矿山轨道巡检机器人系统

矿山轨道巡检机器人系统

张岩毕法森张传庆姜楠马国燃

0引言

煤炭资源是目前经济发展和社会进步的主要能源之一。随着经济的发展，对煤炭的需求量快速增长，促使煤炭生产能力大幅度提高。我国地矿资源丰富，但由于赋存条件复杂，开采的难度和危险性也随之增加。由于自然条件的复杂性和管理因素，导致相关事故时有发生。所以及时有效的发现潜在风险，防范于未然，显得尤为重要。

2019年1月，国家煤矿安监局制定公布了《煤矿机器人重点研发目录》，重点研发应用掘进、采煤、运输、安控和救援5类、38种煤矿机器人，并对每种机器人的功能提出了具体要求。对于高危的煤炭开采行业，煤矿机器人的大规模采用，必然在大幅度降低矿难的基础上有效提升采煤效率，成为解决“矿难”提高生产力难题的金钥匙。本文适用于矿山轨道巡检机器人，针对矿山轨道巡检机器人提出了整体设计、结构、功能、软件协议等方面的技术要求进行研究[1~3]。

1、基本要求

针对矿山轨道巡检机器人应用范围，应用领域提出以下最基本的要求：

1)矿山轨道巡检机器人应至少配置轨道巡检机器人本体、本地监控硬件、充电设备及其它辅助设施。业主可结合实际工作需要提出其它系统配置。

2)矿山轨道巡检机器人所有部件应能承受贮存、运输和巡检条件下所规定的各种环境条件，包括：空气湿度大，空气中浮游杂质如煤尘、含量高，腐蚀性气体如CO2、NO、NO2、SO2等、含量较高等。

3)矿山轨道巡检机器人按现行的国家标准、行业标准选用材料。当选用标准以外的材料时，应经过鉴定证明其性能满足设计要求，方可选用。材料的选用应考虑到维修中的互换、备料和代料。

2、结构及外观要求

针对矿山轨道巡检机器人工作环境，使用方式，对结构和外观提出以下要求：

1)外壳表面有保护涂层或防腐设计，外表光洁、均匀,无伤痕、毛刺等其它缺陷。

2)外壳和电器部件的外壳无带电且安装防爆装置。

3)内部电气线路排列整齐、固定牢靠、走向合理，便于安装、维护，并用醒目的颜色和标志加以区分；

以下是提供的轨道机器人外观结构设计以及安装方案的参考图：

3、环境及工程条件

针对矿山轨道巡检机器人的应用范围，以及基本功能，决定了其必须适用于以下的工作环境：

3.1正常工作条件

工作环境温度：-5℃～+40℃；

相对湿度：5％～95％；

气压：80~110kpa 

3.2特殊工作条件

当超出规定的工作条件时，由用户与供应商协商确定。

3.3工程条件

适用于矿山煤炭环境，并在空气湿度大；空气中浮游杂质如煤尘、含量高；腐蚀性气体如CO2、NO、NO2、SO2等、含量较高环境下正常运行。

4性能要求

为了更好满足功能的需要，保证其工作的稳定，安全，可靠性，对性能做出以下要求：

4.1电源适应性（根据现场自主选择）

机器人本体宜采用蓄电池（电压直流48V），机器人充电桩（防爆）电源输入宜采用交流220V/50Hz，或井下供电系统；

4.2运动性能要求

在轨道上运行的最大速度应不小于30m/min；

4.3云台性能要求

1)预置位数量大于500个；

2)垂直范围-75°～+90°；

3)水平范围±180°。

4.4自动导航定位要求

重复导航定位误差不大于5mm；

4.5通讯性能要求

1)机器人应能与本地监控后台采用无线通信方式，通信模块的选择取决于通信距离；

2)两台或两台以上矿山轨道巡检机器人在同一环境内工作时，其控制信号不相互干扰；

3)控制、传输信号应具有良好的穿墙性能，并具有良好的抗干扰能力；

4)通讯射频指标符合国家无线电委员会、GB/T31091-2014煤炭管理通用技术要求、MT/T1007-2006矿用信息传输接口、MT/T1006-2006矿用信号转换器相关要求。

4.6轨道要求

轨道型材采用高强度铝合金，可以拼接，并且可以根据现场地形设计弯曲度。

1)最小弯轨道弯曲半径：R300mm

2)承载重量：50KG以上。

3)轨道应能够防锈，防腐蚀。

5、基本功能要求

轨道巡检机器人满足如下功能要求。

5.1信息交换与通信网络功能

1)机器人能与本地监控后台进行双向信息交互，信息交互内容包括检测数据和机器人本体状态数据。

2)网络拓扑符合实际工程需求。

3)系统具备通信告警功能，在通信中断、接收的报文内容异常等情况下，上送告警信息。

5.2机器人导航方式与自检

机器人采用轨道导航方式。

机器人具备自检功能，自检内容包括电源、驱动、通信和检测设备等部件的工作状态。

5.3控制功能

通过平台可以实现机器人位置控制，具备水平、垂直运动功能，使得检测范围可覆盖煤场内所有设备，其中水平行程取决于导轨的长度。

机器人能正确接收本地监控和远程集控后台的控制指令，实现云台转动、车体运动、自动充电和设备检测等功能，并正确反馈状态信息；能正确检测机器人本体的各类预警和告警信息，并可靠上报。

5.4巡检和检测功能

1)系统支持全自主和遥控巡检模式。

全自主模式包括例行和特巡两种方式。例行方式下，系统根据预先设定的巡检内容、时间、周期、路线等参数信息，自主启动并完成巡视任务；特巡方式由操作人员选定巡视内容并手动启动巡视，机器人可自主完成巡检任务。

遥控巡检模式由操作人员手动遥控机器人，完成巡视工作。

2)巡检内容包括但不限于：

a)设备外观；

b)煤场气体浓度；

c)对人有害气体超高预警；

d)设备的温度和噪音；

e)设备指示灯故障检测；

6结论

本文针对矿山轨道巡检机器人整体设计、结构、功能、软件协议，提出了合理的建议和要求，对整个产品的运行工作过程，控制使用方案进行行了规定，对后续开发研究起到了指导和借鉴作用。

参考文献：

[1]轨道式巡检机器人系统设计与应用[J].裴文良,张树生,岑强,饶毅.煤矿机械.2016(06)

[2]轨道式变电站巡检机器人的研究与应用[J].胡绍刚,贾明月,刘君.电气应用.2013(S2)

[3]轨道式变电站巡检机器人投入试运行[J].机电工程技术.2012(02)

作者介绍：

张岩（1983.4.26），性别：男；籍贯：安徽萧县；民族：汉；学历：本科；职称：工程师；职务：电气专工；研究方向：电气工程。

毕法森（1970.5.16），性别：男；籍贯：河北省文安县；民族：汉；学历：本科；职称:工程师；职务:部门主任；研究方向:化学、脱硫。

张传庆（1983.10.01），性别:男；籍贯:山东省潍坊市；民族:汉；学历:本科；职称:助理工程师；职务:电气专工；研究方向:电气控制。

姜楠（1990.02.10），性别：男；籍贯：辽宁；民族：汉；学历：本科、学士；职称：助理工程师；职务：输煤电气检修工；研究方向：二次电路。

马国燃（1982.4.16），性别：女；籍贯：河南南阳；民族：汉；学历：本科；职称：工程师；职务：高压电气试验工；研究方向：电气工程。