礦用巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

徐文權(quán)，李軍霞，陳維望，張弘玉

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.礦山流體控制國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；3.山西省礦山流體控制工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030024)

煤炭作為我國能源結(jié)構(gòu)中的主要能源[1]，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障和支撐。帶式輸送機(jī)對(duì)煤炭運(yùn)輸起著重要的作用[2，3]，具有輸送距離長、運(yùn)量大、裝卸簡單、運(yùn)行平穩(wěn)、效率高等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。然而帶式輸送機(jī)由于長遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，易發(fā)生斷帶、跑偏、縱撕、堆煤等故障[7-9]，不僅影響煤礦的正常生產(chǎn)，而且對(duì)礦工的安全造成了極大的威脅[10，11]。

為了預(yù)防上述故障的發(fā)生，目前煤礦井下主要依靠人工巡檢、定點(diǎn)監(jiān)控和軌道式巡檢[12]。傳統(tǒng)的人工巡檢存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、實(shí)時(shí)性差、效率低、漏檢、誤檢等問題[13，14]，且煤礦井下作業(yè)對(duì)巡檢工人的生命安全有威脅，難以滿足現(xiàn)代化煤礦的生產(chǎn)需要。由于井下帶式輸送機(jī)長達(dá)幾千米，固定攝像頭監(jiān)視的范圍有限，若想全面監(jiān)控，必須在設(shè)備運(yùn)行處安裝大量攝像頭，造成了定點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)雜、監(jiān)測(cè)種類繁多、成本高的弊端[15，16]。國內(nèi)近些年來已逐漸重視，并開始了巡檢機(jī)器人方面的研究，山西戴德設(shè)計(jì)了一種礦用多參數(shù)移動(dòng)巡檢機(jī)器人，通過在軌道上行走完成對(duì)井下帶式輸送機(jī)巡檢。裴文良[17]等設(shè)計(jì)了一種礦用隔爆兼本安型巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下帶式輸送機(jī)的巡檢。以上兩種巡檢機(jī)器人的行走方式都是軌道承載自驅(qū)動(dòng)，需要在本體安裝電機(jī)和電池，使本體重量和體積增大，由于運(yùn)動(dòng)和環(huán)境監(jiān)測(cè)同時(shí)消耗電能，無法長距離巡檢。

為節(jié)約成本、減少巡檢人員的數(shù)量，同時(shí)滿足對(duì)煤礦井下帶式輸送機(jī)的長時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，在充分利用煤礦巷道頂部空間的基礎(chǔ)上，本文對(duì)巡檢機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對(duì)巡檢機(jī)器人的水平和傾斜兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，并搭建了數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊能夠正常工作。

1 礦用巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成

1.1 技術(shù)要求

煤礦巷道復(fù)雜多變，且傾角大、距離長、空間狹小[18]，為了能夠保證清晰的采集數(shù)據(jù)，機(jī)器人需要平穩(wěn)運(yùn)行。因此，機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)是設(shè)計(jì)的核心部分，需要滿足爬坡能力強(qiáng)、質(zhì)量小、可靠性高等特點(diǎn)[19]。基于以上設(shè)計(jì)需求，巡檢機(jī)器人技術(shù)要求見表1。

表1 巡檢機(jī)器人技術(shù)要求

1.2 巡檢機(jī)器系統(tǒng)組成

本文結(jié)合巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一種軌道和鋼絲繩牽引結(jié)合的行走機(jī)構(gòu)，由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和本體兩部分構(gòu)成，機(jī)器人本體包括供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括氣體傳感器、聲音傳感器和紅外熱像儀等。巡檢機(jī)器人各模塊之間配合完成對(duì)帶式輸送機(jī)的巡檢，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成

2 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)輪、支撐輪、導(dǎo)向輪、夾緊臂、壓縮彈簧等組成，驅(qū)動(dòng)輪、支撐輪和導(dǎo)向輪分別在軌道兩側(cè)對(duì)稱布置。為了防止機(jī)器人在軌道兩側(cè)左右擺動(dòng)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)，夾緊機(jī)構(gòu)主要由夾緊臂、壓縮彈簧、夾緊螺桿及螺母組成，驅(qū)動(dòng)輪固定在夾緊臂上，夾緊臂一端鉸接于支架上，另一端通過螺母安裝在螺桿上，可以通過調(diào)節(jié)螺母來壓縮彈簧，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪夾緊軌道的目的，巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

2.2 巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

行走機(jī)構(gòu)主要由永磁電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、驅(qū)動(dòng)繩輪、鋼絲繩、固定式抱索器、托壓繩輪、托壓繩輪架、錨桿、鏈條、卸扣等組成。將鋼絲繩與驅(qū)動(dòng)繩輪、固定式抱索器、尾輪等相連，在永磁電機(jī)及驅(qū)動(dòng)輪的作用下，鋼絲繩牽引本體沿軌道在帶式輸送機(jī)機(jī)頭與機(jī)尾之間做往返運(yùn)動(dòng)。此種行走方式能夠?qū)⑦\(yùn)動(dòng)和環(huán)境監(jiān)測(cè)供電分開，本體重量由軌道承載，牽引系統(tǒng)由井下電網(wǎng)直接供電，牽引本體沿軌道運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人本體攜帶的電池供本安型傳感器使用，功耗小，無需頻繁充電，克服了續(xù)航難題，減小了機(jī)器人的重量和體積，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下帶式輸送機(jī)的長時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，行走機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)組成

2.3 巡檢機(jī)器人軌道安裝

機(jī)器人使用的軌道為8號(hào)工字鋼，高度80mm，寬度50mm，腹板厚度為5mm，單根軌道長度6m，單重8.33kg/m。兩根軌道通過吊耳首尾聯(lián)接，如圖4(a)所示。兩根相同長度的吊裝鎖鏈通過螺栓、平墊及夾具與軌道固定牢固，吊裝鎖鏈另一端用M20×1800mm錨桿固定。錨桿埋深1000mm，外露800mm，錨桿與錨桿間距2m，如圖4(b)所示。

圖4 軌道吊裝示意圖

2.4 巡檢機(jī)器人數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集是煤礦井下巡檢機(jī)器人故障監(jiān)測(cè)的重要部分，巡檢機(jī)器人數(shù)據(jù)采集方案如圖5所示，包括STM32主控制器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、CH4濃度傳感器、CO濃度傳感器、CO2濃度傳感器、無線WiFi模塊。以STM32為控制單元，搭載各種傳感器，實(shí)時(shí)采集煤礦井下帶式輸送機(jī)數(shù)據(jù)，通過WiFi傳輸至上位機(jī)顯示。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊方案設(shè)計(jì)

3 基于ADAMS的巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

受煤礦井下地形環(huán)境的影響，巡檢機(jī)器人在軌道上行走，存在水平和傾斜兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)的合理性，需要對(duì)機(jī)器人在水平和傾斜兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的位移變化進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

3.1 ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

利用ADAMS對(duì)巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真時(shí)，部件與部件存在約束和運(yùn)動(dòng)副的聯(lián)接，這些運(yùn)動(dòng)副可以表示為代數(shù)方程。設(shè)約束個(gè)數(shù)為nh，則巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束方程組為[20]：

對(duì)巡檢機(jī)器人仿真時(shí)，為使其具有確定的運(yùn)動(dòng)，要使系統(tǒng)自由度為零，就要添加(nc-nh)個(gè)驅(qū)動(dòng)約束：

ΦD(q，t)=0

(2)

由式(1)和式(2)可得機(jī)器人系統(tǒng)所受的全部約束：

式(3)為nc個(gè)非線性方程組，其構(gòu)成了機(jī)器人系統(tǒng)的位置方程。對(duì)式(3)求導(dǎo)可得機(jī)器人的速度約束方程：

另v=-Φt(q，t)，則機(jī)器人的速度方程為：

3.2 巡檢機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型的建立

在ADAMS中建立巡檢機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型，如圖2所示。在仿真過程中，巡檢機(jī)器人在軌道上運(yùn)動(dòng)，其輪子與軌道會(huì)發(fā)生相互擠壓，在接觸區(qū)域會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，迫使機(jī)器人向前行走。仿真前需要對(duì)輪軌接觸屬性的設(shè)置。其接觸力與其剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)、運(yùn)行速度等有關(guān)，接觸力表達(dá)式如下[12]：

式中，s為比例系數(shù)；K為剛度系數(shù)；E為力指數(shù)；P為滲透深度，mm；V為小車運(yùn)行速度，m/s；C為阻尼系數(shù)。

在指數(shù)e為常數(shù)的情況下，比例系數(shù)和剛度對(duì)接觸力的影響如圖6所示，k2>k1，s2>s1。當(dāng)指數(shù)變化時(shí)，指數(shù)e對(duì)接觸力的影響如圖7所示，其中當(dāng)p等于s時(shí)，接觸力不受指數(shù)e的影響。利用ADAMS仿真軟件對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，確定輪軌接觸參數(shù)：k=1.0×1010，e=2.2，c=10，p=0.1。

圖6 比例系數(shù)s和剛度k對(duì)接觸力的影響

圖7 指數(shù)e對(duì)接觸力的影響

3.3 巡檢機(jī)器人虛擬仿真試驗(yàn)

在ADAMS仿真軟件中，重力加速度方向默認(rèn)為Y軸負(fù)方向，對(duì)于上坡和下坡機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，本文將旋轉(zhuǎn)重力加速度方向來達(dá)到仿真目的，將重力加速度X方向設(shè)置為0，Y方向設(shè)置為-9806.65×cos(θ)，Z方向設(shè)置為-9806.65×sin(θ)，其中θ代表斜坡的角度。由于仿真結(jié)果中，上坡狀態(tài)和下坡狀態(tài)的仿真結(jié)果基本相似，因此本文只對(duì)機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)和上坡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真，巡檢機(jī)器人在水平運(yùn)動(dòng)過程中位移-時(shí)間變化如圖8所示。

圖8 機(jī)器人在水平運(yùn)動(dòng)過程中位移-時(shí)間變化

由機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)過程可以看出，機(jī)器人質(zhì)心沿軌道方向上保持勻速直線運(yùn)動(dòng)；在水平側(cè)擺方向上，由于機(jī)器人質(zhì)心未能準(zhǔn)確調(diào)整到軌道正下方，導(dǎo)致機(jī)器人出現(xiàn)了左右擺動(dòng)，最大擺動(dòng)位移為20mm；在豎直運(yùn)動(dòng)方向上，由于輪軌擠壓，機(jī)器人出現(xiàn)了小幅度振蕩，最大幅值為0.4mm。

機(jī)器人在上坡運(yùn)動(dòng)過程中位移-時(shí)間變化如圖9所示。由機(jī)器人上坡運(yùn)動(dòng)過程可以看出，機(jī)器人沿軌道方向以一定的速度穩(wěn)定運(yùn)行；在水平側(cè)擺方向出現(xiàn)了輕微的擺動(dòng)，最大擺動(dòng)位移為20mm；在豎直方向，機(jī)器人出現(xiàn)小幅振蕩，最大幅值為0.2mm。

圖9 機(jī)器人在上坡運(yùn)動(dòng)過程中位移-時(shí)間變化

經(jīng)過上述分析，可以得出如下結(jié)論：機(jī)器人在水平沿軌道方向穩(wěn)定運(yùn)行，保證機(jī)器人能夠正常巡檢；機(jī)器人在水平側(cè)擺方向有輕微擺動(dòng)，但擺動(dòng)幅度很??；機(jī)器人在豎直方向上有輕微振蕩，但在理論允許范圍內(nèi)，保證機(jī)器人能夠清晰的采集數(shù)據(jù)；巡檢機(jī)器人在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的位移變化比較平穩(wěn)，驗(yàn)證了此模型設(shè)計(jì)的合理性。

4 數(shù)據(jù)采集模塊搭建與功能測(cè)試

為了對(duì)環(huán)境中的氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，需要搭建數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊搭建如圖10所示，數(shù)據(jù)采集模塊由氣體傳感器、單片機(jī)和無線WiFi模塊構(gòu)成，氣體傳感器用來采集環(huán)境數(shù)據(jù)，以STM32單片機(jī)為核心控制單元，通過WiFi傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示。

圖10 數(shù)據(jù)采集模塊

5 結(jié) 語

1)本文根據(jù)巡檢機(jī)器人的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種軌道和鋼絲繩牽引結(jié)合的行走機(jī)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)的巡檢機(jī)器人續(xù)航里程短、爬坡困難等問題。

2)在ADAMS仿真軟件中對(duì)巡檢機(jī)器人不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，結(jié)果表明在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，機(jī)器人都能平穩(wěn)運(yùn)行，驗(yàn)證了模型設(shè)計(jì)的合理性，其相關(guān)的理論研究可以為物理樣機(jī)的研制提供可靠支撐。

3)設(shè)計(jì)并搭建了數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊能夠正常工作。