楊東澤 趙昱皓 孫強(qiáng) 溫裕鴻 徐佳依

1.摘要

帶式輸送機(jī)作為旋轉(zhuǎn)運(yùn)輸機(jī)械，廣泛適用于采礦、海關(guān)以及物料工廠，由于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)、負(fù)載大等極易發(fā)生內(nèi)部損壞故障。對(duì)于煤礦行業(yè)，采用的帶式輸送機(jī)通常可以達(dá)到2-3km，其故障的排除依賴于人工巡檢，該方法存在實(shí)際巡檢難度大、故障排除不及時(shí)等弊端。為此，設(shè)計(jì)開發(fā)巡檢機(jī)器人對(duì)于帶式輸送機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)以及企業(yè)的安全生產(chǎn)有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義和生產(chǎn)實(shí)踐效益。

2.引言

針對(duì)當(dāng)前礦用帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中存在的安全隱患，研究一種新型的礦用帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人。帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人以一定的運(yùn)動(dòng)速度實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)機(jī)頭至機(jī)尾的常態(tài)化故障監(jiān)測(cè)，巡檢機(jī)器人通過(guò)自身裝備的音頻信號(hào)采集裝置、圖像采集模塊、氣體檢測(cè)器件、溫濕度采集傳感器等檢測(cè)模塊完成帶式輸送機(jī)托輥的故障診斷、監(jiān)測(cè)帶式輸送機(jī)工作狀態(tài)以及周圍環(huán)境的有害氣體參數(shù)、溫濕度指數(shù)等，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)無(wú)人化、智能化巡檢總目標(biāo)。

3. 方案總體設(shè)計(jì)

分析巡檢機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)現(xiàn)有煤礦井下故障診斷存在的問(wèn)題，引出自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化發(fā)展趨勢(shì)的對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上，提出研制一種主要基于音頻信號(hào)的高傳輸速率和高采樣率的帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人，結(jié)合無(wú)線供電技術(shù)完成無(wú)線供電帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)。

通過(guò)煤礦實(shí)地調(diào)研，結(jié)合設(shè)備工況，利用SolidWorks建立機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)采集工況類型、要求等的不同，研制以樹莓派（Raspberry）控制器為核心的數(shù)據(jù)采集單元和以WIFI無(wú)線通信技術(shù)為核心的無(wú)線數(shù)傳模式，繪制硬件電路及進(jìn)行軟件編程，實(shí)現(xiàn)噪聲檢測(cè)系統(tǒng)的信息采集和高速傳輸。

帶式輸送機(jī)主要依靠帶面與托輥的摩擦進(jìn)行物料運(yùn)輸，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中托輥眾多，判別方式往往依據(jù)耳聽目看，故障排除難度大。針對(duì)該問(wèn)題，采用一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能化音頻監(jiān)測(cè)方案，研究托輥在不同健康狀態(tài)下的信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)信息，將現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)、特征提取技術(shù)與BP人工智能技術(shù)相結(jié)合，以此優(yōu)化故障診斷機(jī)制。

設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人監(jiān)測(cè)平臺(tái)的信號(hào)系統(tǒng)傳輸方案，通過(guò)Raspberry硬件平臺(tái)的搭建確保信號(hào)的下位機(jī)傳輸，構(gòu)建圖形化編程G語(yǔ)言軟件上位機(jī)LabVIEW和MATLAB信息處理結(jié)合的人機(jī)交互界面;建立特征信息數(shù)據(jù)庫(kù)，創(chuàng)建信號(hào)采集曲線、特征提取判別等界面，實(shí)現(xiàn)信息交互。采用TCP/IP協(xié)議，開發(fā)完整的信息傳輸系統(tǒng)，對(duì)下位機(jī)和上位機(jī)軟件進(jìn)行相關(guān)調(diào)試及優(yōu)化。

4. 巡檢機(jī)器人裝置平臺(tái)搭建

根據(jù)帶式輸送機(jī)在煤礦的實(shí)際需求和特性，帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)3個(gè)層次的設(shè)計(jì)要求，才能達(dá)到所預(yù)設(shè)的研究結(jié)果，其各層功能實(shí)施如圖所示。設(shè)備層作為首要層次，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人外觀結(jié)構(gòu)對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)，達(dá)到便捷、可靠和安全的巡檢要求。第二層網(wǎng)絡(luò)傳輸層，采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸。第三層巡檢控制層，主要實(shí)現(xiàn)信息的處理、故障的預(yù)警及排除。

巡檢機(jī)器人的具體工作過(guò)程為：信息采集裝置在行走機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下沿?zé)o線供電導(dǎo)軌進(jìn)行巡檢作業(yè)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪朝預(yù)設(shè)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)巡檢裝置朝預(yù)設(shè)方向運(yùn)動(dòng);當(dāng)步進(jìn)反轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)巡檢裝置朝預(yù)設(shè)方向的反方向運(yùn)動(dòng)?？刂苽}(cāng)外側(cè)還設(shè)置有位置傳感器，位置傳感器與控制器電連接，且控制器被配置為當(dāng)位置傳感器的避障組件發(fā)出避障信號(hào)時(shí)控制巡檢裝置停止巡檢，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)方向的巡檢。氣體傳感器、溫濕度傳感器用于進(jìn)行工作環(huán)境狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與傳輸?？刂苽}(cāng)底部的直線電機(jī)根據(jù)實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)伸縮裝置高度方向上下移動(dòng)，當(dāng)直線電機(jī)作業(yè)會(huì)促使連接塊水平移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)伸縮板實(shí)現(xiàn)連桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多自由度、多視角的信息采集，完成帶式輸送機(jī)帶面監(jiān)控、托輥監(jiān)控、地基沉降等故障，真正實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的多功能診斷。

多信息診斷傳感器以及音視頻采集裝置由主控制器協(xié)同作業(yè)，且根據(jù)噪聲傳感器以及視頻采集裝置的采集信號(hào)診斷帶式輸送機(jī)的所處狀態(tài)，及時(shí)準(zhǔn)確的獲取當(dāng)前帶式輸送機(jī)工作狀態(tài)。如圖所示，經(jīng)由控制器進(jìn)行信號(hào)的量化、發(fā)送，近端無(wú)線感應(yīng)裝置在接受信息的同時(shí)，通過(guò)無(wú)線通訊方式與上位機(jī)建立聯(lián)系，在多重故障數(shù)據(jù)庫(kù)中比對(duì)信息，判別故障信息。

4.結(jié)論

通過(guò)對(duì)某煤礦實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)煤炭開采過(guò)程中存在自動(dòng)化程度低、智能化水平落后以及工作效率慢等不足，依托重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目支持，設(shè)計(jì)一款無(wú)線供電帶式輸送巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)煤礦井下帶式輸送機(jī)的日常巡檢作業(yè)，采集井下巷道工作參數(shù)，遠(yuǎn)端智能化控制。為此，以礦用帶式輸送機(jī)巡檢過(guò)程中自動(dòng)化水平最為低下的托輥故障入手，利用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)以及人工智能診斷的科技理論，開展了無(wú)線供電帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人的研究。

6.參考文獻(xiàn)

[1] 張樹生， 馬靜雅， 陸文濤，等. 礦用帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 煤礦機(jī)械， 2015， 036（007）：28-30.

[2] 陸文濤， 裴文良， 張樹生，等. 礦用帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人研究與設(shè)計(jì)[J]. 煤礦機(jī)械， 2015， 000（009）：18-20.

[3] 馬靜雅， 岑強(qiáng)， 李軍偉. 礦用帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 煤炭技術(shù)， 2016， v.35;No.265（01）：249-251.

[4] 邵珠娟， 鄧曉剛， 程豪杰，等. 智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人在煤礦的應(yīng)用[J]. 中國(guó)煤炭， 2020， v.46;No.527（06）：40-44.

[5] 王川偉， 馬宏偉， 馬琨，等. 帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人行駛力學(xué)及其仿真研究[J]. 煤炭技術(shù)， 2018， 37（10）：264-267.

2020年衢州學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（Q20X047）