矿用带式输送机巡检机器人技术现状及发展趋势

来源:中国高新科技
关键字:带式输送机,巡检机器人,定位和导航技术
发布时间:2023-07-21 19:38

　　龙庆华杨满囤杨锐

　　（陕西陕煤蒲白矿业有限公司，陕西渭南 714000）

　　摘要：带式输送机作为煤矿主要的运煤装备，其运行过程的安全稳定对于提高煤矿企业的生产效率和经济效益具有重要意义。巡检机器人作为人工巡检的替代品正被广泛用于带式输送机的日常巡检工作，能够提高输送机故障巡检的准确度，大幅减轻运维人员的工作强度。文章主要围绕巡检机器人的现状，对3种主要类型、4种关键技术以及未来的发展趋势进行分析研究，旨为后续研究奠定基础，加快推动煤矿智能化建设进程。

　　关键词：带式输送机；巡检机器人；定位和导航技术；动力供给技术；数据分析智能化　文献标识码：A　中图分类号：TP242

　　文章编号：2096-4137（2023）08-81-03　　DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2023.08.23

　　当前，煤矿智能化发展是中国煤炭工业高质量发展的战略任务和必由之路。带式输送机作为煤矿主流运输的关键设备，常处于恶劣的运行条件下高强度工作，输送带易发生打滑、跑偏、撕裂、断裂、堆煤、托辊停转、电机超温等故障。因此，输送带故障巡检工作十分重要。传统的人工巡检主要通过人眼观察和主观经验对带式输送机的故障进行判断和分析，易造成误判漏检。基于传统人工巡检的不足，巡检机器人技术应运而生，利用移动机器人通过设定输送机故障评价标准和体系，准确识别带式输送机的故障并及时预警，从而实现煤矿井下“减人增安”的目的。根据巡检工作点的不同可将煤矿巡检机器人分为巷道、综采工作面、带式输送机巡检机器人等。其中带式输送机巡检机器人的研究较为成熟，应用于国内外众多煤矿，但目前其功能单一，智能化程度较低，还有较大的发展潜力和研究意义。

　　1　带式输送机巡检机器人研究现状

　　带式输送机巡检机器人技术发展较晚，但在煤矿智能化建设浪潮的推动下，近些年带式输送机巡检机器人技术取得较大的突破，针对不同的煤矿环境发展出了不同的带式输送机巡检机器人类型，衍生出了带式输送机巡检机器人的相关关键技术，并在国内外较多煤矿企业获得成功应用。

　　2　带式输送机巡检机器人主要类型

　　2.1　轨道式巡检机器人

　　轨道式巡检机器人通过安装在顶部的驱动轮在刚性轨道上移动，刚性轨道一般采用槽钢、工字钢或者片钢等材料制成，巡检机器人底部和前方布置各种传感器。当机器人沿着刚性轨道运动时，完成对输送带的在线监测。轨道式巡检机器人目前在带式输送机巡检领域研究和应用最多，例如：宣鹏程等针对带式输送机故障检测不及时、巡检人员劳动强度大等问题，设计了一套轨道式带式输送机巡检机器人系统，提高了输送机的巡检效率；程德强申请公开专利《一种煤矿井下轨道式大倾角巡检机器人》，解决了机器人大倾角爬坡运行及实现安全制动等问题。中盛博方开发设计了一套输煤廊道及皮带机轨道式巡检系统可以代替巡检人员的工作，实现全天候检测与分析等。

　　2.2　轮式巡检机器人

　　轮式巡检机器人不同于轨道式巡检机器人，通过安装在机器人底盘上的驱动轮来驱动机器人的运动，无固定轨道，在皮带巷道内可自由移动，灵活度较高，适用范围较广。但由于皮带巷道不平稳，机器人在移动过程中会造成检测精度降低。轮式巡检机器人在国内外研究较早，近些年才逐渐被用于井下带式输送机的巡检作业中。例如：杨代强以某型矿用智能轮式巡检机器人为研究对象，建立了矿用智能轮式巡检机器人路径跟踪模型，为矿用智能轮式巡检机器人向高精度、智能化等方向发展提供了理论依据；姜海等人针对煤矿井下运输巷道的布置条件，设计了一套在带式输送机巷道人行侧适用的自动化无轨巡检机器人，通过搭载视觉识别系统和信息采集系统，为带式输送机运行状态监测提供数据支持。

　　2.3　履带式巡检机器人

　　履带式巡检机器人同轮式巡检机器人，各传感器安装于机器人顶端和前端，采用履带与履带轮啮合的驱动方式，该驱动方式使其可在较恶劣环境下开展工作。履带式机器人最早用于煤矿井下人员搜救和复杂环境下的设备巡检等工作，例如：杨壘等人对薄煤层综采工作面日常巡检工作，设计了一种关节式履带机器人，提高了巡检机器人的环境适应能力；赵建伟等介绍了一种可用于薄煤层井下巡检的六履带式移动机器人，其具有较强的灵活性和越障能力等优点。而在带式输送机巡检工作方面履带式巡检机器人也有少量研究，如胡坤等人申请发明专利《一种新型矿用带式输送机的巡检机器人》，具有较广的适用范围等。

　　3　带式输送机巡检机器人关键技术

　　3.1　检测和感知技术

　　为了实现带式输送机的日常巡检需求，机器人的检测和感知技术必不可少，通过设置可见光摄像机、红外线摄像机、拾音器和烟雾传感器等传感器对带式输送机的输送带、驱动电机和托辊进行在线检测和感知。常见的检测方法是利用可见光摄像机结合视觉算法实现对输送带打滑、跑偏、堆煤等故障的检测；红外线摄像机可直接监测电机、托辊运行过程中的发热问题；拾音器可对输送带运行过程中出现的尖叫现象进行数据处理，并判断是否存有异常；烟雾传感器等专用传感器直接用于检测巷道内的烟雾浓度等。而在巡检机器人的感知过程中，单一的传感器无论是距离检测还是目标特征提取都难以获得全面的环境信息，对提取信息的可靠性也有较大影响，而多传感器融合算法是一种提高各传感器感知可靠性的方法，是目前研究的重点。

　　3.2　定位和导航技术

　　煤矿井下一般处于无 GPS 定位环境中，巡检机器人无法精准定位和导航，需要利用激光雷达、视觉传感器等装置主动或被动确定自己的位置和姿态。当检测或感知到输送带发生故障时，地面监控人员可准确跟踪输送带故障点及时排除故障，早期巡检机器人通过提前在机器中储存煤矿井下的先验地图，实现巡检定位和导航。随着开采或者作业环境的改变，该方法不再适用，SLAM（同步定位与地图构建）技术应运而生。当前，轮式和履带式巡检机器人多采用激光雷达和 SLAM 技术进行井下定位和导航，而轨道式巡检机器人的巡检路线固定，采用 RFID（射频识别）技术即可满足其定位和导航要求。但目前激光雷达和 SLAM 技术研究多停留在理论验证阶段，还未应用于井下同步定位和建图工作中，井下环境光照不足、煤粉较大会降低 SLAM 技术的建图精度，影响巡检机器人定位和导航效果等。

　　3.3　动力供给技术

　　目前，带式巡检机器人多采用内置电池加自主充电的动力供给技术，巡检机器人体积较小。一般内置电池多采用锂电池为其提供动能，但电池的续航能力较差，无法实现较长距离输送机的巡检工作，机器人在巡检过程中还要具备自主充电功能。当机器人在巡检过程中检测到电量低于设定值时，机器人控制系统通过驱动电机牵引机器人到距离最近的充电桩充电。自主充电解决了巡检机器人续航能力差、巡检距离短的问题，有利于实现煤矿巡检机器人井下自运转和不间断智能巡检作业。因此，巡检机器人设计时要尽可能在不增加电池自重和成本的前提下增大电池容量，还要具备自主控制充电的能力。

　　3.4　无线通信技术

　　煤矿巷道一般位于地下几十米甚至几千米，地面上常用的 3G/4G 通信、WiFi4/ WiFi 无线通信和卫星通信等技术，在带宽、容量、时延和可靠性等方面很难满足煤矿智能化建设的需求，并且由于大型机械设备在井下的启停、运转会产生较大的电磁干扰影响通信信号的传输。如何将巡检机器人巡检数据传输到地面，保证地面监控人员和井下运维人员实时通信并及时排除输送机故障是巡检机器人需要解决的关键问题。而 5G 和 WiFi6 无线通信技术的成熟，为巡检机器人的发展指明了方向，通过先进的无线通信技术准确、全面地获取井下带式输送机各种安全生产数据和环境视频，实现井上井下高清音视频通话、巡检数据的快速传输、带式输送机的远程操控等功能，对于提高井下生产安全具有重要意义。

　　4　带式输送机巡检机器人发展趋势

　　4.1　机械结构轻量化

　　带式输送机巡检机器人多采用轨道式巡检机器人，需要铺设较长的钢制轨道，自重较大，建设成本较高，且巡检机器人工作时需要多种不同工作原理的传感器和摄像头同时工作，要求在机器人本体上安装大量的传感器、摄像头等装置，造成机器人本体过重，在满足巡检要求的前提下，研发轻量化、小型化的巡检机器人机械结构，对增加巡检机器人的巡检效率和推动煤矿企业带式输送机智能化无人巡检建设具有重要研究价值和意义。

　　4.2　功能集成化

　　带式输送机巡检机器人在实现功能增加的同时会造成机器人设计成本和体积的增大，不利于机器人的推广应用。通常某一种检测或作业装置实现的功能较单一，巡检机器人在工作时一般需要运维人员配合进行故障排除工作，不能完全实现输送机运输巷道的无人化操作，限制了巡检机器人的使用价值和工程意义。而带式输送机巡检机器人的功能集成化可以将不同的检测功能集成于单个检测装置上，在实现巡检要求的同时不增加机器人的成本和体积，也可以在巡检机器人上安装机械臂等作业装置，将巡检与作业功能集成于一体，极大地提高了机器人的巡检效率和智能化水平。

　　4.3　数据分析智能化

　　带式输送机巡检机器人在巡检过程中传感器和摄像头会产生大量的数据信息，其中包含有用和无用的巡检数据信息，如何精确地筛选有用信息并做出准确判断并预警是巡检机器人需要解决的关键问题。与此同时，在处理大量巡检数据信息的基础上建立故障检测信息大数据库，对后续智能化巡检过程中的故障识别和判断具有实际参考价值。当前，多传感器融合算法已在地面无人驾驶汽车中成功获得应用，而在煤矿井下应用较少，如何将多传感器融合算法引入带式输送机智能巡检机器人中，强化巡检机器人的自主学习和自主决策能力，实现信息数据分析处理的智能化是带式输送机巡检机器人的发展趋势之一。

　　5　结语

　　带式输送机巡检机器人技术已经被提出多年，经历了信息化浪潮的洗礼，正朝着智能化的方向发展，整体而言国内外带式输送机巡检机器人的智能化进程还处于起步阶段，仍存在相关技术难题。

　　作者简介：龙庆华（1980-），男，河南周口人，陕西陕煤蒲白矿业有限公司高级机电工程师，研究方向：电气工程及自动化。

　　参考文献

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　　[8]朱文秀．5G移动通信助力煤矿智慧矿山建设的研究与应用[J]．中国高新区，2019（24）:260.