趙春雷，田中華，李 航，舒愛(ài)國(guó)，朱紅金，李 明，李慧彤

(1.北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

20世紀(jì)90年代以前，我國(guó)部分地區(qū)小煤窯泛濫，無(wú)計(jì)劃開(kāi)采、越界偷采嚴(yán)重，導(dǎo)致生產(chǎn)布局混亂、資源浪費(fèi)。自2009年始，我國(guó)陸續(xù)對(duì)各中、小型煤礦進(jìn)行兼并重組，實(shí)現(xiàn)總體規(guī)劃、計(jì)劃開(kāi)采。但是，整合后的礦井，地質(zhì)資料不詳，采區(qū)受到老巷及房采區(qū)等破壞區(qū)的威脅，尤其是掘進(jìn)過(guò)程中揭露老巷及房采區(qū)時(shí)，容易造成大量有毒、有害氣體及老空水涌出，給安全生產(chǎn)帶來(lái)極大隱患。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)大部分礦井對(duì)老巷及房采區(qū)的探查與監(jiān)控都采取人工結(jié)合物探的方式進(jìn)行人為探巷，這樣不僅安全系數(shù)小，而且不能對(duì)老巷的實(shí)際情況進(jìn)行全面、正確的了解[1-3]。尤其遇到低矮、有害氣體聚集、頂板未支護(hù)的巷道，人員難以進(jìn)入，無(wú)法掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，給下一步制定具體生產(chǎn)措施及安全生產(chǎn)帶來(lái)了困難和障礙，并且人為探巷時(shí)，一旦遇到險(xiǎn)情，極有可能造成人員傷亡事故。

我國(guó)近年來(lái)步入煤礦智能化發(fā)展的初級(jí)階段，煤炭行業(yè)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)變革方興未艾，智能化、無(wú)人化、安全化開(kāi)采也是行業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向[4-8]。而礦用智能裝備尤其是機(jī)器人的研制與運(yùn)用是改善井下安全生產(chǎn)的根本手段之一。國(guó)內(nèi)外對(duì)煤礦用機(jī)器人已進(jìn)行了大量的研究[9-12]，美澳研制多種煤礦救援機(jī)器人用于救援工作，但在井下實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中面臨諸多難題，在惡劣的環(huán)境中多發(fā)生故障。國(guó)內(nèi)研制煤礦機(jī)器人起步較晚，目前對(duì)于不同用途的機(jī)器人檢測(cè)與應(yīng)用停留在實(shí)驗(yàn)室階段，在實(shí)際工況中應(yīng)用尚處于起步階段，并且機(jī)器人研發(fā)過(guò)程并未建立統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。由于井下環(huán)境特殊，存在瓦斯等易燃易爆氣體，機(jī)器人兼顧防爆性能、探測(cè)能力以及環(huán)境適應(yīng)能力至關(guān)重要。因此，機(jī)器人的感知、檢測(cè)、控制技術(shù)亟待創(chuàng)新是主要發(fā)展瓶頸之一。

因?yàn)榫颅h(huán)境惡劣，人工探巷直接影響煤礦生產(chǎn)和效益。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步，利用機(jī)器人進(jìn)行輔助生產(chǎn)及救援是保障安全的重要方向[13-17]。在這種情況下，攻關(guān)井下老巷探巷機(jī)器人研發(fā)技術(shù)難題，尤其針對(duì)機(jī)器人的感測(cè)與控制技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出具有人機(jī)交互、自主行走、數(shù)據(jù)處理等功能的機(jī)器人，使得機(jī)器代替人工、利用機(jī)器人探巷代替人為探巷，進(jìn)而改掉人工方式的弊端，對(duì)實(shí)現(xiàn)探巷工作安全、高效，證煤礦安全生產(chǎn)發(fā)展有重大意義，同時(shí)也是對(duì)我國(guó)煤礦機(jī)器人研發(fā)工作的探索與補(bǔ)充。

1 煤礦探巷機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

煤礦探巷機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體、無(wú)線中繼和手持遙控終端三部分組成，如圖1所示。機(jī)器人本體采用履帶式行走方式，使其適應(yīng)探測(cè)老巷的需求，并具有自主避障功能和一定的越障能力；最后的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明雙履帶的構(gòu)造符合設(shè)計(jì)跟應(yīng)用，且保持平穩(wěn)的越障性能[18-20]。防爆云臺(tái)和多參數(shù)氣體傳感器具有環(huán)境探測(cè)、圖像采集、熱眼檢測(cè)、音頻采集等功能；手持遙控終端通過(guò)無(wú)線中繼實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的無(wú)線遙控，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與傳輸。

圖1 煤礦探巷機(jī)器人組成

煤礦探巷機(jī)器人本體采用履帶式行走方式，根據(jù)巷道地形，可以滿足越障、爬坡、越溝等作業(yè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。機(jī)器人本體采用遠(yuǎn)距離無(wú)線遙控方式通訊和控制，通過(guò)手持終端，經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，向機(jī)器人本體發(fā)出指令，遠(yuǎn)程控制機(jī)器人行走、信息采集，以及根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整防爆一體化云臺(tái)動(dòng)作，所攜帶的紅外熱成像儀可自動(dòng)捕捉視野區(qū)域內(nèi)的最高溫度并顯示在手持終端的屏幕上，方便作業(yè)人員了解探巷危險(xiǎn)區(qū)域，同時(shí)通過(guò)多參數(shù)傳感器實(shí)時(shí)觀測(cè)巷道檢測(cè)地點(diǎn)，可連續(xù)檢測(cè)甲烷、二氧化碳、一氧化碳等多種氣體的濃度及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度等參數(shù)，并可設(shè)定特定參數(shù)超限報(bào)警。

2 探巷機(jī)器人主要系統(tǒng)研發(fā)

探巷機(jī)器人主要適用于煤礦井下老巷的探測(cè)任務(wù)，其采用全金屬骨架的履帶式結(jié)構(gòu)，且具備有效減震措施，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，行走平穩(wěn)。探巷機(jī)器人基本參數(shù)：行走速度1.5m/s；外殼防護(hù)等級(jí)是IP65；連續(xù)行走時(shí)間達(dá)到3h；爬坡能力最高78%(38°)；紅外攝像機(jī)圖像解析度700TVL；拾音器靈敏度40dB；紅外熱像儀具備網(wǎng)絡(luò)+模擬視頻接口。

圖2 煤礦探巷機(jī)器人防爆云臺(tái)

防爆云臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。防爆指使用專業(yè)方法使機(jī)器人本身不發(fā)生易燃、易爆物質(zhì)的意外[21-25]。防爆云臺(tái)具有紅外熱成像及可見(jiàn)光攝像機(jī)兩種圖像采集功能，紅外熱成像儀具有鍺玻璃及防護(hù)網(wǎng)防護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱源的檢測(cè)。通過(guò)可見(jiàn)光攝像機(jī)采集老巷現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境并將圖像實(shí)時(shí)上傳，輔助操作人員準(zhǔn)確操控機(jī)器人。為確保機(jī)器人在井下淋水、黑暗及高粉塵等操作環(huán)境中正常工作，在攝像機(jī)鏡頭前安裝有雨刷器和補(bǔ)光燈，利用手持遙控終端可對(duì)其進(jìn)行控制。

針對(duì)煤礦探巷機(jī)器人設(shè)計(jì)了防爆云臺(tái)動(dòng)作執(zhí)行程序。鑒于云臺(tái)的多樣性和云臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)的可控性，該程序設(shè)計(jì)的結(jié)果直接作用于閉路監(jiān)視系統(tǒng)的可操作性及可靠性等關(guān)鍵性指標(biāo)。程序運(yùn)用yuntai_cmd函數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，運(yùn)行使得云臺(tái)可以穩(wěn)定固定紅外熱像儀和可見(jiàn)光攝像機(jī)，多角度地調(diào)節(jié)支撐設(shè)備以及進(jìn)行360°轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整機(jī)器人的視野。

此外，機(jī)器人攜帶GD7型多參數(shù)傳感器作為環(huán)境探測(cè)工具，多參數(shù)傳感器可同時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧氣、溫度、濕度和差壓等7種參數(shù)，并可設(shè)定特定參數(shù)超限報(bào)警。傳感器采用RS485通訊模式，與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

GD7型多參數(shù)傳感器工作原理如圖3所示。氧氣、一氧化碳、二氧化碳和甲烷探頭以及溫度、濕度和差壓傳感器將外界輸入信號(hào)分別送入A/D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)CPU處理后得到與實(shí)際輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)值，通過(guò)485通訊模塊傳送到顯示屏上顯示。同時(shí)，采集的二氧化碳、一氧化碳等多種氣體參數(shù)經(jīng)無(wú)線中繼，傳送到手持終端進(jìn)行顯示。另外，機(jī)器人本體上還裝有后置攝像機(jī)、照明燈、紅外測(cè)溫傳感器、避障傳感器和拾音器。后置攝像機(jī)用來(lái)采集設(shè)備后方的視頻信息，左右兩側(cè)的照明燈可使機(jī)器人在光線弱的環(huán)境中擴(kuò)大攝像機(jī)的可視范圍，機(jī)器人前端右中部設(shè)有拾音器，用以檢測(cè)機(jī)器人周圍的音頻信號(hào)。

探巷機(jī)器人在探巷過(guò)程中出現(xiàn)損壞、打滑現(xiàn)象均會(huì)造成摩擦力顯著增大，如果工作中溫度超過(guò)機(jī)器工作溫度將會(huì)導(dǎo)致機(jī)器本體零部件發(fā)熱嚴(yán)重，當(dāng)其超過(guò)溫度閾值將會(huì)停止工作，造成一定的工作問(wèn)題，探巷機(jī)器人儲(chǔ)存、使用環(huán)境溫度為-20～+70℃。因此需要靈敏度較高的傳感器進(jìn)行工作。

圖3 多參數(shù)氣體傳感器原理圖

無(wú)線中繼是手持遙控終端和機(jī)器人本體無(wú)線通訊的中間樞紐，操控人員通過(guò)礦用本安手持遙控終端經(jīng)無(wú)線中繼之間架設(shè)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，向機(jī)器人發(fā)出指令，遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的行走、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息采集以及防爆云臺(tái)的控制等。

手持遙控終端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的視頻顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)視和行走控制，手持遙控終端頂端設(shè)有音頻輸出接口，可外接耳機(jī)或其他音頻設(shè)備。手持遙控終端通過(guò)屏幕界面上的模擬按鈕，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人及云臺(tái)的操控。設(shè)計(jì)了煤礦探巷機(jī)器人遙控終端開(kāi)關(guān)量程序。

3 軟件系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

3.1 主控程序流程設(shè)計(jì)

主控程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示，手持遙控終端為所有控制命令的下發(fā)起始端，操作人員通過(guò)手持遙控終端下發(fā)控制命令并通過(guò)無(wú)線WiFi信號(hào)傳輸?shù)綗o(wú)線中繼，無(wú)線中繼將WiFi控制命令進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換及控制信號(hào)功率放大后，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)至機(jī)器人本體。為了保證控制命令的準(zhǔn)確性，機(jī)器人本體會(huì)對(duì)接收到的命令進(jìn)行CRC校驗(yàn)，控制命令經(jīng)過(guò)校驗(yàn)解析無(wú)誤后進(jìn)行相應(yīng)的控制動(dòng)作。若CRC校驗(yàn)有錯(cuò)誤，機(jī)器人本體認(rèn)為本次接收到控制命令存在錯(cuò)誤，且不進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的動(dòng)作，等待下一次控制命令的接收。

圖4 主控程序流程圖

3.2 信息采集及顯示報(bào)警程序流程設(shè)計(jì)

信息采集及顯示報(bào)警程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示，機(jī)器人本體運(yùn)行狀態(tài)及其周圍環(huán)境參數(shù)等信息通過(guò)各個(gè)信息采集模塊(包括溫度采集模塊、視頻信息采集模塊、氣體參數(shù)采集模塊、電池信息采集模塊、避障數(shù)據(jù)采集模塊等)傳輸至機(jī)器人本體主控系統(tǒng)，并通過(guò)主控系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到相應(yīng)的機(jī)器人本體及周邊環(huán)境參數(shù)值并上傳至手持遙控終端顯示，同時(shí)手持遙控終端可對(duì)參數(shù)報(bào)警限值進(jìn)行配置。機(jī)器人本體主控系統(tǒng)實(shí)時(shí)將采集的參數(shù)信息與其報(bào)警限值進(jìn)行比較，若超過(guò)限值，本體控制系統(tǒng)將此報(bào)警信息上傳至手持遙控終端進(jìn)行報(bào)警并將報(bào)警信息記錄，以便后續(xù)對(duì)參數(shù)報(bào)警信息的查閱。

圖5 信息采集及顯示報(bào)警程序流程圖

3.3 數(shù)據(jù)傳輸及通訊程序流程設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸及通訊程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示，由于視頻傳輸?shù)臄?shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于控制命令數(shù)據(jù)，為了消除控制命令數(shù)據(jù)傳輸被視頻信號(hào)傳輸干擾的問(wèn)題，采用了視頻與控制命令數(shù)據(jù)分開(kāi)傳輸?shù)姆绞??？刂泼钣墒殖诌b控終端通過(guò)WiFi傳輸至無(wú)線中繼，并經(jīng)過(guò)無(wú)線中繼進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為RS232通訊并進(jìn)行信號(hào)放大處理后，再經(jīng)過(guò)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)傳輸至機(jī)器人本體通訊主控模塊，對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行控制。同理，機(jī)器人本體的采集數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)器人本體通訊主控模塊經(jīng)過(guò)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)傳輸至無(wú)線中繼后，通過(guò)無(wú)線中繼進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為RS232及信號(hào)放大后，通過(guò)WIFI模式傳輸至手持遙控終端顯示。

如圖6所示，機(jī)器人本體視頻信號(hào)通過(guò)無(wú)線圖傳電臺(tái)傳輸至無(wú)線中繼，無(wú)線中繼接收到視頻信號(hào)后，經(jīng)過(guò)視頻服務(wù)器將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)視頻信號(hào)，并經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換將以太網(wǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為WiFi模式，經(jīng)過(guò)WiFi傳輸至手持遙控終端，進(jìn)行視頻圖像展示。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸及通訊程序流程圖

4 探巷機(jī)器人應(yīng)用效果

探巷機(jī)器人研制成功后，在山西某礦進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。該礦位于朔州市山陰縣，探巷機(jī)器人工作于15304工作面，傾向長(zhǎng)240m，平均采高3m，傾角3°，共配置162臺(tái)液壓支架，支架中心距1.5m，刮板機(jī)中部槽137節(jié)。該礦井田范圍內(nèi)存在較大范圍的房采區(qū)以及周邊煤礦房采區(qū)積水、有毒有害氣體等隱患，在礦井正常生產(chǎn)期間經(jīng)常會(huì)揭露老巷和老空區(qū)，存在有毒有害氣體涌出等風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)老巷探查實(shí)際現(xiàn)狀，為保證探查老巷人員安全及礦井安全生產(chǎn)，用履帶式探巷機(jī)器人代替人工進(jìn)行老巷探查。

實(shí)際應(yīng)用效果表明：檢測(cè)數(shù)據(jù)為溫度16.4℃、氧氣19.3%、濕度74.5%RH、二氧化碳0.54%、甲烷和一氧化碳均為零，探巷結(jié)果表明該廢棄老巷安全。本次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明在該礦用履帶式探巷機(jī)器人實(shí)踐性能方面表現(xiàn)良好，負(fù)載能力大，越障能力強(qiáng)，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和地形，作業(yè)效率高，監(jiān)控?cái)z像頭可實(shí)現(xiàn)多方位視頻監(jiān)視。利用探巷機(jī)器人可以清楚拍攝老巷形狀及其它情況，最大限度的降低了探查老巷的風(fēng)險(xiǎn)，而且探查老巷不需要排放老巷內(nèi)的氣體，所有的參數(shù)和圖像信息可實(shí)時(shí)上傳，有效地解決了探巷人員在上述場(chǎng)所面臨的人身安全和數(shù)據(jù)信息采集不足等問(wèn)題，對(duì)提高探巷安全性，減少人員傷亡具有重要意義。

為比較機(jī)器人探巷相對(duì)于人工的優(yōu)勢(shì)以及測(cè)試該探巷機(jī)器人的性能表現(xiàn)。就某老巷的探巷各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行人工探查和該機(jī)器人探查的最終結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表1。

由表1可以看出，采用機(jī)器人探查，工作效率大大提高，同時(shí)大量減少用工數(shù)量，更重要的是，采用機(jī)器人探巷不必承擔(dān)人工探查所承擔(dān)的未知風(fēng)險(xiǎn)，大大提高了安全性，對(duì)于實(shí)現(xiàn)煤礦無(wú)人化開(kāi)采也是很好的探索。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于對(duì)煤礦老巷探查的需求，將礦用防爆技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)設(shè)計(jì)了適合煤礦井下的履帶式探巷機(jī)器人，具體對(duì)探巷機(jī)器人的感測(cè)和控制系統(tǒng)研發(fā)與設(shè)計(jì)流程進(jìn)行介紹。該機(jī)器人具有較好的運(yùn)動(dòng)性能和適應(yīng)能力，具有體積小、質(zhì)量輕、方便運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，通過(guò)在煤礦的實(shí)際應(yīng)用表明：設(shè)計(jì)的探巷機(jī)器人可以替代探巷人員在老巷及房采區(qū)探查，適應(yīng)性強(qiáng)、使用效率高，研發(fā)的感測(cè)和控制系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠，能夠?yàn)榫吕舷锾綔y(cè)、服務(wù)生產(chǎn)提供可靠、詳實(shí)的資料。另一方面，用機(jī)器人代替人工探巷體現(xiàn)了“以人為本，生命至上”的理念，在安全方面大幅度的降低了面臨的重大風(fēng)險(xiǎn)，確保了作業(yè)人員的安全。在經(jīng)濟(jì)方面為回采工作面復(fù)采提供了技術(shù)依據(jù)，減少了煤炭資源的浪費(fèi)，提高了煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。