矿用巡检机器人设计及应用浅析
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摘要:在矿山生产作业中,矿山的井下安全巡检是保障矿山安全的重要任务之一，但由于大部分矿山井下的环境十分复杂，且要想应用新技术的难度系数较大，因此一般在进行矿山井下巡检时采取的是人工巡检方式。为此本文就悬挂式巡检机器人结构设计、过弯规划、跨越障碍规划、动力学等应用问题进行分析讨论，以期为我国煤矿事业发展提供参考依据。
我国每年因煤矿生产死亡的工人数量均世界之首，不仅给亡者家庭带来伤害还对社会乃至国家的财产造成了巨大损失[1]。要保障我国煤矿工人的人身安全，就必须从危险系数极高的井下环境巡检工作入手，目前我国的机器人技术日渐成熟且逐步应用到了各行各业之中，矿井下高危环境尤其适合应用该技术。如何解决机器人在复杂矿井环境下爬坡、越障、跨越沟壑等行走问题是提高及其使用效率、可靠性的关键。
1悬挂式巡检机器人整体方案设计
1.1巡检环境分析
为了保障机器人可以在矿井下平稳顺利行走，其需要通过悬挂在以钢丝绳制作的移动轨道中完成对矿井下环境以及煤矿设备状态的巡检工作。因此在规划其巡检路径的时候，需要考虑其在行走过程中钢丝绳杆怎样布置才能不被压弯、压断，首先要选择轻质的材料制作机器人，其次是需要将钢丝绳安装在矿井下各个通道的侧壁之上。矿井下环境存在以下四个特点，①矿井下的空气成分复杂，充斥着瓦斯、CO等危险气体，且这类危险气体的浓度较高；②矿井下照明条件差，整个巡检的视野较暗；③整个井下的巷道臂展较长且各个巷道都含有斜巷；④低温湿度高[2]。这四个特点给机器人带来设计问题，要考虑到矿下容易发生瓦斯爆炸问题，巡检光线较差且坡度高,机器人在下面经过各个分巷道需要进行拐弯的角度不一，因此要想顺利通过各个巷道十分困难。矿井下采煤机器在进行作业的时候会向其作业地点喷洒出大量的水，而矿井下环境本身就很阴暗潮湿且温度低，这也可能会导致机器人在巡检过程中发生故障。
1.2巡检机器人功能及技术要求
针对矿井下环境特点，因此要求巡检机器人必须具备如下功能：①在悬挂的钢丝绳上平稳行动，在遇到障碍时可以躲避或跨越，运输进行上下坡活动，在过弯道时能够不打滑；②要求机器人具有小体积小重量，但与此同时其也需要满足所需功能要求，能够为后续安装电源、传感器以及控制器提供合理的空间；③能够抵抗恶劣的空气和环境；④具有较高的续航能力。
2悬挂式机器人具体方案设计
2.1整体结构设计
我国近年来随着科技的发展也研发创新了很多类型的机器人，其中应用最频发的有三种，分别为仿生臂攀援式、多节分体式以及轮臂复合式，但由于其内部设计结构非常复杂，因此整体的移动速度较为缓慢，因此需要额外安装控制系统才能满足矿井下巡检工作要求的速度，而轮臂复合式相较于其他两种机器人的优势在于其不仅可以满足矿井下巡检工作要求，本身的质量也非常轻，所以可采用该类型的机器人来设计矿井下悬挂式巡检机器人。为了提高轮臂复合式机器人的工作效率，可以在其本身的结构上加设行走结构和过障结构。
2.2悬挂杆设计
为了保证机器人在矿井下可以正常行走，在安装机器人身上的螺丝（膨胀）的时候需要将其中一侧安装在井下巷道的侧壁部位以及钢丝绳的两端。在进行设计时，为了保证机器人在矿下进行巡检工作时可以稳定通过钢丝绳，需要在安置悬线杆时将钢丝绳进行固定。注意安装时一定要保障其横截面和上半圆弧的完整，不能够直接将凸块安装在上半圆弧上。
2.3过弯结构设计
机器人在矿井下进行直线巡检工作的时候，其行走的轨道经过水平投影可呈一条直线，在机器人进行过弯的时候其轨道投影则会从一条直线变为带有弧度的圆弧。如果在其过弯的时候仍然采用其直线行走时使用的柔性钢丝绳那么可能会值得机器人实际拐弯弧度大于预期值，因此需要另外设计机器人在过弯时的钢轨。过弯钢轨可采取三个悬线杆制作，将整个钢轨架安装在井下巷道的拐角处。
2.4驱动结构设计和选型
在设计整个悬挂式机器人的驱动结构时需要将驱动结构安装在原先设计的行走结构的封闭部位，这样可以减轻机器人在工作时产生的侧摆情况，另外需要注意在设计驱动结构时要保证其有足够的力矩，这样不仅解决机器人在巡检过程中出现重心偏移的情况，还提高其整体的稳定性。
3结语
总而言之，利用悬挂式机器人对矿井下环境进行巡检可以弥补既往人工巡检中存在的诸多弊端和缺陷，但要提高悬挂式机器人整体的灵活性和自主性，还需要充分结合矿井下的环境以及巷道坡度以及分布情况，通过对其驱动结构、过弯结构的优化设计来满足不同矿井下环境的巡检需求。
参考文献
[1]徐成志.矿用智能巡检机器人关键技术设计与实践[J].内蒙古煤炭经济,2020(04):189.
[2]潘祥生.矿用悬线式巡检机器人的设计及动力学分析[J].煤矿机械,2019,40(11):4-7.
[3]王欢.矿用智能巡检机器人关键技术设计与实践[J].世界有色金属,2018(10):293+295.
作者:雷鹏飞 杨国宏 张浩 单位:甘肃华亭煤电股份有限公司华亭煤矿
