付文俊

（北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013）

隨著社會(huì)對(duì)煤炭需求量的日益增長(zhǎng)，開(kāi)采能力不斷提高，開(kāi)采深度不斷增加是井工開(kāi)采的必然趨勢(shì)[1]。我國(guó)預(yù)測(cè)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(jí)9 169.10 億t，占預(yù)測(cè)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(jí)9 969.20 億t，占預(yù)測(cè)總量的59.5%。隨著深部煤炭資源的開(kāi)采，煤礦井筒深度也在不斷刷新紀(jì)錄，對(duì)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(guò)程中，大都采用鉆爆法掘進(jìn)，會(huì)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(huì)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(duì)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(jiàn)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(huì)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(jiàn)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(cè)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(lái)進(jìn)行更加有效的監(jiān)測(cè)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(cè)和信息采集的智能化和無(wú)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(kāi)，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(zhuān)職瓦檢員要每班檢查電動(dòng)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(cè)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(rùn)，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(cè)功能。

3）井壁管理方面。在施工過(guò)程中、要有專(zhuān)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(cè)、二氧化碳檢測(cè)、失爆炸藥識(shí)別、聲光預(yù)報(bào)警功能。

5）防治水方面。施工過(guò)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(shí)別和監(jiān)視功能。

6）機(jī)器人軟件平臺(tái)應(yīng)具備相關(guān)系統(tǒng)融合功能。軟件平臺(tái)應(yīng)具備提升系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息融合功能，便于分析和綜合評(píng)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(cè)、毒害氣體監(jiān)測(cè)、安全巡檢、危險(xiǎn)源識(shí)別、與其它系統(tǒng)信息融合聯(lián)動(dòng)、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(cè)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(lèi)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(cè)，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(cè)甲烷、一氧化碳等有毒有害氣體，可智能識(shí)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?？蓪⒈O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及施工現(xiàn)場(chǎng)圖像無(wú)線傳輸至地面，為作業(yè)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)形勢(shì)判斷、作業(yè)任務(wù)決策提供現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(tái)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(mǎn)足礦用產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)要求，需要符合GB 3836國(guó)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(mǎn)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(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)輪、滾珠軸承、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)射天線、通訊裝置、圖像采集裝置、云臺(tái)、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(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、吸附盤(pán)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(dòng)，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(chē)的驅(qū)動(dòng)理論原則，井筒施工智能安監(jiān)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)采用4 輪驅(qū)動(dòng)的方式，4 輪分別由4 套直流伺服系統(tǒng)單獨(dú)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)，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(dòng)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(guò)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(duì)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(dòng)輪連接。合理設(shè)計(jì)配合及連接，并對(duì)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行粗糙井壁表面的全向移動(dòng)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(dòng)。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(dòng)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(lái)又出現(xiàn)了膠吸附、仿壁虎足的干吸附、仿蝸牛的濕吸附、類(lèi)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(lèi)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(lái)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(pán)內(nèi)形成一定真空度，其優(yōu)點(diǎn)是低噪音、體積小，但對(duì)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(chǎng)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(dòng)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(dòng)，其吸附機(jī)構(gòu)承載能力是首要考慮的問(wèn)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(guò)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(dòng)保持、指令握手等可靠性技術(shù)；通過(guò)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(dòng)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(duì)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(jiǎn)化，將井筒壁表面簡(jiǎn)化為平面，并且只對(duì)吸附力要求嚴(yán)格的向上直線運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)圖如圖4。

圖4 爬壁機(jī)器人受力簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)輪摩擦力；Ff為墻壁對(duì)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(mǎn)足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)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(lái)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(pán)、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(dòng)控制及功能控制部分，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)爬行和探頭掃查運(yùn)動(dòng)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(dòng)控制模塊、無(wú)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(jué)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(jué)處理、驅(qū)動(dòng)控制、通訊等模塊的協(xié)調(diào)工作和對(duì)外交互，通過(guò)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(chǎng)圖像和聲音，設(shè)計(jì)的遙控手柄可對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(duì)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(dòng)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(lái)研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)器設(shè)計(jì)采用主流數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為控制核心，功率器件驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)單有效的基于移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(huì)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(zhǎng)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(wú)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(wú)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(wú)線基站，實(shí)現(xiàn)井筒5G 信號(hào)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(mǎn)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(duì)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(cè)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(kāi)發(fā)智能傳感器，開(kāi)發(fā)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井筒風(fēng)速的風(fēng)傳感器，開(kāi)發(fā)可監(jiān)測(cè)井筒環(huán)境中甲烷氣體體積分?jǐn)?shù)的甲烷傳感器，開(kāi)發(fā)可監(jiān)測(cè)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(kāi)發(fā)可監(jiān)測(cè)井筒中粉塵濃度的粉塵傳感器，開(kāi)發(fā)可監(jiān)測(cè)放炮施工后環(huán)境的煙霧傳感器。

其次開(kāi)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(duì)井筒環(huán)境信息的采集和監(jiān)測(cè)。

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(cè)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(guò)不同的接口與各類(lèi)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(shí)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(shí)別模塊功能如圖8。

圖8 機(jī)器人危險(xiǎn)源識(shí)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(jué)識(shí)別能力。智能安監(jiān)機(jī)器人系統(tǒng)視覺(jué)識(shí)別單元基于TCP/IP 和SIP 等協(xié)議，采用先進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)采集（開(kāi)發(fā)視頻采集裝置和識(shí)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(tái)能與智能廣播系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)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(zhuān)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(shí)別干擾，系統(tǒng)采用視頻增強(qiáng)算法和智能視頻識(shí)別技術(shù)，能從危險(xiǎn)區(qū)域的視頻圖像中檢測(cè)“人-機(jī)-環(huán)”的異常狀態(tài)信息，自動(dòng)捕捉和跟蹤異常點(diǎn)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和智能辨識(shí)井壁裂隙、滲水等危險(xiǎn)源，并及時(shí)預(yù)警。可以與其他井壁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融合聯(lián)動(dòng)，識(shí)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(píng)判、井筒建設(shè)作業(yè)決策提供現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(guò)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(guò)程中，可能會(huì)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(cè)的爆炸危險(xiǎn)性，也會(huì)造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)于失爆炸藥檢測(cè)，是目前爆破作業(yè)的難點(diǎn)，采用人工檢測(cè)，存在風(fēng)險(xiǎn)高、識(shí)別率低等缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)失爆炸藥的自動(dòng)識(shí)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(wú)線通訊技術(shù)和柔性標(biāo)簽編碼識(shí)別技術(shù)，可靠識(shí)別失爆雷管和炸藥，失爆炸藥檢測(cè)率大大提高，識(shí)別工作無(wú)須人工干涉，能夠自動(dòng)識(shí)別和告警，爆破后可由機(jī)器人探測(cè)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(chǎng)，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(shí)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(shí)別。井筒施工失爆雷管和失爆炸藥智能識(shí)別裝置主要由便攜式失爆雷管和失爆炸藥識(shí)別主機(jī)和柔性識(shí)別標(biāo)簽2 部分組成：①便攜式失爆雷管和失爆炸藥識(shí)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(shí)別標(biāo)簽：由柔性可粘貼本體、芯片主板、外部標(biāo)識(shí)等組成。

井筒施工失爆雷管和失爆炸藥智能識(shí)別裝置采用無(wú)線通訊技術(shù)和柔性標(biāo)簽編碼識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)采用跳頻工作模式的無(wú)源電子射頻標(biāo)簽，具有極強(qiáng)的抗干擾能力，裝置識(shí)別更加精準(zhǔn)快捷，識(shí)讀實(shí)現(xiàn)不接觸方式，距離可達(dá)10 m 以上?？赏瑫r(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?？杀ＷC信息讀取的快速性和可靠性，能夠精準(zhǔn)可靠識(shí)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(wú)源柔性識(shí)別標(biāo)簽，并進(jìn)行編號(hào)和位置設(shè)定，便攜式失爆雷管和失爆炸藥識(shí)別主機(jī)與柔性無(wú)源識(shí)別標(biāo)簽兩設(shè)備可保持無(wú)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(shí)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(tái)

安監(jiān)機(jī)器人軟件平臺(tái)可支持機(jī)器人全部功能，其開(kāi)發(fā)質(zhì)量關(guān)系到機(jī)器人研究的成敗。針對(duì)目前機(jī)器人控制軟件專(zhuān)用性強(qiáng)、可開(kāi)發(fā)性低、升級(jí)成本高等問(wèn)題，采用通用控制軟件平臺(tái)方案[18]。操作系統(tǒng)選用Windows 10 平臺(tái)。主軟件界面開(kāi)發(fā)平臺(tái)擬選定Unity（版本號(hào)：2018.4.8f1）為基準(zhǔn)，該版本為Unity 的長(zhǎng)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，Unity 具有節(jié)約開(kāi)發(fā)成本、基于組件和框架的優(yōu)勢(shì)、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(kāi)發(fā)的通用機(jī)器人軟件平臺(tái)，可實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人傳回的視頻畫(huà)面，顯示機(jī)器人采集的有害氣體數(shù)據(jù)，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)、共享和打印，具備對(duì)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(yǔ)

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(guò)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(lèi)事故發(fā)生，通過(guò)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(méi)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(guó)家煤礦智能化、無(wú)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)?huì)發(fā)揮更大作用，煤礦安監(jiān)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展也將會(huì)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(kāi)展。