矿用轨道式自动测风机器人研究与设计

　　摘要：由于煤矿井下人工对巷道风速、风量和气体浓度检测的繁琐性和不精确性，容易造成通风系统决策错误导致安全事故发生。针对上述问题，研究设计了一种矿用轨道式自动测风机器人系统，论述了轨道式自动测风机器人的结构组成和九点精确定位检测方法，对测风机器人的硬件系统和软件系统进行设计。该机器人系统可实现巷道通风参数自动采集，为矿井通风安全提供有效保障。

　　关键词：轨道;多点测风;伺服驱动系统;机器人

　　0引言

　　矿井通风系统是煤矿生产基本系统之一，担负着向井下工作地点送入充足的新鲜空气，稀释与排出井下有毒有害气体、粉尘和热湿等任务。为了保证通风系统能够安全、稳定、经济地运行，技术管理人员需要及时获得巷道内风速、风量、瓦斯浓度、CO浓度、空气温度和湿度等通风基础参数。然而，巷道通风参数随着矿井采掘工程接替实时动态变化，采用人工巡检测量巷道通风参数的工作量十分巨大，并很难实时准确地获得通风参数的精确值，使得管理人员很难及时察觉通风系统的安全隐患，容易造成煤矿安全事故的发生。

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　　为了解决上述问题，提出一种矿用轨道式自动测风机器人系统，基于工字钢轨道、多点测风法和伺服驱动系统位置控制，对机器人系统进行机械结构、路径规划、硬件和软件系统设计，实现对巷道通风系统参数的定时、定点自动采集，构建技术先进、自动化程度高、运行稳定可靠的自动测风机器人系统，为矿井通风系统管理和决策提供可靠依据。 矿用轨道式自动测风机器人硬件系统设计(1)轨道式自动测风机器人装置结构组成

　　矿用轨道式自动测风机器人装置主要由驱动装置和机器人本体组成，如图1所示。测风机器人驱动装置包括驱动轮、齿轮传动箱、同步带传动装置、夹紧轮、承载轮和承载轮基座，驱动轮、承载轮和夹紧轮分别在工字钢轨道左右对称布置。驱动装置通过联接板、联接螺杆和螺母与机器人本体联接固定。机器人本体包括本体防爆外壳和滚珠丝杆电动伸缩杆，在机器人本体外部安装有运行状态指示灯、天线和摄像头，在机器人本体后部设置有充电插头，在滚珠丝杆电动伸缩杆端盖安装有传感器。

　　(2)轨道式自动测风机器人硬件系统组成

　　矿用轨道式自动测风机器人硬件系统由通风参数数据采集和无线通信监控两部分组成。通风参数数据采集部分包括驱动装置和检测装置，驱动装置包括驱动电机、同步带传动装置、齿轮传动箱、驱动轮、承载轮和夹紧轮，检测装置由机器人本体、伺服驱动滚珠丝杆伸缩杆、矿用多参数气体传感器和摄像机组成。

　　驱动电机和伺服电机安装于机器人本体内部，机器人本体通过工字钢轨道架空于巷道顶部，驱动电机驱动机器人本体实现水平方向往返运动，伺服电机驱动滚珠丝杆电动伸缩杆带动传感器实现竖直方向往返运动。无线通信监控部分包括天线、无线基站、井下监控分站和地面监控终端。机器人本体通过天线与无线基站进行检测数据传递和控制指令接收。无线基站通过RJ45接口与井下监控分站进行数据传输，井下监控分站配备有嵌入式PC液晶显示屏，可以实时显示巷道内各气体浓度、温湿度、风速数据和机器人运行状态等，井下监控分站接入井下以太网将检测数据传输给地面监控终端。

　　2矿用轨道式自动测风机器人多点测风关键技术

　　(1)轨道式自动测风机器人巷道安装方案矿用轨道式自动测风机器人采用工字型轨道，此轨道是一种专门特制加工的型材，轨道表面经过防锈处理，是测风机器人的主体支持轨道，测风机器人巷道安装示意图。在巷道预定喷浆区域打锚杆，锚杆末端螺母固定有圆环链板，圆环链一端与圆环链板联接，另一端与工字钢轨道上吊耳联接，将工字钢轨道吊装于巷道顶部，2根工字钢轨道之间通过夹块、夹块板和联接螺栓联接固定。机器人本体通过驱动装置挂吊在工字钢轨道上，在工字钢轨道最左端安装有充电桩，当机器人完成测风任 务回到初始位置，充电插头与充电桩连接为机器人充电续航。无线基站安装在靠近机器人本体的巷道内壁上实现无线通信。

　　(2)机器人多点测风运动路径规划为直观、形象体现轨道式自动测风机器人多点测风关键技术原理，对巷道测风截面网格化，建立直角坐标系，利用理论公式对九点测风位置精确计算，对机器人进行九点测风运动路径规划。以机器人本体所在位置为坐标原点、水平方向为x轴和竖直方向为y轴建立平面直角坐标系，滚珠丝杆伸缩杆端盖上安装的传感器所在位置为测风运动零点，由a、b边表示的边界为轨道式测风机器人运动极限位置。根据预先规划设定的运动轨迹对机器人进行编程，控制单元启动测风命令后，机器人本体根据坐标和运动轨迹依次有序地对9个点进行测风，同时将检测数据传输至数据处理中心，求得各项通风参数平均值。

　　4结语

　　本文研究设计了一种矿用轨道式自动测风机器人，挂吊在巷道顶部架设的工字钢轨道上，通过伺服驱动系统和九点测风法，实现机器人本体移动位置精确控制和多点数据采集，有效地减轻工作人员的劳动强度、降低劳动风险。机器人系统通过内部软件对数据自动分析，可以及时发现通风安全隐患，避免安全事故发生，对煤矿安全绿色高效开采具有重要的现实意义。

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　　作者：张延军，许鹏，孙融，王春艳