0 引言
煤矿井下综采工作面作为煤炭的第一生产现场，具有作业空间狭小、机械设备多、视觉环境差、温度高等特点，是煤矿事故的多发地点。据统计，在采煤工作面事故中，有近80%的事故原因是由于监测不到位引起的[1-2]。由此可见，实时监测在采煤工作面安全生产中起着至关重要的作用。
传统的监测方式有人工巡检和在线监控2种。人工巡检方式由于劳动强度大、巡检效率低而逐渐被淘汰；在线监控方式虽然监测效果较好，但是成本高、灵活性差、覆盖面积小[3-7]。近年来，随着机器人技术的高速发展，开始研制用于巡检工作的特种机器人，并应用于煤矿巡检领域[8-11]。文献[3]设计了一种轮式移动巡检机器人，通过机器人平台上的监测设备，实现工作面设备安全状态巡检。文献[4]针对煤矿井下带式输送机运行状态的监测，设计了一种巡检机器人，通过固定抱索器与钢丝绳相连，在传动系统作用下沿带式输送机运行方向往返运动，实现状态巡检[12-14]。以上2种机器人虽然解决了行走和巡检问题，但由于综采工作面地形复杂，不论轮式还是钢丝绳牵引式巡检机器人应用场所都受到一定限制，适应性需要加以改进[15-18]。
由于综采工作面设备较多、空间狭小，为不影响液压支架、采煤机及刮板输送机的正常工作，要求煤矿综采工作面巡检机器人应具有在柔性轨道上实现巡检的能力，一方面需确定巡检机器人柔性轨道的安装位置，另一方面，解决巡检机器人在狭小空间内通行的问题，实现由地面工控终端操控机器人在柔性轨道上运行与监测的功能。同时综采工作面是煤矿井下作业最为危险的环境之一，瓦斯等有毒有害气体经常威胁着煤矿安全生产，因此，煤矿综采工作面巡检机器人必须进行防爆设计，才能符合煤矿防爆安全要求。基于此,笔者对煤矿综采工作面巡检机器人进行研制，可辅助或代替人工完成日常巡检，对现场环境、生产状态进行有效监控，大幅减轻采煤工作面检修工人的劳动强度，减少人员伤害，同时，机器人采用防爆设计，符合煤矿防爆要求，能够减轻煤矿生产的安全压力，提高安全风险管控能力。
1 综采工作面巡检机器人系统设计
1.1 巡检机器人系统组成
煤矿综采工作面巡检机器人系统组成如图1所示，该巡检机器人系统由远程工作站、基站、手持遥控终端、巡检机器人本体和轨道等组成。
图1 综采工作面巡检机器人系统组成框图
Fig.1 Block diagram of inspection robot system for fully-mechanized mining face
巡检机器人本体采用模块结构，分别根据功能、结构和承载载荷的要求进行优化设计，轨道采用柔性导轨与刚性导轨组成的具有多自由度的轨道系统，巡检机器人本体吊挂在轨道上行走，保障相邻液压支架错位动作时巡检机器人能够通过。巡检机器人本体采用自带动力电池供电，按照井下防爆要求，设计了机器人自动充电装置。
1.2 巡检机器人本体设计
巡检机器人本体是综采工作面巡检机器人系统的执行部件，负责工作面周围环境和设备工作状态的监测任务，主要由控制模块、视频采集模块、音频采集模块、传感器模块、动力模块、驱动模块和升降机构组成。
1)控制模块是巡检机器人本体的核心控制单元，采用嵌入式单片机STM32，通过RJ45网口、RS485串口与驱动模块、动力模块、视频采集模块、音频采集模块和传感器模块进行信号传输与控制，通信采用KC-R4-Ⅰ协议，高效实现核心控制功能。
2)视频采集模块包括可见光摄像仪和红外摄像仪，用于采集工作现场及设备的图像和温度信息，对采煤机及液压支架工作状态实时监控，并对异常情况报警；其中，可见光摄像机采用20倍光学变焦、200万像素的低照度摄像机，能够满足现场照明不足和不同设备的图像采集要求；红外热像仪采用帧频50 Hz，能够采集提供现场设备的红外热像图和温度数据，该模块通过连接机构万向节与巡检机器人本体连接。
3)音频采集模块包括拾音器、音频转换器和处理器，负责现场声音的采集和降噪分析处理，可实时采集现场音频信号，经硬件降噪和软件降噪处理后，采用神经网络算法分析，对异常音频信号报警。
4)传感器模块包括烟雾传感器、多参数气体传感器、红外传感器、超声波传感器和温度传感器。烟雾传感器主要用于监测综采工作面是否存在烟雾，及时发现潜在的火灾危险；多参数气体传感器采用模块集成设计，实时监测综采工作面现场环境中甲烷、氧气、一氧化碳、硫化氢浓度，瓦斯含量超标及时报警；红外传感器用于判断巡检机器人行进方向是否有障碍物，避免巡检机器人行走过程中碰撞设备或人；超声波传感器用于检测工作面煤层内部状态及地壳形变，温度传感器用于检测现场设备温升情况及工作面环境温度。
5)驱动模块及动力模块：驱动模块包括控制电动机、驱动器、驱动轮组及连接支架，根据巡检机器人本体额定运行速度、传动比、驱动轮组外径、电动机转矩和转速等参数，反复验算，调整设计参数，综合优化驱动模块设计参数；动力模块包括锂离子动力电池组和电源保护板，按照巡检机器人本体防爆设计要求，为整个巡检机器人本体提供不同的动力电源，包括本安电源和隔爆电源。驱动及动力模块均安装在巡检机器人本体上。
6)升降机构可实现对设备上下垂直方向的监测，升降机构与巡检机器人本体安装在一起，利用升降机构可使探测传感器上下移动，完成对综采工作面大型采煤设备垂直方向的动态监测。
1.3 远程工作站和基站设计
巡检机器人本体、基站和远程工作站通过无线方式进行通信，手持遥控终端利用无线通信通过基站控制巡检机器人工作。
远程工作站由安装在调度室的工控机组成，用于对巡检机器人的无线远程控制、参数设置以及完成与巡检机器人远程工作站的数据传输。远程工作站利用无线通信方式，通过控制软件完成与巡检机器人的信息交换，在远程工作站的显示器上能直观地反映出巡检机器人采集的各种信息及数据，包括现场视频图像、红外热像图、温度数据、4种气体浓度数据和各种报警信息。远程工作站除了可对巡检机器人本身的动作发出控制指令外，巡检机器人所有的视觉、音频等感知信息均在远程工作站上进行分析处理。如检测到设备异常时，巡检机器人和远程工作站均会产生声光报警信息，提示用户及时检修，防患于未然。通过远程工作站能够形成实时报警记录、历史报警记录并存入远程工作站的数据库中，可按日期、按设备进行随时查询设备信息和存档图片。
基站采用标准无线WiFi通信方式，为巡检机器人沿轨道巡检运行时提供无缝通信信号，提供实时信息传输通道；手持遥控终端采用防爆手机，内置APP软件，通过基站，就地控制巡检机器人和信息查看，包括查看推送的报警信息和处理。巡检机器人利用内置通信模块通过基站与远程工作站及手持遥控终端进行无线通信，实现巡检机器人系统从井下到地面调度室的整个互联互通。
2 柔性轨道系统设计
由于综采工作面设备较多、空间狭小，为不影响液压支架、采煤机及刮板输送机的正常工作，要求综采工作面巡检机器人应具有在柔性轨道上实现巡检的能力。因此，一方面需解决巡检机器人柔性轨道的结构和安装位置，另一方面，要解决巡检机器人在狭小空间内通行的问题。
在研发巡检机器人的同时，研制了一种用于综采工作面的巡检机器人柔性轨道系统，该系统既能满足综采工作面的空间要求，又能保证巡检机器人在柔性轨道上安全运行。
该柔性轨道系统由刚性导轨、柔性导轨和吊装组件构成，如图2所示。刚性导轨和柔性导轨通过吊装组件固定在液压支架的顶板上，刚性导轨包括刚性导轨静块和刚性导轨动块，刚性导轨动块的底部开有长槽，内置有滚动轴承，使之可在刚性导轨静块内滑动。
图2 柔性轨道系统
Fig.2 Flexible track system
柔性导轨包括柔性关节、上连接板、下连接板和转轴5，柔性导轨包括至少3个柔性关节，柔性关节的一端为内凹圆弧，另一端为外凸圆弧。通过上连接板、下连接板和转轴将2个柔性关节首尾相连，刚性导轨与柔性导轨用同样方法连接在一起。
采用柔性轨道的优点是：当采煤液压支架前后错位移动时，悬挂在液压支架顶部的柔性轨道弯曲或伸展，刚性导轨动块在刚性导轨静块内滑动。当液压支架升降错位移动时，相邻2组吊装组件上的吊装锁链收缩，通过柔性轨道与吊装组件的相互配合，来补偿液压支架多自由度的错位移动对柔性轨道带来的影响，确保机器人本体在柔性轨道上无障碍行走。同时，由于柔性轨道系统架设在液压支架的顶部护板上，不会影响到液压支架、采煤机及其他相关设备的运转，保证了巡检机器人在煤矿工作面的安全运行。
3 巡检机器人防爆设计
煤矿井下作业空间狭小、机械设备多、视觉环境差、温度高、煤尘多，甚至存在易燃易爆的瓦斯气体，当瓦斯或煤尘遇着点火源或高温，就可能发生燃烧或爆炸。煤矿井下使用的电气设备在运行中，可能发生电弧和电火花，所以《煤矿安全规程》2016版、GB 3836—2010《爆炸性气体环境用电气设备》都对煤矿井下设备提出了严格的防爆要求。
3.1 巡检机器人本安设计
巡检机器人本体的视频采集模块、音频采集模块、传感器模块采用本安型设计，对应的动力模块电源部分设计为本安电源，与隔爆电源按照防爆要求进行隔离设计，按照本安电源电容和电感曲线调整设计电路中的电容和电感。
3.2 隔爆设计
巡检机器人本体的控制箱体、驱动装置和升降机构等均采用隔爆设计，隔爆结合面采用圆筒隔爆面和平面隔爆面。以驱动装置为例，如图4所示，隔爆铜套采用铜合金制作，内圈与电动机输出轴为间隙配合，隔爆结合面长度为14 mm，隔爆结合面的间隙为0.15 mm；外圈与电动机外壳为过盈配合。电动机外壳与隔爆箱体采用平面隔爆面，隔爆结合面长度为14 mm，隔爆结合面的间隙为0.15 mm。主箱体外壳材质为Q345钢板，隔爆外壳能承受1 MPa，加压时间为(10+20)s的静压试验。结合面的平均粗糙度Rα不超过6.3 μm。巡检机器人的引入装置密封胶圈全部采用IRHD硬度50的阻燃橡胶制造。
1—隔爆箱体； 2—电动机外壳；3—直流减速电动机；4—电动机固定架 5—轴承；6—隔爆铜套；7—唇形密封圈；8—电动机输出轴
图4 驱动装置隔爆结构示意
Fig.4 Structure schematic of drive device flameproof
4 巡检机器人系统功能及控制程序设计
4.1 巡检机器人系统功能
在地面调度室的远程工作站中装有工作面巡检机器人控制软件平台，利用该控制软件可实现对巡检机器人的远程控制，实现远程在线监测与现场巡检、现场处置相结合的目标，建立煤矿井下无人巡视与处置管理新模式。巡检机器人系统功能包括：
1)具备巡检路线规划功能，通过集控系统在巡检过程中适时修改巡检点的功能。
2)系统提供采集、存储巡检机器人传输的可见光和红外视频功能，并支持视频的播放、停止、抓图、录像、全屏显示等功能。
3)系统对检测超标进行实时告警，包括以短信、邮件、声音、软件界面提示等方式，人机界面方式可以对所有存储的告警信息按照时间、地点组合进行查询。
4.2 巡检机器人本体控制程序设计
巡检机器人本体使用STM32单片机作为机器人控制核心器件，实现巡检机器人行走及数据采集、数据传输等功能。机器人本体控制程序流程如图5所示。
图5 机器人本体控制程序流程
Fig.5 Flow chart of control program for robot body
4.3 多机器人协作方法
综采工作面是一个狭长空间，作业设备众多，且相互之间存在协同动作。因此，为了实现对工作面检修、不同生产工况下的巡检全覆盖，需要在采煤机运行、支架移动时，也采用多机器人协同巡检，配合实现多个设备的监测。综采工作面生产作业时，2个轨道巡检机器人分别跟踪采煤机前后滚筒移动，对采煤过程及设备、环境、围岩状况进行实时感知；在检修时，2个机器人按照不同的任务分工，以不同的速度沿着工作面移动，分别对设备、环境、围岩状况进行实时感知。多机器人协同作业采用多Agent模型[19-20]，对2个巡检机器人的工作角色和任务进行建模，巡检过程中，每个Agent对角色变换函数进行实时评估，根据工作工况和角色变换函数值的变化，对2个机器人的巡检任务进行实时转换和调度，如图6所示。
图6 多巡检机器人协作方法
Fig.6 Cooperation method of multi-inspection robot
5 结论
根据煤矿井下综采工作面的应用需求，开发了煤矿综采工作面巡检机器人系统，该机器人系统具有如下的特点：
1)采用高清摄像仪和高分辨率的红外热成像仪合一设计，有效解决了煤矿综采工作面因空间狭窄、条件复杂而监测不够以及设备故障点多的问题，提升了监测控制系统的完善可靠性。
2)采用柔性轨道的设计，实现了综采工作面巡检机器人在多生产设备并行工作的狭小空间内的正常运行，有效解决了移动运行轨迹问题。
3)采用多机器人协同作业模式，实现了多种生产设备、不同生产工况下的巡检全覆盖。
4)采用防爆设计，实现巡检功能，减轻巡检工人劳动强度的同时，也保障了煤矿井下恶劣环境的安全作业。
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