（1．煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2．煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

0 前言

跟據(jù)煤礦開采要求，在煤與瓦斯突出礦井、高瓦斯礦井以及滿足相關(guān)抽采條件的區(qū)域須建立抽采瓦斯系統(tǒng)，瓦斯抽采泵站是瓦斯抽采系統(tǒng)的核心，泵站運行情況的好壞直接影響煤礦的正常開采和工人的生命安全[1]。目前泵站大多采用人工巡查與智能監(jiān)控結(jié)合的方式巡檢，人員需定期輪崗查看設(shè)備的運行情況，每個瓦斯抽采泵站需要多人看管，生產(chǎn)效率低，遇到緊急狀況無法及時應(yīng)對。2019 年國家煤礦安監(jiān)局公布《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》，對煤礦機器人的研發(fā)提出要求，希望通過“機器換人”來實現(xiàn)煤礦作業(yè)的“少人則安”和“無人則安”。應(yīng)用巡檢機器人替代人工巡檢能夠提升瓦斯抽采泵站巡檢的效率及安全性，然而由于對智能巡檢系統(tǒng)的理解不同，在巡檢機器人設(shè)計及應(yīng)用過程中會存在較大偏差，導(dǎo)致改造費用過高，實際運行效果參差不齊，故障點較多。因此，突破巡檢機器人的設(shè)計難點并規(guī)范設(shè)計準則，更好地將機器人系統(tǒng)融入煤礦瓦斯抽采泵站的日常生產(chǎn)中是十分重要的，該文將對煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機器人的選型及關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

1 煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機器人選型

巡檢機器人屬特種機器人領(lǐng)域，興起于20 世紀80 年代，最先應(yīng)用在電力行業(yè)，主要應(yīng)用在變電站和輸電線路中，用于替代人工完成相應(yīng)的巡檢工作[2]。煤炭作為能源行業(yè)的重要支撐，機器人的發(fā)展能夠使煤礦企業(yè)實現(xiàn)降本增效，有利于煤礦企業(yè)向智能化方向轉(zhuǎn)型升級，鑒于巡檢機器人在電力等非煤領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，適用于煤礦瓦斯抽采泵站的巡檢機器人主要有3 類。

1.1 輪式巡檢機器人

該種機器人采用四輪獨立驅(qū)動方式行走[3]，通過控制各驅(qū)動裝置的速度來實現(xiàn)機器人的行走，搭載各種檢測單元及攝像頭對環(huán)境及危險氣體等進行檢測，完成圖像識別、異常情況報警等巡檢任務(wù)，基于無線網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)本機及遠程監(jiān)控。

1.2 吊軌式巡檢機器人

該種機器人一般布置在室內(nèi)，機器人本體搭載檢測單元，在鋪設(shè)好的軌道上移動采集檢測數(shù)據(jù)[4]，采用無線數(shù)據(jù)傳輸，完成巡檢任務(wù)，大多采用無線充電模式，可以遠程分析數(shù)據(jù)，達到監(jiān)控的目的。

1.3 四足巡檢機器人

該種機器人基于仿生學(xué)設(shè)計，大多采用四足來支撐機器人本體[5]，對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性強，行走更加自如，越障爬坡功能優(yōu)越，通過搭載的檢測單元完成巡檢任務(wù)，該種機器人技術(shù)含量高，系統(tǒng)集成度高。

對比上述3 種巡檢機器人，輪式巡檢機器人不需要鋪設(shè)軌道，現(xiàn)場施工量較小，在大面積的巡檢場中使用時維護量較小，但該種機器人的造價較高，在狹小空間作業(yè)時，容易誤報警或失去位置。四足巡檢機器人技術(shù)大多依賴于國外，國內(nèi)的成熟技術(shù)較少，造價最高，而且四足機器人的運行關(guān)節(jié)較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，防爆處理比較困難，難以適應(yīng)煤礦等惡劣環(huán)境。煤礦瓦斯抽采泵站的場所固定，站內(nèi)水環(huán)真空泵系統(tǒng)及管路布置規(guī)整，從巡檢機器人的成本造價和可靠性角度分析，應(yīng)用吊軌式巡檢機器人最為合理，其可充分利用瓦斯抽采泵站上方的空間，通過鋪設(shè)軌道來搭建巡檢路徑，可以對環(huán)境參數(shù)、危險氣體、圖像采集及溫度等進行實時檢測，實現(xiàn)了對瓦斯抽采泵站的遠程監(jiān)控和無人化智能巡檢。

2 煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機器人基本組成

吊軌式巡檢機器人的本體在內(nèi)部驅(qū)動單元的牽引下，按預(yù)先鋪設(shè)好的軌道在泵站內(nèi)巡檢，由充電單元給其充電，機器人本體上搭載有攝像機、紅外溫度熱成像儀、危險氣體探測傳感器及照明燈等探測單元，用于檢測瓦斯抽采泵站內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)，檢測數(shù)據(jù)通過搭建基站無線傳輸至本地及遠程控制系統(tǒng)，能夠?qū)ξｋU氣體超標、溫度超限及設(shè)備運轉(zhuǎn)異常等狀況進行報警，本地控制系統(tǒng)用于存儲檢測數(shù)據(jù)并留有通信接口與泵站控制系統(tǒng)通信，出現(xiàn)緊急情況可以停止水環(huán)真空泵運行，巡檢機器人系統(tǒng)主要組成如圖1 所示。

圖1 瓦斯泵站巡檢機器人系統(tǒng)組成

3 煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機器人關(guān)鍵技術(shù)

3.1 防爆技術(shù)

煤礦工作環(huán)境中多有瓦斯、粉塵等污染物，所以要求機器人應(yīng)具有防爆、防塵、防潮、抗腐蝕等功能，其中防爆設(shè)計是巡檢機器人在煤礦瓦斯抽采泵站中應(yīng)用時需重點研究的技術(shù)。

3.1.1 驅(qū)動單元防爆設(shè)計

巡檢機器人驅(qū)動單元控制機器人的行走和啟停等功能，驅(qū)動單元中電機選型和設(shè)計是關(guān)鍵，國內(nèi)隔爆型三相異步電機和增安型三相異步電機為主流產(chǎn)品，功率覆蓋范圍廣，但是應(yīng)用于類似機器人的小型動力設(shè)備中的小功率電機比較少，具有安標認證的電機型號單一，受結(jié)構(gòu)限制該種小功率電機的通用性較差。因此，煤礦巡檢機器人的電機需要單獨進行防爆設(shè)計，結(jié)合電機功率及性能選擇合適的防爆技術(shù)類型。

3.1.2 機器人本體防爆設(shè)計

機器人本體是檢測單元的載體，需要具有高可靠性，機器人本體要根據(jù)內(nèi)置的電氣控制單元的功率容量等，確定進行本質(zhì)安全性防爆處理還是隔爆兼本安型防爆處理。由于搭載了多個檢測元件，檢測元件與機器人本體的控制單元之間的接線引入方式需要進行重點設(shè)計。為解決機器人移動有線供電電纜布置不便的問題，機器人內(nèi)部電路采用低功耗利用電池組供電方式，煤礦井下不允許使用無線充電技術(shù)，機器人本體應(yīng)由防爆充電箱供電，二者通過電纜連接裝置（插頭、插座）連接，由于運行環(huán)境中存在高危氣體，在使用時應(yīng)注意防止產(chǎn)生電火花，做好防爆防靜電處理。

3.2 自主導(dǎo)航定位技術(shù)

巡檢機器人自主導(dǎo)航定位技術(shù)是實現(xiàn)智能巡檢的核心技術(shù)，目前移動機器人的導(dǎo)航方式根據(jù)導(dǎo)航指示信號的不同主要分為GPS 導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航及射頻識別導(dǎo)航等[6]。在煤礦井下應(yīng)用時GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航信號無法穿過地表，煤礦井下地形復(fù)雜、環(huán)境低照度、電磁干擾強烈且環(huán)境中存在高危氣體，導(dǎo)致定位技術(shù)很難在井下應(yīng)用。煤礦瓦斯抽采泵站采用吊軌式巡檢機器人，巡檢路徑固定，從經(jīng)濟型和實用性角度分析，適合選用射頻識別導(dǎo)航定位方式，在鋪設(shè)好的軌道上設(shè)置RIFD 標簽標記位置，根據(jù)其在非煤領(lǐng)域變電所的大量應(yīng)用可知，該種導(dǎo)航定位方式準確率高、成本較低且易于安裝。

3.3 動力電池續(xù)航技術(shù)

煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機器人的本體經(jīng)過防爆處理后質(zhì)量增加，驅(qū)動單元需要有足夠的驅(qū)動力，這就導(dǎo)致驅(qū)動電機的功率增加。因此，為應(yīng)對長時間的自動巡檢任務(wù)，動力電池系統(tǒng)需要配置大功率密度電池作為動力電源，并具備自主充電功能，以此來保證機器人能夠持續(xù)巡檢。煤礦瓦斯抽采泵站的巡檢機器人的巡檢路徑固定，無需越障，機器人本體所需的動力電源供應(yīng)電流較為恒定，設(shè)計重點在于平衡防爆處理后，機器人本體質(zhì)量增加與電池滿足高動力輸出之間的關(guān)系。機器人動力電池系統(tǒng)要求能夠與控制系統(tǒng)保持通信，控制系統(tǒng)能夠感知機器人本體的電量，當電量不足以進行巡檢時，控制機器人自主運行至充電單元進行充電，以此來保證持續(xù)巡檢能力。

3.4 智能控制技術(shù)

為減輕巡檢機器人本體的重量，在瓦斯抽采泵站設(shè)置本地防爆控制箱，用于接收及存儲來自機器人本體的檢測數(shù)據(jù)，并控制機器人在無人看管狀態(tài)下進行自動巡檢。為減少控制系統(tǒng)的計算工作量，需設(shè)計具有通用性及可靠性的自主巡檢算法，確保每次巡檢任務(wù)的實效性。

煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機器人雖然能夠?qū)崿F(xiàn)自主巡檢及報警功能，但是為了保證安全性仍需人員監(jiān)控，需建立遠程監(jiān)控系統(tǒng)，用于遠程監(jiān)測現(xiàn)場運行狀態(tài)并向機器人裝置發(fā)送控制指令，由于大部分礦工的文化水平較低，所以系統(tǒng)應(yīng)直觀、簡便，人機界面需要分配清晰、合理且具備在線故障診斷及報警系統(tǒng)。遠程監(jiān)控系統(tǒng)與瓦斯泵站本地控制終端之間采用無線通信方式，無線通信方式的選擇需要重點考慮傳輸距離、傳輸信號質(zhì)量、抗干擾能力以及投入成本等因素。

4 結(jié)語

煤礦瓦斯抽采泵站采用巡檢機器人系統(tǒng)代替人工巡檢，能夠在完成巡檢任務(wù)的同時提高巡檢效率及可靠性，能夠提升瓦斯抽采泵站的智能化監(jiān)控水平，符合國家對于智慧礦山建設(shè)的整體規(guī)劃要求，是普及無人化礦井建設(shè)的重要示范性裝備系統(tǒng)。該文探討了煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機器人的選型及基本組成，對防爆、自主定位導(dǎo)航、動力巡航及智能控制等關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，以期可以為礦用巡檢機器人的研制和開發(fā)提供參考。