對煤礦主運帶式輸送機人工巡檢強度大、效率低、安全隱患突出等問題，烏審旗蒙大礦業(yè)聯(lián)合中煤科工機器人科技有限公司研發(fā)了礦用非接觸充電式輸送帶巡檢機器人。非接觸充電式巡檢機器人巡檢系統(tǒng)由機器人本體、多輪系軌道、磁耦合充電、邊緣計算 AI 等模塊組成，具備 0~1 800 mm自適應升降、7 cm 級跑偏檢測、>91% 異物識別及甲烷/CO/煙霧等多參數(shù)實時監(jiān)測功能；采用井下防爆非接觸無線充電，續(xù)航>20 km，環(huán)網(wǎng)/5G 中斷仍可獨立運行?，F(xiàn)場 10 個月工業(yè)性試驗表明：巡檢人數(shù)由 5~6 人/班降至 1~2 人/班，巡檢效率提升>50%，非正常停機時間顯著下降。

文章來源：《智能礦山》2025年第12期“學術(shù)園地”欄目

第一作者：李曉林，教授級高級工程師，現(xiàn)任鄂爾多斯市伊化礦業(yè)資源有限責任公司黨委書記、董事長，主要從事煤礦經(jīng)營管理、機電管理、智能化開采的相關(guān)研究工作。E-mail：benzcl@163.com

作者單位：鄂爾多斯市伊化礦業(yè)資源有限責任公司；烏審旗蒙大礦業(yè)有限責任公司；中煤科工機器人科技有限公司

引用格式：李曉林，雍圣民，劉慧，等.礦用非接觸充電式輸送帶巡檢機器人在蒙大礦業(yè)的應用[J].智能礦山，2025，6(12):59-63.

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帶式輸送機是煤礦運輸?shù)闹匾O(shè)備，其運行狀態(tài)直接影響煤炭生產(chǎn)的效率和安全。由于帶式輸送機系統(tǒng)復雜，易受環(huán)境因素的干擾，常發(fā)生故障和事故，給煤礦企業(yè)造成經(jīng)濟損失和人員傷亡。帶式輸送機大部分具備自保護功能，但其維護和巡檢依然靠人工定時定點監(jiān)測，人工巡檢存在以下4個方面的問題。

（1）巡檢人員每天需下井后步行走到待檢區(qū)域，巡檢工作量大，勞動強度和重復性高，巡檢效率低。

（2）人工巡檢過程中，人員對現(xiàn)場環(huán)境感知度差，無法及時發(fā)現(xiàn)和處理火災、有害氣體超標等潛在危險。

（3）人員巡檢無法做到工作時長內(nèi)不間斷巡檢、實時值守，無法第一時間預測到火災、有害氣體超標等危險發(fā)生，存在安全隱患。

（4）人工巡檢無法實時監(jiān)測和智能分析帶式輸送機運行參數(shù)，無法量化評估和故障預警帶式輸送機運行狀態(tài)。

烏審旗蒙大礦業(yè)有限責任公司（簡稱蒙大礦業(yè)）主運大巷為典型的煤礦帶式輸送機應用場景，主運大巷帶式輸送機為2 000 m，平均每天運行時長為18 h。人工巡檢每班巡檢人員5～6人，每天巡檢3～4次，巡檢強度高，巡檢人員根據(jù)工作經(jīng)驗和主觀感知對帶式輸送機運行狀態(tài)作出判斷，準確性低。

因此，以蒙大礦業(yè)主運巷道帶式輸送機場景的智能巡檢為應用場景，開展礦用非接觸充電式輸送帶巡檢機器人的技術(shù)研發(fā)。通過輸送帶巡檢機器人的智能感知、自主避障、精準定位以及自主決策等功能，實現(xiàn)對帶式輸送機的實時監(jiān)測和故障預警，提高其運行效率和安全性，減輕巡檢人員的勞動強度和風險，提升煤礦企業(yè)的本質(zhì)安全水平。

非接觸充電式輸送帶巡檢機器人

非接觸充電式巡檢機器人布置在帶式輸送機行人側(cè)上方，架設(shè)工字鋼軌道，機器人掛載在軌道上，沿軌道自身動力行走進行巡檢，可在軌道上往復運行，非接觸充電式輸送帶巡檢機器人如圖1所示，巡檢機器人的巡檢系統(tǒng)布置模擬示意如圖2所示。

圖1 非接觸充電式輸送帶巡檢機器人

圖2 巡檢機器人巡檢系統(tǒng)布置模擬示意

非接觸充電式巡檢機器人巡檢系統(tǒng)主要由機器人本體、軌道系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等部分組成，搭載攝像儀、紅外熱像儀、溫濕度傳感器、氣體傳感器、煙霧傳感器、拾音器等設(shè)備，實時采集帶式輸送機巷道環(huán)境內(nèi)的圖像、聲音、紅外熱像及溫度數(shù)據(jù)、煙霧、多種氣體濃度參數(shù)等信息，并通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)控服務器，并以數(shù)字化的數(shù)據(jù)實時顯示、存儲、分析，并實現(xiàn)報警和預警。

非接觸充電式帶式輸送機巡檢機器人采用多輪系自適應升降機構(gòu)，具備自鎖性、高度靈活性，保證巡檢作業(yè)高效穩(wěn)定進行，升降行程范圍為0～1 800 mm；采用非接觸式磁耦合充電裝置，實現(xiàn)機器人非接觸式充電，在保證機器人充電效率的前提下滿足井下防爆規(guī)章要求；在功能上具備工況多參數(shù)檢測，實現(xiàn)帶式輸送機多種異常工況檢測及煤流量檢測，滿足無人化巡檢工作需要；具備氣體環(huán)境檢測、煙霧檢測及火災預警等環(huán)境安全隱患監(jiān)測功能，保障帶式輸送機煤炭運輸作業(yè)的安全進行。

非接觸充電式帶式輸送機巡檢機器人采用了基于NvidiaJetson硬件的邊緣計算方案，將AI分析能力部署到井下，實現(xiàn)井下采集，井下分析，井下處理，井下決斷，節(jié)省上傳帶寬，在環(huán)網(wǎng)或5G網(wǎng)絡不通情況下仍正常工作，保障穩(wěn)定運行，具體功能包括以下8個方面。

（1）智能識別分析功能：可智能識別輸送帶跑偏、撒料、打滑、磨損、異物等信息。

（2）紅外熱像圖采集及溫度異常報警功能：搭載有紅外熱像儀，實時獲取被檢測設(shè)備的紅外熱像圖，存儲并分析被檢測設(shè)備的發(fā)熱情況，預警輸送帶電機、減速機、滾筒、托輥等溫度異常。

（3）移動圖像采集功能：搭載有攝像儀，能夠在低照度、高濕度和粉塵環(huán)境下，對帶式輸送機的各位置進行圖像采集。

（4）煙霧檢測功能：搭載有煙霧傳感器，實現(xiàn)巡檢帶式輸送機區(qū)域內(nèi)的煙霧檢測報警。

（5）氣體探測功能：搭載甲烷傳感器、一氧化碳傳感器等，實時檢測井下瓦斯氣體和各類有害氣體，具有超標及時報警、自動斷電功能，防止安全事故發(fā)生。

（6）自主避障功能：具備避障系統(tǒng)，感知巡檢路徑內(nèi)的障礙信息。

（7）語音對講指揮功能：搭載高增益拾音器和高分貝揚聲器，完成平臺與現(xiàn)場人員的雙向語音對講。

（8）數(shù)據(jù)查詢功能：機器人巡檢實時狀態(tài)、歷史記錄、異常記錄等信息通過上位機查詢。

非接觸充電式輸送帶巡檢機器人關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多輪系模塊化結(jié)構(gòu)

非接觸充電式帶式輸送機巡檢機器人行走機構(gòu)采用多輪系模塊化結(jié)構(gòu)，包含2個軌道輪、1個驅(qū)動輪、2個鏈輪、2個張緊輪，多輪系模塊化結(jié)構(gòu)如圖3所示。2個軌道輪前后對稱安裝在軌道輪支架內(nèi)側(cè)，軌道輪卡接于工字鋼軌道槽的內(nèi)部；2個驅(qū)動輪分別裝配于驅(qū)動輪支撐架的左右兩側(cè)，驅(qū)動輪外側(cè)裝配有2個鏈輪，鏈輪之間通過傳動鏈相互關(guān)聯(lián)；驅(qū)動輪支撐架前后外側(cè)壁的中部均裝配有左右對稱的張緊輪，張緊輪從左右兩側(cè)向內(nèi)張緊傳動鏈。

圖3 多輪系模塊化結(jié)構(gòu)

通過連桿機構(gòu)將部分負載力轉(zhuǎn)化為驅(qū)動輪系對軌道的正壓力和軌道輪與軌道內(nèi)壁間的壓力。驅(qū)動輪系對軌道的正壓力增大，驅(qū)動輪系與軌道之間的摩擦力則增大。驅(qū)動輪系與軌道間的摩擦力與負載成正比，最終達到負載越重，驅(qū)動輪系與軌道間的摩擦力越大的自鎖效果。避免軌道機器人負載重物爬坡時發(fā)生驅(qū)動輪打滑的情況，提高軌道機器人的運行穩(wěn)定性和安全性。

2.2 盤式磁耦合非接觸充電裝置

受限于煤礦井下特殊環(huán)境，拖纜式供電因存在電纜體積大、供電電纜易磨損等缺點，無法適應于長距離巡檢場景，煤礦用巡檢機器人多采用自身內(nèi)部集成電池系統(tǒng)進行供電。目前煤礦相關(guān)的安全規(guī)程以及國家防爆標準中明確要求電池不能在煤礦井下進行裸露連接式充電，如航空插頭、開箱充電、電池更換等，常規(guī)充電手段在煤礦井下嚴禁被使用。

磁耦合充電為避免接觸的充電方法，使用過程將所有元器件都處于防爆腔體內(nèi)部。由于磁耦合充電裝置輸出端為永磁轉(zhuǎn)子，自身產(chǎn)生磁場，可直接利用磁耦合充電裝置的輸出端轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)電。為了進一步減小機器人的空間尺寸，采用盤式定子充當磁耦合充電裝置中的發(fā)電元器件，既降低了機器人發(fā)電部分的尺寸及質(zhì)量，也降低了機器人整機的質(zhì)量，增加續(xù)航距離。

煤礦機器人用盤式充電裝置主要包括原動機防爆箱體、原動機、聯(lián)軸器、減速機、原動側(cè)永磁體、發(fā)電側(cè)永磁體、盤式發(fā)電機構(gòu)、充電機防爆箱體等，其中原動機防爆箱體、原動機、減速機、原動側(cè)永磁體主要為充電機構(gòu)提供安全的能量來源，發(fā)電側(cè)永磁體、盤式發(fā)電機構(gòu)、充電機防爆箱體主要為機器人提供安全的充電方式。原動機側(cè)與發(fā)電機側(cè)之間通過原動側(cè)永磁體和發(fā)電側(cè)永磁體之間的磁場耦合，實現(xiàn)能量的傳遞。

在運行過程中，原動機拖動原動側(cè)永磁體安裝盤旋轉(zhuǎn)，帶動原動側(cè)永磁體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，進而通過磁場的耦合關(guān)系帶動發(fā)電側(cè)永磁體跟隨旋轉(zhuǎn)。永磁體數(shù)量為偶數(shù)，均勻分布在兩側(cè)永磁體安裝盤上，并呈NS順序排布，煤礦機器人用盤式充電機構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 煤礦機器人用盤式充電機構(gòu)示意

充電腔內(nèi)主要包括盤式鐵芯、固定軸、繞組等，主要為固定盤式鐵芯以及發(fā)電側(cè)永磁體。在使用過程中，發(fā)電側(cè)永磁體旋轉(zhuǎn)后在其另一側(cè)也將會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，此旋轉(zhuǎn)磁場通過盤式發(fā)電機構(gòu)進行閉合，進而在盤式發(fā)電機構(gòu)內(nèi)的繞組上產(chǎn)生電流，實現(xiàn)電能的輸出。

盤式鐵芯及繞組為盤式充電機構(gòu)的主要發(fā)電單元，后端連接整流橋以及穩(wěn)壓電路后就可以直接為機器人的電池進行充電，煤礦機器人用盤式鐵芯及繞組示意如圖5所示，在實際應用時，繞組的數(shù)量與原動側(cè)永磁體及發(fā)電側(cè)永磁體的數(shù)量遵循常用的永磁電機極槽配合，定子槽的數(shù)量與繞組的數(shù)量同樣遵循常用電機的定子繞組分布理論。

圖5 盤式鐵芯及繞組示意

2.3 帶式輸送機跑偏檢測算法

帶式輸送機跑偏檢測算法分為圖像預處理、邊緣直線檢測、跑偏計算共3個模塊，利用霍夫直線檢測算法判斷出輸送帶單側(cè)的實時邊緣，對比實時狀態(tài)和預先處理好的正常狀態(tài)，其中實時狀態(tài)為判斷輸送帶單側(cè)的實時位置，通過對比差實現(xiàn)跑偏檢測。

（1）圖像預處理模塊

對采集的輸送帶圖像進行灰度化、高斯濾波降噪，采用自適應閾值增強對比度，去除反光與污漬干擾；通過ROI裁剪保留邊緣關(guān)鍵區(qū)域，校正透視畸變，為后續(xù)邊緣檢測提供清晰、穩(wěn)定的輸入圖像。

（2）邊緣檢測模塊

輸送帶左邊緣或者右邊緣的圖像經(jīng)過Sobel邊緣檢測算子處理、二值化后，通過canny邊緣檢測，再借助霍夫直線算法檢測。結(jié)合實際情況，通過調(diào)整相應參數(shù)，完成圖片中的直線檢測并標記，采用異常直線處理，排除干擾最終偏移判斷結(jié)果的不合理異常直線，處理完成后，將直線首尾的點坐標保存，用于偏移判斷。

（3）跑偏計算模塊

輸送帶跑偏計算，將未跑偏時的圖像中心點到左邊緣距離設(shè)置為閾值（也可設(shè)置右邊緣），程序?qū)嶋H運行情況中，拉取攝像頭的圖像，實時判斷中心到左邊緣距離與閾值作比較，得出偏移結(jié)論，并利用圖像像素和實際距離的比例關(guān)系得到偏移距離。帶式輸送機跑偏檢測結(jié)果如圖6所示，跑偏檢測精度≤7 cm。

圖6 輸送帶跑偏識別結(jié)果

2.4 帶式輸送機異物檢測算法

帶式輸送機異物檢測算法，分為模型訓練與模型應用2個模塊。檢測模型訓練模塊通過獲取數(shù)據(jù)集、構(gòu)建和標注完成數(shù)據(jù)集的準備工作?；赮OLOV5目標檢測模型進行模型訓練；異物檢測模塊通過IP等方式截取視頻幀并前處理圖像，傳入目標檢測模型輸出結(jié)果并顯示，目前可檢測大塊煤、石頭、鐵器、錨桿等異物種類。帶式輸送機異物檢測算法流程分為以下5個步驟。

（1）數(shù)據(jù)集構(gòu)建，在試驗場地的輸送帶上放置可能出現(xiàn)的各種異物，并進行多角度、多種光線環(huán)境下的圖像采集，整理數(shù)據(jù)集、標注標簽、切分數(shù)據(jù)集、生成所需格式。

（2）標注所有圖像，并進行數(shù)據(jù)擴充后，用于訓練YOLOv5目標檢測網(wǎng)絡，獲得用于檢測煤礦輸送帶上異物的網(wǎng)絡權(quán)重。

（3）借助懸掛在輸送帶上方的固定攝像頭，實時獲取包含輸送帶在內(nèi)的圖像，使用YOLOv5進行檢測，得到若干異物的坐標。

（4）將輸送帶上方攝像頭實時獲取的圖像時進行二值化，提取物體輪廓，使用輪廓內(nèi)像素個數(shù)衡量物體體積，采用YOLOv5目標檢測網(wǎng)絡和輪廓提取算法的結(jié)果，并在圖像上標注。檢測到以上異物類型判斷為存在異物，帶式輸送機異物檢測結(jié)果如圖7所示，異物檢測精度>91%。

圖7 帶式輸送機異物檢測結(jié)果

總 結(jié)

（1）以蒙大礦業(yè)帶式輸送機巡檢場景為需求，研究了巡檢機器人整機架構(gòu)，突破多輪系模塊化結(jié)構(gòu)、盤式磁耦合非接觸充電裝置、面向煤礦井下帶式輸送機場景的圖像識別等關(guān)鍵技術(shù)，研制出帶式輸送機巡檢機器人。

（2）帶式輸送機巡檢機器人在蒙礦業(yè)現(xiàn)場累計運行時間10個月，解決了人工巡檢效率低、勞動強度大、檢測手段單一、人身安全易受威脅等問題，實現(xiàn)巡檢人員由原來的5～6人減少為1～2人；巡檢效率提升超過50%，降低帶式輸送機非正常停機時間。

（3）非接觸充電式帶式輸送機巡檢機器人適用于煤礦行業(yè)，也可應用于非煤領(lǐng)域行業(yè)。符合國家對礦山產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、減人增效的要求，下一步將拓展煤炭行業(yè)外的石油、化工、冶金等能源行業(yè)的安控巡檢類智能應用場景。

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