带式输送机巡检机器人研究

黄世顶 韩 雷 芦 伟 刘洪刚

1 兖矿集团贵州能化龙凤煤矿 金沙 551800 2 力博重工科技股份有限公司 泰安 271000 3 山东科技大学机械电子工程学院 青岛 266590

0 引言

带式输送机作为煤矿生产的重要物料输送设备，具有运量大、运输距离长、运输平稳、结构简单等优点，被广泛的应用[1]。带式输送机受到所处工作地点环境因素的影响，再加之带式输送机长期的运行作业，便会产生各种问题。带式输送机常见的问题有断带、纵向撕裂、打滑、跑偏、堆煤及火灾等[2]，这些故障是非常大的安全隐患，一旦出现将对人员和设备产生极大的威胁，对带式输送机运行状态的监测便显得尤为重要。传统的人工巡检工作量大、强度高、检测方式单一，再加之环境的复杂性，容易产生效率低、检测不准确、无法提前避免问题产生以及对巡检人员的生命健康存在较大的风险。传统的传感器监测方式也存在着监测点多、布置相当复杂、成本高，维护困难等缺陷。传统方式无法很好地满足带式输送机的巡检，同时随着带式输送机技术向着智能化、无人化和高可靠性发展，对带式输送机的巡检提出了更高的要求。所以，代替人工对带式输送机进行安全高效巡检的带式输送机巡检机器人便适应时机而产生了。带式输送机巡检机器人搭载采集声音、图像、温湿度、气体等信息的各类传感器，并对采集信息分析，实现巡检、预警及诊断。具有无人化、效率高、准确性好、全天候等优点，节省了人力，减少人员及设备事故的产生，保证了带式输送机的安全稳定运行[3，4]。

1 巡检机器人国外研究现状

20 世纪80 年代末，一些发达国家开始对巡检机器人进行研究。日本中部电力公司设计了一种变电站巡检机器人，机器人的导航由地下铺设的磁轨来完成。同时机器人搭载有摄像装置、红外测温装置、脉冲检测装置，声音采集装置等[5]。

Gabriel Garcia 等设计了一种带式输送机巡检平台[6]，如图1 所示。该平台包含履带行走装置、机械臂及监测仪器设备，包括摄像头、麦克风及带有振动传感器的触摸屏等。机器人沿着带式输送机移动，机械臂将传感器组件靠近需监测部件，以获取数据信息，对带式输送机进行故障诊断。

图1 带式输送机巡检平台

ABB 公司设计了一种巡检机器人，对带式输送机托辊监测，如图2 所示。该机器人在L 形轨道上运行，并携带热像仪、带LED 灯的可俯仰可视相机和超声波麦克风等，采集托辊数据。机器人巡视之后，停靠在基站的电池充电端口，并上传所有检查数据以进行分析。

图2 ABB 带式输送机巡检机器人

Regivaldo Carvalho 等设计了一种无人机巡检[7]，如图3 所示。无人机搭载热成像相机，且无人机可不受地形条件的影响，高速飞行采集带式输送机的热图像，并在图像中识别滚轴的方位。通过对图像的辐射数据进行形态学处理，可以提取温度并识别出缺陷辊。数据存储在无人机的存储卡中，并在飞行后传输到计算机上。

图3 无人机巡检

2 巡检机器人国内研究现状

20 世纪 90 年代末，国内开始对巡检机器人进行相关研究，吴功平[8]对巡检机器人进行了多年研究，图4所示为其研发的双臂悬线机器人，该机器人双机械臂架设在输电线上，可在输电线路上爬行或滚动，并可稳定越过输电线路上的障碍物，通过摄像机和红外热成像采集数据。

图4 双臂悬线机器人

2010 年，商德勇[9,10]设计了一种薄煤层综采面巡检机器人，如图5 所示。该机器人拥有四个摇臂，可适用于多种地形，越障性能好，可应对复杂恶劣的薄煤层工作面环境。机器人上安装有摄像头、温度传感器和湿度传感器、气体检测装置等，可监测复杂的综采工作面面环境并进行分析。

图5 薄煤层综采面巡检机器人

2012 年，唐山开诚制造有限公司设计了一种煤矿井下胶带运输机巡视机器人。该机器人在架设的驱动绳上运动，机器人上搭载摄像头及各类气体传感器，对带式输送机的运行状态进行简单的监测。

2016 年，中信重工开诚智能装备有限公司设计了一种矿用巡检机器人[11，12]，如图6 所示。该机器人采用轨道式传动，通过传动系统的牵引沿带式输送机往复移动，具备图像采集、声音采集、温度和烟雾监测等功能，并通过无线通讯网络输数据，实现互联互通。

图6 矿用巡检机器人

2018 年，中信重工开诚智能装备有限公司在原有巡检机器人的基础上又设计了一款矿用隔爆兼本安型轨道式巡检机器人，如图7 所示。该机器人采用钢丝绳牵引发电，可实现5G 通讯，通讯距离远，抗干扰性强。该机器人具有智能识别功能，并融合大数据分析预警技术，可实现对设备运行故障的超前预判及预警。

图7 矿用隔爆兼本安型轨道式巡检机器人

2019 年，中国矿业大学设计了一种带式输送机巡检机器人[13]，应用于露天煤矿环境，如图8 所示。机器人为轨道式机器人，通过安装在轨道上的齿条和机器人上的齿轮实现行走。由于现场环境冬季温度低，采用加热控制装置解决低温下锂电池充电问题。具有红外检测和视觉检测功能，将采集到的信息无线传输到上位机。

华夏天信研发了一款轨道式矿用巡检机器人，如图9 所示。该机器人搭载有热成像视频监控模块、多参数传感器及语音识别系统，采用了先进无线数传等技术，实现机器人在轨道手动或自动控制运行，对声音、图像、气体等参数采集并回传，将采集到的各种数据融入到智慧矿山操作系统平台中进行大数据分析。

图8 中国矿业大学带式输送机巡检机器人

图9 华夏天信轨道式矿用巡检机器人

3 巡检机器人关键技术

3.1 移动平台

移动平台是为巡检机器人非常重要的基础组成部分。由于带式输送机巡检机器人工作特点及环境，现有的带式输送机巡检机器人主要为轨道式移动平台，带式输送机巡检机器人在预先架设好的轨道上自主往返巡检运动。移动平台安装在输送机的单侧或两侧，并具备防振和防潮的特点。

3.2 监测技术

带式输送机巡检机器人为实现带式输送机故障的诊断需要对图像、声音、气体浓度温湿度、环境等进行监测。目前采用最多的是利用图像采集设备对带式输送机及巷道内的图像采集，红外测温仪采集带式输送机在红外图像并将采集到的图像信息传至上位机，对图像进行识别与处理，通过算法判断带式输送机的运行状态。利用声音采集设备对带式输送机的声响采集，分析采集信息，判断有无异常情况出现。利用温湿度、烟雾、气体等传感器监测带式输送机周围环境，非正常问题一旦出现，及时报警。

3.3 自主充电技术

带式输送机长度的增加及环境问题的复杂性，巡检机器人的续航及充电问题愈发关键。目前对于巡检机器人的供电方式包括，供电线路拖拽式、滑轨接触式以及电池加自主充电式。带式输送机巡检机器人大多采用内置电池加自主充电的方式，又有接触式充电和无线充电。内置电池为巡检机器人的正常运行提供电量，并且电量较低时，巡检机器人将自动寻找充电桩为自己补充电量。

4 巡检机器人发展趋势展望

1）灵活化、轻巧化 带式输送机的结构需进一步优化，使其体积变小，重量变得更轻，移动更加灵活。机器人能量消耗变得更低，环境适应能力更好，开发制造成本降低。

2）数据分析智能化 通过探究输送机的运行机理和动态特性找出输送机故障的本质原因，指导传感器的种类及安装方式，探究海量回传数据的比对、筛选、融合与分析方法和策略，逐步实现精确地对带式输送机故障进行预警和预知性维护。

3）配电及动力问题 带式输送机巡检机器人的续航是热点和难点问题。无线供电在巡检机器人上已有初步应用，但仍需对大功率、高负载以及长距离机器人行走的动力方式进一步研究，探讨行走动力无电池化，满足井下防爆要求。

4）巡检机器人与输送机自动控制、综合保护系统的深度融合 巡检机器人在输送机自动化控制的基础上再研究和融入智能化，将更有利于输送机的安全运行，逐步实现机器换人。

5 结语

带式输送机巡检机器人对带式输送机的运行状态实时监控，对故障实现提前预警和准确分析，避免了一些人工巡检的弊端。符合矿山信息化和自动化的发展需要，前景十分广阔。本文对巡检机器人的国内外研究现状进行了分析，并分析和阐述了带式输送机巡检机器人的关键技术，同时展望了带式输送机巡检机器人在灵活化及轻巧化、数据分析智能化、供电技术发展趋势，为带式输送机未来的发展和应用提供参考。