0 引 言
煤炭行业是我国的能源支柱行业，经过多年的发展，我国煤炭行业基本实现了机械化，并在自动化领域取得了优异的发展。近些年来，随着人工智能的高速发展，机器人的应用领域得到了更广阔的拓展，推动了智慧矿山的发展[1]，较于先进国家同行业来说，国内现场仍以人为操作为主，作业安全问题突出。巡检机器人是减轻综采工作面人工劳动强度，解决工作面巡检安全问题的有效手段。
目前，巡检机器人可分为固定轨道式[2-3]、地面行走式[4-6]和吊缆悬挂式[7-9]。矿用固定轨道式巡检机器人系统采用在刮板输送机上布置固定轨道的方式，但在实际安装运行过程中，由于刮板输送机强烈的振动，巡检机器人巡检作业受到影响，采集的数据准确性达不到数据分析的要求。商德勇[10]设计了一种六履带四摇臂式移动机器，其行走机构采用履带式行走机构[11-13]，在综采工作面地面行驶以实现对采煤工作面巡视数据的采集，其结构优点在于可改变自身高度以适应不同地形环境的要求，既可以在狭小空间内工作，又能借助前后摇臂作用辅助翻越障碍。但仍是模拟人工在工作面行走的巡检路径方式进行巡检，由于不同工作面地质环境不同，其机器人爬坡角度及跨沟长度无法满足实际工况，不能有效保障机器人巡检路径的可靠性，影响机器人采集数据的准确性。靳子浩[14]设计了一种悬挂式巡检机器人，其采用轮臂复合式结构，具有结构简单,纯机械越障机构，控制系统简化的优点。但在工作面拉架作业引起液压支架相对位置变化后 ，其支撑钢丝线缆的固定悬挂杆会发生错位，导致钢丝路径折弯，其设计的巡检机器人转弯角度无法满足正常工作要求。
通过对综采液压支架拉架动作和巡检作业要求的深入研究，综合考虑固定轨道式巡检机器人实际工况下的震动影响和地面行走式巡检机器人越障能力 [15-17]，以及吊缆悬挂式机器人机械越障特点[18-20],笔者设计了一种自动巡检机器人系统，适应综采工作面狭小的布置空间和自适应液压支架拉架动作对机器人巡检路径的影响，使巡检机器人巡检路径更稳定，采集的作业数据更可靠。并且可实现工作面图像和温度数据的数据融合和畸变校正，为今后实现像素级智能视觉分析提供参考，对推动综采工作面智能化，提高煤矿经济效益有重要意义。
1 自动巡检机器人系统组成
自动巡检机器人系统由自动巡检系统、机器人本体、电气控制系统、通信网络系统、集控室集控系统组成。自动巡检机器人系统结构如图1所示。
图1 自动巡检机器人系统结构
Fig.1 Architecture of automated patrol robot system
1)自动巡检系统。自动巡检系统是液压支架拉架作业导致巡检整体路径变化后做出无动力自适应调整，保证巡检机器人的自动化双向往复巡检路径可靠性的关键装置。其主要结构由驱动装置架、迂回装置架、悬轨支撑机构和牵引钢丝线缆组成。
2)机器人本体。机器人本体主要由壳体框架、采集传感器、供电系统、通信控制系统组成。其中采集传感器包括2路可见光相机和红外热像仪。
3)电气控制系统。电气控制系统由强电系统和弱电系统2部分组成。强电系统经接现场电源到配电箱完成电机驱动装置供电及限位检测元件供电，集控室主机及显示器供电也是经由现场外接电源。弱电系统主要是系统的控制电信号接线，包括电机驱动装置控制信号与控制主机交互，以及限位检测元件触发信号与电机驱动装置交互。
4)通信网络系统。通信网络系统搭建在控制主机与机器人本体之间用来实现机器人与控制主机之间的双向信息交互。
5)集控室集控系统。集控室集控系统实现对巡检机器人的巡检模式控制、速度控制，并对采集到的图像进行了数据融合、展示，在出现高温异常时，进行实时报警。
2 自动巡检机器人关键技术
2.1 自动巡检
自动巡检系统结构如图2所示，包括用以支撑缆绳、封闭机器人巡视路径的驱动装置架与迂回装置架，实现机器人导向牵引作用的牵引钢丝线缆，实现支撑线缆作用的悬轨支撑机构，以及连接线缆与机器人的抱索机构。
图2 自动巡检机器人系统
Fig.2 Systematic of automatic inspection robot
驱动装置架和迂回装置架相较于传统支撑吊缆的两端支撑架，其上布置有线路调整轮和活动悬架臂，配合使用可适应不同采高工作面巡检机器人吊缆环境的搭建。悬轨支撑机构如图3所示，其采用滑轨和支撑机构配合使用的方式，在工作面液压支架拉架作业后，支撑机构可以在滑轨上进行前后方向的自适应运动，保证巡检机器人的自动化双向往复巡检路径。同时，为保证巡检机器人的越障能力，即穿越支撑机构的能力，支撑机构设计成一侧穿越，一侧支撑钢缆的结构，穿越侧设置有浮动滑轮座，连接有机器人本体的抱索机构穿越该支撑机构时顶起浮动滑轮座实现机器人越障。机器人本体结构如图4所示。
图3 悬轨支撑机构
Fig.3 Suspension rail support mechanism
图4 机器人本体结构示意
Fig.4 Robot body structure sketch
2.2 数据采集与融合
自动巡检机器人本体上布置有高精度可见光传感器和热成像传感器，可以获取高精度的可视化图像信息。为使系统在同一瞬间从不同角度观测环境，建立真实可靠的静态模型，自动巡检机器人系统采用硬件同步方式，解决了多传感器触发机制和采样频率不同造成的时间差，在1 ms的精度上同步采集3幅图片，并赋予图片真实的时间属性，这是智能视觉分析所需要的源数据必不可少的核心属性。
单幅可见光和单幅热成像红外数据，只能独立观测外观和温度信息，由于传感器的视场角、空间位置差异，简单叠加无法精准匹配，会产生较大偏差，无法用于智能图像分析。传感器成像原理如图5所示。
图5 传感器成像原理
Fig.5 Princine of sensor imaging
自动巡检机器人的集控室集控系统实现了可见光和红外数据的实时融合，根据2个传感器的相对位置，视场角差异，进行实时计算，在像素级进行空间配准，使其在空间上保持一致，外观和其温度在图像上严格匹配，既可以真实观测具体物体的温度，也可以进一步通过智能分析算法实现更高级的识别。
2.3 可视化与智能控制
自动巡检机器人系统中机器人与控制主机之间可通过通信网络系统实现双向信息交互。
热成像红外所获取的原始数据为在一定温度范围的灰度图，由于灰度仅表示相对温度，无法直观了解温度信息。集控室控制主机将灰度图实时转化为绝对温度的彩色图，可以通过对颜色的观测一目了然的了解温度信息，极大方便了对温度场的观测。同时，集控室集控系统也可以对巡检机器人的巡检速度、电机转速、驱动器温度、驱动转矩、CPU负载、内存用量、网络延迟和图像传输刷新频率等巡检状态进行实时监测，可实现对机器人巡检状态的实时控制。
2.4 报警
采煤机的温度无法直接观测，人工巡检无法迅速而准确地把握温度异常情况。自动巡检机器人系统采集的热成像温度图像，获得观测范围内的所有温度信息，精度达0.1 ℃，根据设定的温度阈值，迅速发现异常温度信息(如高温，特定温度区间)，在集控室控制主机可视化界面实时显示温度异常画面并报出警告。
3 自动巡检机器人试验情况
自动巡检机器人系统在中煤张家口煤矿机械有限责任公司综采工作面实验室进行试验性研究，如图6和图7所示，实验室工作面煤壁厚度3 m，工作面长度70 m。布置有1台MG500/1130-WD采煤机，1台SGZ1000/1050刮板输送机，其长度为70 m，1部SZZ1000/400转载机，安装有43架ZY9000/15/28D液压支架。自动巡检机器人主要技术参数如下：
机器人本体尺寸/(mm×mm×mm)600×350×200机器人本体质量/kg15机器人续航能力/h4机器人运动速度/(m·min-1)0～20可见光传感器分辨率/(pix×pix)1 920×1 200热成像传感器分辨率/(pix×pix)640×512热成像传感器测温范围/℃-25～135
图6 自动巡检机器人现场安装
Fig.6 Installation diagram of automatic inspection robot
图7 集控室可视化显示
Fig.7 Visual display of central control room
4 试验结果及分析
自动巡检机器人系统在综采工作面实验室进行试验过程中表现出良好的实用性，达到了设计的初步预期效果。
自动巡检机器人在试验中具有如下特点：
1)自动巡检机器人系统布置合理，有效节约安装空间，工作过程安全可靠，完全适应综采工作面的狭小空间。
2)根据综采工作面液压支架经常性会进行拉架操作的需求，固定轨道的巡检机器人无法进行巡检，而自动巡检系统可以吸收拉架产生的设备位置变化，保证巡检轨道的畅通，实现了巡检机器人的无障碍通过。
3)集控室集控系统将灰度图实时转化为绝对温度的彩色图，可以通过对颜色的观测直观地了解温度信息，非常方便对温度场的观测。
4)机器人本体采集的热成像温度图像可以获得观测范围内的所有温度信息，通过设定报警值可实现高温报警并显示实时画面。
5 结 论
1)综采工作面自动巡检机器人系统的自动巡检系统可在液压支架拉架动作后，实现对设备位置变化的自适应，有效保证了巡检机器人巡检作业的可靠性。
2)综采工作面自动巡检机器人系统可将巡检采集的数据可视化，并在温度过高时发出报警，可代替人工完成工作面的巡检过程和数据采集过程，降低了工作人员的工作强度，提高了巡检工作面巡检作业的安全性和可靠性。
3)综采工作面自动巡检机器人存在结构强度不足和未作防爆处理问题，提高自动巡检系统的结构强度和设计防爆功能以满足井下作业需求是下一步的研究重点。
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