礦用巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)及應(yīng)用淺析
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摘要:在礦山生產(chǎn)作業(yè)中,礦山的井下安全巡檢是保障礦山安全的重要任務(wù)之一，但由于大部分礦山井下的環(huán)境十分復(fù)雜，且要想應(yīng)用新技術(shù)的難度系數(shù)較大，因此一般在進(jìn)行礦山井下巡檢時(shí)采取的是人工巡檢方式。為此本文就懸掛式巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、過彎規(guī)劃、跨越障礙規(guī)劃、動(dòng)力學(xué)等應(yīng)用問題進(jìn)行分析討論，以期為我國煤礦事業(yè)發(fā)展提供參考依據(jù)。
我國每年因煤礦生產(chǎn)死亡的工人數(shù)量均世界之首，不僅給亡者家庭帶來傷害還對(duì)社會(huì)乃至國家的財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失[1]。要保障我國煤礦工人的人身安全，就必須從危險(xiǎn)系數(shù)極高的井下環(huán)境巡檢工作入手，目前我國的機(jī)器人技術(shù)日漸成熟且逐步應(yīng)用到了各行各業(yè)之中，礦井下高危環(huán)境尤其適合應(yīng)用該技術(shù)。如何解決機(jī)器人在復(fù)雜礦井環(huán)境下爬坡、越障、跨越溝壑等行走問題是提高及其使用效率、可靠性的關(guān)鍵。
1懸掛式巡檢機(jī)器人整體方案設(shè)計(jì)
1.1巡檢環(huán)境分析
為了保障機(jī)器人可以在礦井下平穩(wěn)順利行走，其需要通過懸掛在以鋼絲繩制作的移動(dòng)軌道中完成對(duì)礦井下環(huán)境以及煤礦設(shè)備狀態(tài)的巡檢工作。因此在規(guī)劃其巡檢路徑的時(shí)候，需要考慮其在行走過程中鋼絲繩桿怎樣布置才能不被壓彎、壓斷，首先要選擇輕質(zhì)的材料制作機(jī)器人，其次是需要將鋼絲繩安裝在礦井下各個(gè)通道的側(cè)壁之上。礦井下環(huán)境存在以下四個(gè)特點(diǎn)，①礦井下的空氣成分復(fù)雜，充斥著瓦斯、CO等危險(xiǎn)氣體，且這類危險(xiǎn)氣體的濃度較高；②礦井下照明條件差，整個(gè)巡檢的視野較暗；③整個(gè)井下的巷道臂展較長且各個(gè)巷道都含有斜巷；④低溫濕度高[2]。這四個(gè)特點(diǎn)給機(jī)器人帶來設(shè)計(jì)問題，要考慮到礦下容易發(fā)生瓦斯爆炸問題，巡檢光線較差且坡度高,機(jī)器人在下面經(jīng)過各個(gè)分巷道需要進(jìn)行拐彎的角度不一，因此要想順利通過各個(gè)巷道十分困難。礦井下采煤機(jī)器在進(jìn)行作業(yè)的時(shí)候會(huì)向其作業(yè)地點(diǎn)噴灑出大量的水，而礦井下環(huán)境本身就很陰暗潮濕且溫度低，這也可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人在巡檢過程中發(fā)生故障。
1.2巡檢機(jī)器人功能及技術(shù)要求
針對(duì)礦井下環(huán)境特點(diǎn)，因此要求巡檢機(jī)器人必須具備如下功能：①在懸掛的鋼絲繩上平穩(wěn)行動(dòng)，在遇到障礙時(shí)可以躲避或跨越，運(yùn)輸進(jìn)行上下坡活動(dòng)，在過彎道時(shí)能夠不打滑；②要求機(jī)器人具有小體積小重量，但與此同時(shí)其也需要滿足所需功能要求，能夠?yàn)楹罄m(xù)安裝電源、傳感器以及控制器提供合理的空間；③能夠抵抗惡劣的空氣和環(huán)境；④具有較高的續(xù)航能力。
2懸掛式機(jī)器人具體方案設(shè)計(jì)
2.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
我國近年來隨著科技的發(fā)展也研發(fā)創(chuàng)新了很多類型的機(jī)器人，其中應(yīng)用最頻發(fā)的有三種，分別為仿生臂攀援式、多節(jié)分體式以及輪臂復(fù)合式，但由于其內(nèi)部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此整體的移動(dòng)速度較為緩慢，因此需要額外安裝控制系統(tǒng)才能滿足礦井下巡檢工作要求的速度，而輪臂復(fù)合式相較于其他兩種機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)在于其不僅可以滿足礦井下巡檢工作要求，本身的質(zhì)量也非常輕，所以可采用該類型的機(jī)器人來設(shè)計(jì)礦井下懸掛式巡檢機(jī)器人。為了提高輪臂復(fù)合式機(jī)器人的工作效率，可以在其本身的結(jié)構(gòu)上加設(shè)行走結(jié)構(gòu)和過障結(jié)構(gòu)。
2.2懸掛桿設(shè)計(jì)
為了保證機(jī)器人在礦井下可以正常行走，在安裝機(jī)器人身上的螺絲（膨脹）的時(shí)候需要將其中一側(cè)安裝在井下巷道的側(cè)壁部位以及鋼絲繩的兩端。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證機(jī)器人在礦下進(jìn)行巡檢工作時(shí)可以穩(wěn)定通過鋼絲繩，需要在安置懸線桿時(shí)將鋼絲繩進(jìn)行固定。注意安裝時(shí)一定要保障其橫截面和上半圓弧的完整，不能夠直接將凸塊安裝在上半圓弧上。
2.3過彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)器人在礦井下進(jìn)行直線巡檢工作的時(shí)候，其行走的軌道經(jīng)過水平投影可呈一條直線，在機(jī)器人進(jìn)行過彎的時(shí)候其軌道投影則會(huì)從一條直線變?yōu)閹в谢《鹊膱A弧。如果在其過彎的時(shí)候仍然采用其直線行走時(shí)使用的柔性鋼絲繩那么可能會(huì)值得機(jī)器人實(shí)際拐彎弧度大于預(yù)期值，因此需要另外設(shè)計(jì)機(jī)器人在過彎時(shí)的鋼軌。過彎鋼軌可采取三個(gè)懸線桿制作，將整個(gè)鋼軌架安裝在井下巷道的拐角處。
2.4驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型
在設(shè)計(jì)整個(gè)懸掛式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)需要將驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)安裝在原先設(shè)計(jì)的行走結(jié)構(gòu)的封閉部位，這樣可以減輕機(jī)器人在工作時(shí)產(chǎn)生的側(cè)擺情況，另外需要注意在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)要保證其有足夠的力矩，這樣不僅解決機(jī)器人在巡檢過程中出現(xiàn)重心偏移的情況，還提高其整體的穩(wěn)定性。
3結(jié)語
總而言之，利用懸掛式機(jī)器人對(duì)礦井下環(huán)境進(jìn)行巡檢可以彌補(bǔ)既往人工巡檢中存在的諸多弊端和缺陷，但要提高懸掛式機(jī)器人整體的靈活性和自主性，還需要充分結(jié)合礦井下的環(huán)境以及巷道坡度以及分布情況，通過對(duì)其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、過彎結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來滿足不同礦井下環(huán)境的巡檢需求。
參考文獻(xiàn)
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作者:雷鵬飛 楊國宏 張浩 單位:甘肅華亭煤電股份有限公司華亭煤礦
