基于負(fù)壓吸附的井筒施工安監(jiān)機(jī)器人技術(shù)研究

付文俊

（北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013）

隨著社會對煤炭需求量的日益增長，開采能力不斷提高，開采深度不斷增加是井工開采的必然趨勢[1]。我國預(yù)測煤炭資源量在垂深1 000 m 以淺的為18 440.48 億t，其中可靠級9 169.10 億t，占預(yù)測總量的40.5%；埋深在1 000 m 以上的為27 080.56 億t，其中可靠級9 969.20 億t，占預(yù)測總量的59.5%。隨著深部煤炭資源的開采，煤礦井筒深度也在不斷刷新紀(jì)錄，對煤礦建設(shè)施工提出了更高的要求，特別是立井深部井筒施工，由于深部巖石在溫度和壓力耦合作用下，加上地層的巖石特性和復(fù)雜的層理、節(jié)理構(gòu)造，使井筒施工面臨著水害、瓦斯、提升運(yùn)輸、墜落等多種災(zāi)害[2]。而且在施工過程中，大都采用鉆爆法掘進(jìn)，會產(chǎn)生大量的粉塵顆粒和二氧化碳等有害氣體，如果不及時(shí)排除，會嚴(yán)重危害施工人員的身心健康，同時(shí)當(dāng)粉塵、甲烷體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)達(dá)到一定程度，極易引發(fā)爆炸、火災(zāi)等事故，對施工人員生命安全造成威脅[3]。此外，井筒的空間小，再加上粉塵霧氣大，可見度小，設(shè)備電纜較多，存在多種安全隱患，如果巡檢不及時(shí)會嚴(yán)重危害工作人員的生命安全。井筒事故的發(fā)生往往具有突發(fā)性和不可預(yù)見性，一旦發(fā)生事故，造成的后果也通常是比較嚴(yán)重的，因此井筒施工智能化安全監(jiān)測是一個(gè)急需攻克的難題[4]。由于新建井筒安全信息封閉和分散，使得礦井在建設(shè)生產(chǎn)難以得到完整詳細(xì)的實(shí)時(shí)信息來進(jìn)行更加有效的監(jiān)測和提前干預(yù)[5]。因此，要實(shí)現(xiàn)井筒建設(shè)施工的安全和高效，關(guān)鍵在于提高井筒的安全監(jiān)測和信息采集的智能化和無人化，急需研究井筒施工智能安監(jiān)機(jī)器人技術(shù)及裝備，替代目前的人工安監(jiān)和巡檢。

1 安監(jiān)機(jī)器人功能需求

井筒掘進(jìn)作業(yè)，特別是炮掘，作業(yè)條件十分惡劣。根據(jù)井筒作業(yè)的特殊性和安全要求，安監(jiān)機(jī)器人應(yīng)具備如下安全監(jiān)察功能：

1）通風(fēng)瓦斯方面。安全規(guī)程要求局部通風(fēng)機(jī)不得隨意停開，如遇突然停風(fēng)，人員要及時(shí)撤至局部通風(fēng)機(jī)前方的安全地點(diǎn)。專職瓦檢員要每班檢查電動機(jī)附近20 m 范圍內(nèi)風(fēng)流中瓦斯體積分?jǐn)?shù)。根據(jù)這一需求，安監(jiān)機(jī)器人必須具備瓦斯和風(fēng)速監(jiān)測功能。

2）綜合防塵方面。要求掘進(jìn)工作面必須有完善的灑水系統(tǒng)，工作面巷道必須定期沖洗，工作面的巷道要保持濕潤，走路時(shí)灰塵不飛揚(yáng)。安監(jiān)機(jī)器人需要具備粉塵監(jiān)測功能。

3）井壁管理方面。在施工過程中、要有專人監(jiān)護(hù)井壁的變化情況，發(fā)現(xiàn)有垮落預(yù)兆、片幫預(yù)兆時(shí)，要將人員立即撤至安全地點(diǎn)。安監(jiān)機(jī)器人應(yīng)具備井壁變形監(jiān)視功能。

4）爆破管理方面。爆破后，必須等工作面的炮煙散凈，經(jīng)瓦檢員檢查并允許后，檢查幫、頂、支架以及拒爆、殘爆等情況。因此，安監(jiān)機(jī)器人還應(yīng)具備粉塵、一氧化碳檢測、二氧化碳檢測、失爆炸藥識別、聲光預(yù)報(bào)警功能。

5）防治水方面。施工過程中如發(fā)現(xiàn)淋頭水增大必須立即停止工作，撤出人員。機(jī)器人應(yīng)具備井壁滲水識別和監(jiān)視功能。

6）機(jī)器人軟件平臺應(yīng)具備相關(guān)系統(tǒng)融合功能。軟件平臺應(yīng)具備提升系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息融合功能，便于分析和綜合評判，實(shí)現(xiàn)安監(jiān)有效和全覆蓋。

綜上所述，在煤礦立井施工中安監(jiān)機(jī)器人應(yīng)具備環(huán)境粉塵監(jiān)測、毒害氣體監(jiān)測、安全巡檢、危險(xiǎn)源識別、與其它系統(tǒng)信息融合聯(lián)動、預(yù)報(bào)警等功能。

2 安監(jiān)機(jī)器人研究目標(biāo)

目前的相關(guān)機(jī)器人研究中，爬壁機(jī)器人技術(shù)日新月異，應(yīng)用領(lǐng)域逐步拓展，如利用爬壁機(jī)器人進(jìn)行建筑外玻璃清潔、容器檢修、安全檢測等，爬壁機(jī)器人在一些領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)能夠具備一定的功能代替人類做一些繁重危險(xiǎn)的工作[6]。研究目標(biāo)就是研究爬壁式井筒智能安監(jiān)機(jī)器人，機(jī)器人能夠在井壁表面爬行，在井筒建設(shè)時(shí)期負(fù)責(zé)安全監(jiān)視和巡檢。機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，可吸附于井壁表面，設(shè)計(jì)有特殊行走機(jī)構(gòu)，能夠在井壁上進(jìn)行自主爬行和巡檢，實(shí)現(xiàn)在人超視距遙控下進(jìn)行井筒勘測，同時(shí)具有局部自主導(dǎo)航和構(gòu)建電子地圖的功能。平時(shí)可以巡檢井壁的安全狀態(tài)、井筒內(nèi)的風(fēng)流速度、井筒內(nèi)的粉塵含量，搭載的智能傳感器能夠監(jiān)測甲烷、一氧化碳等有毒有害氣體，可智能識別炸藥失爆、井壁變形、井壁滲水等危險(xiǎn)源并及時(shí)預(yù)警。可將監(jiān)測數(shù)據(jù)及施工現(xiàn)場圖像無線傳輸至地面，為作業(yè)人員進(jìn)行現(xiàn)場形勢判斷、作業(yè)任務(wù)決策提供現(xiàn)場依據(jù)，可有效保障作業(yè)人員安全，提高煤礦立井施工作業(yè)效率。

3 安監(jiān)機(jī)器人設(shè)計(jì)

根據(jù)井筒施工的環(huán)境特性，結(jié)合井筒施工安全監(jiān)查需要，需要對機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、吸附機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、智能傳感組件、通訊方式和軟件平臺等進(jìn)行深入研究和設(shè)計(jì)。

3.1 本體結(jié)構(gòu)

井筒是煤礦與外界的通道，由于煤礦井筒環(huán)境的特殊性，存在可燃爆炸性氣體，井筒內(nèi)電器設(shè)備需要滿足礦用產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)要求，需要符合GB 3836國家標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，爬壁巡檢機(jī)器人的特性決定了本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的不可行性，隔爆設(shè)計(jì)不可避免的增加了機(jī)器人的體積質(zhì)量。由于爬壁機(jī)器人的負(fù)載直接影響其在井壁的可靠吸附，負(fù)載大吸附力要求也大，吸附裝置設(shè)計(jì)難度也隨之增加，所以有效降低機(jī)器人自身質(zhì)量是機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為了適應(yīng)煤礦井筒空間，機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量緊湊，為了既滿足隔爆要求，又減小機(jī)器人本體質(zhì)量，井筒施工智能安監(jiān)機(jī)器人采用隔爆兼本質(zhì)安全設(shè)計(jì)，外殼采用不銹鋼材料加工制造，既耐腐蝕又可增加機(jī)器人強(qiáng)度，提高抗沖擊能力，內(nèi)部結(jié)構(gòu)器件采用碳纖維等輕質(zhì)材料，可有效降低機(jī)器人本體質(zhì)量。機(jī)器人本體主要由驅(qū)動軸、驅(qū)動輪、滾珠軸承、驅(qū)動電機(jī)、發(fā)射天線、通訊裝置、圖像采集裝置、云臺、控制裝置、智能傳感裝置、負(fù)壓吸附裝置、殼體等組成。井筒施工安監(jiān)機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 井筒施工安監(jiān)機(jī)器人結(jié)構(gòu)Fig.1 Shaft construction safety monitoring robot structure

機(jī)器人底部結(jié)構(gòu)由驅(qū)動輪、驅(qū)動電機(jī)、吸附盤等與機(jī)器人行走有關(guān)的機(jī)構(gòu)組成。機(jī)器人底部結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 井筒施工安監(jiān)機(jī)器人底部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Bottom structure diagram of shaft construction safety monitoring robot

3.2 行走機(jī)構(gòu)

安監(jiān)機(jī)器人需要在井筒表面自由爬行移動，需要研究設(shè)計(jì)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)靈活控制，根據(jù)汽車的驅(qū)動理論原則，井筒施工智能安監(jiān)機(jī)器人的驅(qū)動采用4 輪驅(qū)動的方式，4 輪分別由4 套直流伺服系統(tǒng)單獨(dú)差動驅(qū)動，提供所需的轉(zhuǎn)矩和力矩。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：①控制方式容易實(shí)現(xiàn)，只要分別控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速就能控制機(jī)器人的行走軌跡；②可實(shí)現(xiàn)0 半徑轉(zhuǎn)彎，提高了機(jī)器人在曲線行走過程的靈活性[7]；③還能夠增加機(jī)器人的承載能力和機(jī)器人的運(yùn)行速度。

井筒施工安監(jiān)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)如圖3，行走機(jī)構(gòu)由電機(jī)、減速器、行走輪構(gòu)成。

圖3 井筒施工安監(jiān)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)Fig.3 Walking mechanism of shaft construction safety monitoring robot

由于工作條件對機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)尺寸的限制，將減速器裝置集成在電機(jī)內(nèi)部，把電機(jī)的高速輸出軸連接在減速器輸入軸上，并且把減速器輸出軸與驅(qū)動輪連接。合理設(shè)計(jì)配合及連接，并對行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行粗糙井壁表面的全向移動適應(yīng)性研究，使其能夠在承載機(jī)器人本體質(zhì)量和負(fù)載的同時(shí)，靈活移動。行走輪由鑄鋼制造，為了提高附著性能，在行走鑄鋼輪表面設(shè)計(jì)了橡膠圈，同時(shí)為適應(yīng)煤礦井筒內(nèi)爆炸環(huán)境特殊要求，防止橡膠圈與井壁表面摩擦產(chǎn)生靜電，橡膠圈采用阻燃防靜電材料制成，防止由于摩擦靜電產(chǎn)生火花，引爆井筒內(nèi)可燃易爆氣體，可在煤礦井筒內(nèi)爆炸氣體環(huán)境可靠工作。

3.3 吸附機(jī)構(gòu)

爬壁機(jī)器人是一種特殊用途機(jī)器人，區(qū)別于其他機(jī)器人的最顯著的一個(gè)特點(diǎn)是機(jī)器人可以克服地球引力作用，具有在傾斜、垂直或倒立的壁面上保持靜止及靈活移動的能力。目前爬壁機(jī)器人吸附方式主要包括：磁吸附、負(fù)壓吸附、螺旋槳推壓等，近年來又出現(xiàn)了膠吸附、仿壁虎足的干吸附、仿蝸牛的濕吸附、類攀巖抓持和毛刺抓持等方式。磁吸附方式包括永磁式吸附及電磁式吸附2 種方式，這一類吸附方式機(jī)器人只適合在鋼、鐵等導(dǎo)磁材料表面上吸附；所謂低真空度負(fù)壓吸附方式就是利用風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)將吸附裝置負(fù)壓腔內(nèi)的空氣抽出從而產(chǎn)生負(fù)壓來吸附，雖然壁面適應(yīng)能力較強(qiáng)，也存在高噪音、體積大的缺陷；高真空負(fù)壓吸附方式是利用真空泵在真空吸盤內(nèi)形成一定真空度，其優(yōu)點(diǎn)是低噪音、體積小，但對壁面的光潔度及透氣性有較高要求；螺旋槳推壓原理是靠合理設(shè)計(jì)螺旋槳的角度，利用螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的向內(nèi)推力將機(jī)器人貼附在壁面上，但也存在著高噪音、應(yīng)用場景受限的缺點(diǎn)。由于負(fù)壓吸附機(jī)器人具備適用面廣，不受吸附壁表面材料限制，而且低負(fù)壓真空吸附方式具有墻壁適應(yīng)能力強(qiáng)、運(yùn)動靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此目前低負(fù)壓真空吸附的爬壁機(jī)器人得到廣泛的應(yīng)用。

由于煤礦井筒較深、井壁的表面粗糙，機(jī)器人工作安全至關(guān)重要，機(jī)器人需要克服重力，能夠安全吸附在井壁表面，智能安監(jiān)機(jī)器人能夠在一定傾斜度的壁面上靜止及靈活移動，其吸附機(jī)構(gòu)承載能力是首要考慮的問題，負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)研究是爬壁機(jī)器人的關(guān)鍵[8-9]。通過分析現(xiàn)有低真空吸附技術(shù)的不足，研究低真空吸附系統(tǒng)的負(fù)壓發(fā)生技術(shù)、負(fù)壓自動保持、指令握手等可靠性技術(shù)；通過研究新型密封技術(shù)原理，設(shè)計(jì)具有密封效果好、摩擦阻力小的密封機(jī)構(gòu)，保證機(jī)器人能夠在井筒表面可靠吸附，提高機(jī)器人機(jī)動性和靈活性。

當(dāng)安監(jiān)機(jī)器人工作于豎直井筒壁上時(shí)，對機(jī)器人進(jìn)行豎直井筒內(nèi)壁任意姿態(tài)的安全受力分析。為了簡化，將井筒壁表面簡化為平面，并且只對吸附力要求嚴(yán)格的向上直線運(yùn)動狀態(tài)的安監(jiān)機(jī)器人進(jìn)行受力狀態(tài)分析。爬壁機(jī)器人受力簡圖如圖4。

圖4 爬壁機(jī)器人受力簡圖Fig.4 Force diagram of wall climbing robot

當(dāng)爬壁機(jī)器人在豎直平面上以與豎直方向呈θ角姿態(tài)直線向上運(yùn)動時(shí)，根據(jù)達(dá)朗貝爾虛功原理及受力平衡關(guān)系, 豎直壁面任意姿態(tài)安監(jiān)機(jī)器人直線運(yùn)動的受力方程為：

式中：Ni為墻壁作用在各行走輪上的壓力；Fp為由內(nèi)外壓差引起吸附作用產(chǎn)生的在機(jī)器人本體的等效合力；Fm為爬壁機(jī)器人驅(qū)動輪摩擦力；Ff為墻壁對密封裙的摩擦力；M 為機(jī)器人質(zhì)量；a 為機(jī)器人加速度；G 為機(jī)器人所受重力；L 為機(jī)器人重心到前后輪距離；B 為兩前（后）輪子間距，且設(shè)定L>B；H為機(jī)器人重心到墻壁的距離。

若設(shè)定密封裙上產(chǎn)生的負(fù)壓吸附力為機(jī)器人本體負(fù)壓吸附力的1/4，則滿足機(jī)器人運(yùn)動條件的機(jī)器人本體上最小負(fù)壓吸附力Fp：

式中：Sa為機(jī)器人有效吸附面積。

由于井壁表面與玻璃幕墻、建筑物外墻相比較，井壁表面曲率小、粗糙度大，負(fù)壓吸附裝置設(shè)計(jì)難度極大。所以設(shè)計(jì)采用低負(fù)壓真空吸附的爬壁機(jī)器人，其原理簡單而言，就是采用旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)抽出負(fù)壓腔內(nèi)的空氣從而產(chǎn)生負(fù)壓來實(shí)現(xiàn)壁面吸附[11]。本設(shè)計(jì)采用一種負(fù)壓吸附高速旋轉(zhuǎn)（25 000 r/min 以上）的徑流式離心風(fēng)扇將爬壁機(jī)器人吸附腔內(nèi)的空氣甩出形成負(fù)壓。負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)主要由：密封圈、吸附盤、出氣嘴、固定螺栓、吸附電機(jī)、葉輪、吸附機(jī)構(gòu)殼體等組成。井筒施工智能安監(jiān)機(jī)器人負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)如圖5。

圖5 井筒施工智能安監(jiān)機(jī)器人負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)Fig.5 Negative pressure adsorption mechanism of intelligent safety monitoring robot for shaft construction

3.4 機(jī)器人控制模塊

機(jī)器人控制模塊負(fù)責(zé)機(jī)器人的驅(qū)動控制及功能控制部分，實(shí)現(xiàn)自動爬行和探頭掃查運(yùn)動及其控制[12]。井筒施工安監(jiān)機(jī)器人控制模塊如圖6，井筒施工智能安監(jiān)機(jī)器人控制模塊包括主控與通訊模塊、驅(qū)動控制模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、人機(jī)交互顯示模塊、傳感器采集模塊、視覺處理模塊等組成。

圖6 井筒施工安監(jiān)機(jī)器人控制模塊Fig.6 Control module of shaft construction safety monitoring robot

主控模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)中的人機(jī)交互顯示、傳感器采集、視覺處理、驅(qū)動控制、通訊等模塊的協(xié)調(diào)工作和對外交互，通過設(shè)計(jì)便攜式遙控裝置，極大的降低了操控難度，可實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場圖像和聲音，設(shè)計(jì)的遙控手柄可對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動控制。機(jī)器人也具備遠(yuǎn)程控制功能，由操作人員在地面控制中心計(jì)算機(jī)實(shí)施遠(yuǎn)程控制。機(jī)器人可按設(shè)定規(guī)劃路線自行巡檢。針對井筒施工智能安監(jiān)機(jī)器人的工作特點(diǎn)，改變現(xiàn)有爬壁機(jī)器人主流技術(shù)把運(yùn)動系統(tǒng)控制和吸附系統(tǒng)控制作為2 個(gè)獨(dú)立部分進(jìn)行單獨(dú)研究的方式，將兩者相結(jié)合起來研究，以實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動系統(tǒng)和吸附系統(tǒng)的最優(yōu)可靠控制。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主行走巡檢，需要設(shè)計(jì)機(jī)器人伺服電機(jī)控制系統(tǒng)和位置確定模塊。伺服驅(qū)動器設(shè)計(jì)采用主流數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，功率器件驅(qū)動電路選用以智能功率控制模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì),形成以偏差控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

安監(jiān)機(jī)器人沿井筒行走的運(yùn)動控制算法是機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，控制算法能夠保證機(jī)器人沿規(guī)劃好的行走路徑平穩(wěn)行駛，達(dá)到預(yù)期的位姿和巡檢速度，同時(shí)具有適應(yīng)井筒較強(qiáng)電磁干擾環(huán)境能力。設(shè)計(jì)采用Kanayama[13]提出一種簡單有效的基于移動機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型的控制算法，可以保證穩(wěn)定的軌跡跟蹤特性。

用設(shè)計(jì)的算法[14]控制安監(jiān)機(jī)器人按規(guī)劃路線行走時(shí)，安監(jiān)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行軌跡與規(guī)劃路線之間的位置誤差會收斂到足夠小，并且安監(jiān)機(jī)器人的實(shí)際行走速度也可達(dá)到按規(guī)劃路線行走時(shí)設(shè)定的規(guī)劃速度。

3.5 機(jī)器人通訊

機(jī)器人通訊系統(tǒng)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)信息交互的重要手段。目前在機(jī)器人通訊設(shè)計(jì)方面，隨著處理信息的日益復(fù)雜，并且考慮到工作環(huán)境的需要，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，選擇不同的機(jī)器人通訊方式[15]。所以需要根據(jù)井筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究煤礦井筒安監(jiān)機(jī)器人的通訊技術(shù)方法。由于井筒屬狹長空間，煤礦井筒深度大，傳統(tǒng)的有線通訊方式存在著與機(jī)器人無法匹配、井筒線纜鋪設(shè)困難等缺點(diǎn)。所以最佳方案是采取無線通訊方式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)由5G 核心網(wǎng)、5G 基站控制器、5G 基站和5G 工業(yè)路由器等設(shè)備組成。在井筒適當(dāng)位置設(shè)置5G 通訊無線基站，實(shí)現(xiàn)井筒5G 信號覆蓋，在機(jī)器人本體上設(shè)計(jì)安裝5G 工業(yè)模組，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)時(shí)控制和高速數(shù)據(jù)傳輸。工業(yè)模組設(shè)計(jì)采用華為巴龍HM5000-31 芯片，核心器件包括主芯片、PMU、射頻器件等組成，適宜井筒安監(jiān)機(jī)器人應(yīng)用。支持NSA/SA 雙模，可根據(jù)實(shí)際需要靈活接入不同5G 模式網(wǎng)絡(luò)，支持5G SA 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，支持2G/3G/4G/5G 全兼容，直接同步5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋節(jié)奏。下行速率高達(dá)2 Gbps，上行速率高達(dá)230 Mbps，滿足井筒安全巡檢應(yīng)用的高帶寬要求。工作溫度范圍廣至-40～85 ℃，采用高可靠性器件以及工業(yè)獨(dú)特設(shè)計(jì)，適應(yīng)煤礦井筒復(fù)雜環(huán)境。

3.6 機(jī)器人智能傳感系統(tǒng)

機(jī)器人傳感器的選取，取決于機(jī)器人的工作需要和應(yīng)用特點(diǎn)[16]。針對煤礦立井建設(shè)時(shí)期環(huán)境的復(fù)雜性，特別是井筒環(huán)境中的氣體成分多樣性，需要研究井筒環(huán)境監(jiān)測傳感技術(shù)。傳感器采集模塊組成結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7 傳感器采集模塊組成結(jié)構(gòu)Fig.7 Composition structure of sensor acquisition module

首先研究適合煤礦建設(shè)井筒環(huán)境應(yīng)用的傳感技術(shù)，開發(fā)智能傳感器，開發(fā)可實(shí)時(shí)監(jiān)測井筒風(fēng)速的風(fēng)傳感器，開發(fā)可監(jiān)測井筒環(huán)境中甲烷氣體體積分?jǐn)?shù)的甲烷傳感器，開發(fā)可監(jiān)測井筒環(huán)境中一氧化碳?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)的一氧化碳傳感器，開發(fā)可監(jiān)測井筒中粉塵濃度的粉塵傳感器，開發(fā)可監(jiān)測放炮施工后環(huán)境的煙霧傳感器。

其次開發(fā)數(shù)據(jù)采集裝置，可與傳感器實(shí)時(shí)通訊，采集接收傳感器數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對井筒環(huán)境信息的采集和監(jiān)測。

此外，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主行走和避障，機(jī)器人還需要配置IMU 姿態(tài)傳感器、激光雷達(dá)避障傳感器、超聲測距避障傳感器、深度相機(jī)傳感器。

傳感器采集模塊采用STM32F407 單片機(jī)作為模塊采集的核心，通過不同的接口與各類傳感器進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)采集，匯總之后再打包上傳到主控與通訊模塊，這樣的設(shè)計(jì)易于擴(kuò)展、減輕主控模塊的壓力。

3.7 機(jī)器人危險(xiǎn)源識別系統(tǒng)

感知系統(tǒng)是智能機(jī)器人與人、外部環(huán)境實(shí)現(xiàn)交互最重要的組成部分[17]。機(jī)器人危險(xiǎn)源識別模塊功能如圖8。

圖8 機(jī)器人危險(xiǎn)源識別模塊功能Fig.8 Robot hazard identification module function

煤礦井筒施工智能安監(jiān)機(jī)器人需要具備安全隱患視覺識別能力。智能安監(jiān)機(jī)器人系統(tǒng)視覺識別單元基于TCP/IP 和SIP 等協(xié)議，采用先進(jìn)數(shù)字信號處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)采集（開發(fā)視頻采集裝置和識別技術(shù)），具備智能分析（能夠分辨井筒異常、故障）功能，智能軟件平臺能與智能廣播系統(tǒng)聯(lián)動播放安全預(yù)警信息，便于安監(jiān)人員及時(shí)掌握井筒狀態(tài)。設(shè)計(jì)專業(yè)化視頻采集裝置，能夠克服井筒光照限制、缺乏色彩信息、目標(biāo)與背景相似等引起的視頻識別干擾，系統(tǒng)采用視頻增強(qiáng)算法和智能視頻識別技術(shù)，能從危險(xiǎn)區(qū)域的視頻圖像中檢測“人-機(jī)-環(huán)”的異常狀態(tài)信息，自動捕捉和跟蹤異常點(diǎn)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和智能辨識井壁裂隙、滲水等危險(xiǎn)源，并及時(shí)預(yù)警?？梢耘c其他井壁監(jiān)測系統(tǒng)融合聯(lián)動，識別井壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化、井壁變形等安全隱患，為技術(shù)人員進(jìn)行井筒安全狀態(tài)評判、井筒建設(shè)作業(yè)決策提供現(xiàn)場依據(jù)，可有效保障井筒建設(shè)安全，提高井筒建設(shè)作業(yè)效率。能夠智能判斷異常位置并且自主跟蹤，并及時(shí)預(yù)警。

3.8 失爆爆炸識別

在煤礦井筒施工中，爆破施工是一種常用的掘進(jìn)作業(yè)模式。爆破施工過程中，由于炸藥質(zhì)量、雷管質(zhì)量、炮線損壞、炮線接觸不良等原因?qū)е聜€(gè)別炸藥雷管失爆。失爆爆炸物品殘留在渣土中，在渣土清理、運(yùn)輸過程中，可能會由于外力撞擊的作用而造成爆炸物品的爆炸，存在著不可預(yù)測的爆炸危險(xiǎn)性，也會造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。對于失爆炸藥檢測，是目前爆破作業(yè)的難點(diǎn)，采用人工檢測，存在風(fēng)險(xiǎn)高、識別率低等缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)開發(fā)失爆炸藥的自動識別技術(shù)裝備，可由機(jī)器人攜帶，保證信息讀取的快速性和可靠性，利用無線通訊技術(shù)和柔性標(biāo)簽編碼識別技術(shù)，可靠識別失爆雷管和炸藥，失爆炸藥檢測率大大提高，識別工作無須人工干涉，能夠自動識別和告警，爆破后可由機(jī)器人探測失爆炸藥和作業(yè)面安全狀態(tài)，確認(rèn)安全后，工作人員方可進(jìn)入作業(yè)現(xiàn)場，極大的保障了作業(yè)人員安全，減少事故的發(fā)生。

井筒施工失爆雷管和失爆炸藥智能識別裝置，能夠在煤礦井筒爆破掘進(jìn)建設(shè)時(shí)期，負(fù)責(zé)爆破施工作業(yè)失爆炸藥和失爆雷管智能精準(zhǔn)識別。井筒施工失爆雷管和失爆炸藥智能識別裝置主要由便攜式失爆雷管和失爆炸藥識別主機(jī)和柔性識別標(biāo)簽2 部分組成：①便攜式失爆雷管和失爆炸藥識別主機(jī)：主要由殼體、數(shù)據(jù)接口、聲音報(bào)警裝置、報(bào)警模塊、手提裝置、LED 顯示模塊、光報(bào)警裝置、通訊模塊、天線、控制面板、主板、電池模塊等組成；②柔性識別標(biāo)簽：由柔性可粘貼本體、芯片主板、外部標(biāo)識等組成。

井筒施工失爆雷管和失爆炸藥智能識別裝置采用無線通訊技術(shù)和柔性標(biāo)簽編碼識別技術(shù)，設(shè)計(jì)采用跳頻工作模式的無源電子射頻標(biāo)簽，具有極強(qiáng)的抗干擾能力，裝置識別更加精準(zhǔn)快捷，識讀實(shí)現(xiàn)不接觸方式，距離可達(dá)10 m 以上。可同時(shí)讀取多個(gè)炸藥和雷管信息，超低功耗，有效減小了體積和質(zhì)量，布置靈活、安全。可保證信息讀取的快速性和可靠性，能夠精準(zhǔn)可靠識別失爆雷管和炸藥的位置和數(shù)量。

在爆破實(shí)施前每個(gè)雷管和每個(gè)炸藥包上均固定有無源柔性識別標(biāo)簽，并進(jìn)行編號和位置設(shè)定，便攜式失爆雷管和失爆炸藥識別主機(jī)與柔性無源識別標(biāo)簽兩設(shè)備可保持無線實(shí)時(shí)通訊、接收和發(fā)送狀態(tài)信息數(shù)據(jù)。井筒爆破作業(yè)實(shí)施后，便攜式失爆雷管和失爆炸藥識別主機(jī)可由安監(jiān)機(jī)器人攜帶或者安監(jiān)人員攜帶，能夠準(zhǔn)確辨別失爆炸藥和失爆雷管。

4 軟件平臺

安監(jiān)機(jī)器人軟件平臺可支持機(jī)器人全部功能，其開發(fā)質(zhì)量關(guān)系到機(jī)器人研究的成敗。針對目前機(jī)器人控制軟件專用性強(qiáng)、可開發(fā)性低、升級成本高等問題，采用通用控制軟件平臺方案[18]。操作系統(tǒng)選用Windows 10 平臺。主軟件界面開發(fā)平臺擬選定Unity（版本號：2018.4.8f1）為基準(zhǔn)，該版本為Unity 的長期支持版本（LTS），有利于后期進(jìn)行維護(hù)，相比于使用QT 等基于圖形組件的開發(fā)平臺，Unity 具有節(jié)約開發(fā)成本、基于組件和框架的優(yōu)勢、渲染性能高、光效粒子系統(tǒng)先進(jìn)、可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)。開發(fā)的通用機(jī)器人軟件平臺，可實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人傳回的視頻畫面，顯示機(jī)器人采集的有害氣體數(shù)據(jù)，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲、共享和打印，具備對機(jī)器人遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定功能，輔助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能決策，為安全管理人員正確決策提供技術(shù)支撐。

5 結(jié) 語

從實(shí)際應(yīng)用角度論述了煤礦井筒建設(shè)時(shí)期智能安監(jiān)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究，通過本項(xiàng)目的研究，能夠有效減少煤礦井筒建設(shè)時(shí)期各類事故發(fā)生，通過與設(shè)備、人員管理系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，更好的發(fā)揮了安監(jiān)機(jī)器人的作用，切實(shí)保障了井筒建設(shè)時(shí)期的安全生產(chǎn)，提高井筒建設(shè)效率，減少人員、財(cái)產(chǎn)損失，節(jié)約人力資源成本。由于煤礦立井施工智能安監(jiān)機(jī)器人技術(shù)沒有成功先例可以借鑒，本研究存在一定的技術(shù)局限性，機(jī)器人功能和性能指標(biāo)還有待于不斷提升和完善。煤礦安監(jiān)機(jī)器人的研究剛剛起步，隨著國家煤礦智能化、無人化戰(zhàn)略逐步推進(jìn)，煤礦安監(jiān)機(jī)器人在煤礦安全巡檢領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大作用，煤礦安監(jiān)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展也將會日新月異。井筒建設(shè)時(shí)期安監(jiān)機(jī)器人的推廣和應(yīng)用，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，排除故障，提升井筒建設(shè)時(shí)期安全保障能力，必將有效減少煤礦井筒建設(shè)時(shí)期的安全事故，保障了煤礦建設(shè)的順利開展。