热灵敏度 ＜６ ０m k＠３ ０ ０ K,f １ 􀆱 ０ ２ 帧频 ２ ５H z ３ 响应波段 １ ７μm ４ 测温范围 －２ ０℃１ ５ ０℃/５ ０℃５ ０ ０℃ ５ 镜头 ９mm ６ 测温方式点测温、区域测温 ７ 温度显示图像上叠加及十字光标跟踪 ８ 调焦定焦 ９ 非均匀校正无挡片技术,视频连续输出 １ ０ 数字变焦 x ２,x ４ １ １ 图像分辨率 ５ ０H z２ ５f p s,６ ０H z３ ０f p s; １ ９ ２ ０ x １ ０ ８ ０ １ ２ 分辨率 ２ １ ０万像素 １ ３ 传感器类型 １/２ 􀆱 ８ ″P r o g r e s s i v eS c a nCMO S １ ４ 镜 头 ４倍光学变焦,f ＝２ 􀆱 ８１ ２mm 水平视角 １ １ ５ ３ ３ 􀆱 ８ 广角－望远 １ ５ 近摄距 １ ０１ ５ ０ ０mm 广角－望远 １ ６ 变倍速度大约１s 光学,广角－望远 １ ７ 光圈值 F １ 􀆱 ６－F ２ 􀆱 ７ １ ８ 最低照度 彩色０ 􀆱 ０ ５ L u x F １ 􀆱 ６,A G CON 黑白０ 􀆱 ０ １ L u x F １ 􀆱 ６,A G CON １ ９ 预置点 ２ ５ ６个预置点,预制精度＜０ 􀆱 ０ ５ ２ ０ 巡航扫描 ６条,每条含１ ６个预置点,时间可调 ３语音对讲及应急广播系统.语音对讲和应 急广播系统集扩音对讲、语音监听、消防广播和调 度功能于一体,实现现场与调度室的交互式对话及 紧急通 讯.根 据 使 用 要 求,该 系 统 语 音 监 听 范 围为５８ ０m ２,且 灵 敏 度 可 调, 输 出 阻 抗 为 ６ ０ ０１ ０ ０ ０Ω的非平衡电阻,在１m距离４ ０d B音 源情况下,信噪比为８ ５d B,接收频率范围为２ ０ ２ ０k H z. ４环境检测系统.环境检测系统具备气体检 测、温度湿度检测、烟雾检测、光照度检测和火焰 探测功能.对于矿山特殊工作环境来说,气体检测 尤为重要.智能带式输送机巡检机器人检测实现了 ４种气体高浓度连续检测,可实现超限报警.气体 检测指标见表２. 表２ 气体检测指标 检测气体 检测范围 /％ 准确度 /F 􀆱 S 􀆱 分辨率 /％ C O００ 􀆱 １２％０ 􀆱 ０ ０ ０ １ H２S００ 􀆱 ０ １２％０ 􀆱 ０ ０ ０ １ O ２ ０２ ５２％０ 􀆱 １ CH４０２２％０ 􀆱 ０ ２ 温度、湿度检测的测量范围为温度－４ ０℃＋ １ ２ ３ 􀆱 ８℃,湿度为０％１ ０ ０％RH,温度和湿度的 测量精度分别为０ 􀆱 ５℃和４ 􀆱 ５％RH.烟雾检测 灵敏度为０ 􀆱 ５d b/m０ 􀆱 １d B/m .光照度检测 的测量范围为０６ ５ ５ ３ ５L u x,并且可按照不同光 照场景进行智能调整,具体为黑夜时为０ 􀆱 ０ ０ １ ０ 􀆱 ０ ２L u x,月夜时为０ 􀆱 ０ ２０ 􀆱 ３L u x,阴天室内时 为５５ ０L u x,阴天室外时为５ ０５ ０ ０L u x,晴天 室内时为１ ０ ０１ ０ ０ ０L u x.火焰探测也尤为重要, 火焰探测采用检测紫外线波长 １ ８ ５２ ６ ０n m的 紫外光辐射探测器,检测参数见表３. 表３ 火焰探测参数指标 指标参数 指示灯绿色正常工作;红色报警 检测方式检测紫外线波长 １ ８ ５２ ６ ０n m 检测距离 １ ０m,０ 􀆱 ２s 检测角度检测距离条件下水平、垂直１ ２ ０ 检测距离 ≤４ ０m ５智能防撞与避障系统.智能防撞与避障系 统是保证智能带式输送机巡检机器人长期稳定运行 的重要组成部分.该系统通过对障碍物和隧道内工 作人员进行探测和自身高精度定位,实现智能防撞 和避障功能,遇到障碍自动停止并报警.同时,从 本质安全角度考虑,加装安全触边,防止碰撞造成 人员及设备损伤.该系统的探测距离为０３m,探 测角度为１ ２ ０ ,可实时更新自身位置信息,定位精 度达０ 􀆱 ０ １m.同时设置有断电制动功能,当智能带 ７３ 智能带式输送机巡检机器人在煤矿的应用 式输送机巡检机器人在运行过程中,如遇故障断电, 智能带式输送机巡检机器人可立即停止,起到保护 作用. ２ 智能带式输送机巡检机器人现场应用及效果 ２ 􀆱 １ 智能带式输送机巡检机器人现场应用 ２ ０ １ ９年１月,智能带式输送机巡检机器人在 山东能源临沂矿业集团下属的山东里能鲁西矿业有 限公司 以下简称鲁西煤矿进行现场应用.通过 现场工业性试验及应用,智能带式输送机巡检机器 人满足带式输送机运输安全监控的实际需求,系统 运行状况良好,监测性能稳定可靠,故障识别能力 强,报警及时且信息准确可信.智能带式输送机巡 检机器人实现了直观可视化的管理.通过带式输送 机管理系统的建设,实现了巡检可视化、一键智能 巡检、智能报警等功能.智能带式输送机巡检机器 人现场监控画面及运行参数如图３所示. 图３ 智能带式输送机巡检机器人现场监控画面及运行参数 由图３可以看出,智能带式输送机巡检机器人 系统对现场画面及监控设备运行参数可以实时调 取.在视频监控的同时,在右上角实时显示红外摄 像机监控图像并显示最高温度. 智能带式输送机巡检机器人可通过操作界面实 现实时监控、历史数据、参数设置等功能,实现对 智能带式输送机巡检机器人的远程控制,实现远程 在线监测与现场巡检相结合,在带式输送机廊道内 打造无人巡视与处置管理新模式.智能带式输送机 巡检机器人功能设置界面如图４所示. ２ 􀆱 ２ 智能带式输送机巡检机器人应用效果 鲁西煤矿在智能带式输送机巡检机器人应用 前,人员定额为８ ５人,应用智能带式输送机巡检 机器人后,人员定额为２ ５人,年节约资金５ ０ ０万 元以上.智能带式输送机巡检机器人提高了自动化 程度和故障处理效率,大大降低了工人的劳动强度 和事故带来的损失,取得了良好的技术经济效益. 在保证安全和生产稳定的前提下,智能带式输送机 ８３ 中国煤炭第４ ６卷第６期２ ０ ２ ０年６月 巡检机器人实现了 “ 自动化减人”的目标. 图４ 智能带式输送机巡检机器人功能设置界面 ３ 结语 １智能带式输送机巡检机器人可以通过各种 传感器对设备、作业空间环境等基础数据进行搜 集,并充分发挥集团大数据分析中心优势,利用大 数据算法及时掌握和判断设备的运行状况,实现了 设备性能的充分利用. ２智能带式输送机巡检机器人可以实现对带 式输送机廊道工作环境和设备的全方位监测,实现 可视化管理和实施预警,提升了巡检效率和准确 性.进一步通过机器人和技术人员的联动互馈,实 现了对异常情况的及时处理. ３智能带式输送机巡检机器人的应用实现了 “ 自动化减人”的目标,降低了成本,提高了自动 化程度和故障处理效率. 参考文献 [ １] 杨学军,王然风,王怀法,等􀆱基于运动过程还原 法的液压支架巡检机器人位姿检测研究 [ J]􀆱太原 理工大学学报,２ ０ ２ ０,５ １ ２ １ ６ ２－１ ７ ０ 􀆱 [ ２] 蒋春鹏􀆱矿用高压输电线路巡检机器人的设计[J]􀆱 煤矿机械,２ ０ １ ４,３ ５ ６ １ ５ － １ ７ 􀆱 [ ３] 潘祥生􀆱矿用悬线式巡检机器人的设计及动力学分 析 [ J]􀆱煤矿机械,２ ０ １ ９,４ ０１ １ ４－７ 􀆱 [ ４] 周展􀆱矿用悬线巡检机器人控制系统研究 [D]􀆱西 安西安科技大学,２ ０ １ ８ 􀆱 [ ５] 靳子浩􀆱矿用悬挂式巡检机器人设计 [D]􀆱西安 西安科技大学,２ ０ １ ７ 􀆱 [ ６] 李学民􀆱矿用巡检机器人关键技术分析 [J]􀆱煤矿 机械,２ ０ １ ８,３ ９ ５ ７ １－７ ３ 􀆱 [ ７] 裴文良,张树生,李军伟􀆱矿用巡检机器人设计及 其应用 [ J]􀆱制造业自动化,２ ０ １ ７,３ ９２ ７ ３－ ７ ４,９ ４ 􀆱 [ ８] 张士海􀆱矿用巡检机器人在煤矿中的应用 [J]􀆱煤 矿机电,２ ０ １ ６ ５ ７ ６－７ ９ 􀆱 [ ９] 陆文涛,裴文良,张树生,等􀆱矿用带式输送机巡 检机器 人研 究与 设 计 [J]􀆱煤 矿 机 械,２ ０ １ ５,３ ６ ９ １ ８－２ ０ 􀆱 [ １ ０] 马静雅,岑强,李军伟􀆱矿用带式输送机巡检机器 人系统设计 [ J]􀆱煤炭技术,２ ０ １ ６,３ ５１ ２ ４ ９ －２ ５ １ 􀆱 作者简介邵珠娟 １ ９ ８ ６－, 女, 山东临沂人, 工程 师, 共获得各类成果８项, 其中省部级科技成果奖励４项, 获得软件著作权５项, 拥有专利１ ０余项, 其中发明专利４ 项. 现任职于山东能源临矿集团技术研发中心科长, 主要 从事煤矿自动化技术研究及技术管理工作.E Ｇ m a i ls h a Ｇ o z h u j u a n ＠１ ６ ３． c o m. 责任编辑 路 强 ９３ 智能带式输送机巡检机器人在煤矿的应用