對(duì)煤礦主運(yùn)帶式輸送機(jī)人工巡檢強(qiáng)度大、效率低、安全隱患突出等問(wèn)題，烏審旗蒙大礦業(yè)聯(lián)合中煤科工機(jī)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(jī)器人。非接觸充電式巡檢機(jī)器人巡檢系統(tǒng)由機(jī)器人本體、多輪系軌道、磁耦合充電、邊緣計(jì)算 AI 等模塊組成，具備 0~1 800 mm自適應(yīng)升降、7 cm 級(jí)跑偏檢測(cè)、>91% 異物識(shí)別及甲烷/CO/煙霧等多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能；采用井下防爆非接觸無(wú)線(xiàn)充電，續(xù)航>20 km，環(huán)網(wǎng)/5G 中斷仍可獨(dú)立運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng) 10 個(gè)月工業(yè)性試驗(yàn)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(jī)時(shí)間顯著下降。

文章來(lái)源：《智能礦山》2025年第12期“學(xué)術(shù)園地”欄目

第一作者：李曉林，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)任鄂爾多斯市伊化礦業(yè)資源有限責(zé)任公司黨委書(shū)記、董事長(zhǎng)，主要從事煤礦經(jīng)營(yíng)管理、機(jī)電管理、智能化開(kāi)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(zé)任公司；烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司；中煤科工機(jī)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(jī)器人在蒙大礦業(yè)的應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(12):59-63.

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帶式輸送機(jī)是煤礦運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備，其運(yùn)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(jī)系統(tǒng)復(fù)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(jì)損失和人員傷亡。帶式輸送機(jī)大部分具備自保護(hù)功能，但其維護(hù)和巡檢依然靠人工定時(shí)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，人工巡檢存在以下4個(gè)方面的問(wèn)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(dòng)強(qiáng)度和重復(fù)性高，巡檢效率低。

（2）人工巡檢過(guò)程中，人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境感知度差，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理火災(zāi)、有害氣體超標(biāo)等潛在危險(xiǎn)。

（3）人員巡檢無(wú)法做到工作時(shí)長(zhǎng)內(nèi)不間斷巡檢、實(shí)時(shí)值守，無(wú)法第一時(shí)間預(yù)測(cè)到火災(zāi)、有害氣體超標(biāo)等危險(xiǎn)發(fā)生，存在安全隱患。

（4）人工巡檢無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能分析帶式輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)，無(wú)法量化評(píng)估和故障預(yù)警帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱(chēng)蒙大礦業(yè)）主運(yùn)大巷為典型的煤礦帶式輸送機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景，主運(yùn)大巷帶式輸送機(jī)為2 000 m，平均每天運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)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(qiáng)度高，巡檢人員根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)和主觀感知對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)作出判斷，準(zhǔn)確性低。

因此，以蒙大礦業(yè)主運(yùn)巷道帶式輸送機(jī)場(chǎng)景的智能巡檢為應(yīng)用場(chǎng)景，開(kāi)展礦用非接觸充電式輸送帶巡檢機(jī)器人的技術(shù)研發(fā)。通過(guò)輸送帶巡檢機(jī)器人的智能感知、自主避障、精準(zhǔn)定位以及自主決策等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警，提高其運(yùn)行效率和安全性，減輕巡檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和風(fēng)險(xiǎn)，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(jī)器人

非接觸充電式巡檢機(jī)器人布置在帶式輸送機(jī)行人側(cè)上方，架設(shè)工字鋼軌道，機(jī)器人掛載在軌道上，沿軌道自身動(dòng)力行走進(jìn)行巡檢，可在軌道上往復(fù)運(yùn)行，非接觸充電式輸送帶巡檢機(jī)器人如圖1所示，巡檢機(jī)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(jī)器人

圖2 巡檢機(jī)器人巡檢系統(tǒng)布置模擬示意

非接觸充電式巡檢機(jī)器人巡檢系統(tǒng)主要由機(jī)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(shí)時(shí)采集帶式輸送機(jī)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(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控服務(wù)器，并以數(shù)字化的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、分析，并實(shí)現(xiàn)報(bào)警和預(yù)警。

非接觸充電式帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人采用多輪系自適應(yīng)升降機(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人非接觸式充電，在保證機(jī)器人充電效率的前提下滿(mǎn)足井下防爆規(guī)章要求；在功能上具備工況多參數(shù)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)多種異常工況檢測(cè)及煤流量檢測(cè)，滿(mǎn)足無(wú)人化巡檢工作需要；具備氣體環(huán)境檢測(cè)、煙霧檢測(cè)及火災(zāi)預(yù)警等環(huán)境安全隱患監(jiān)測(cè)功能，保障帶式輸送機(jī)煤炭運(yùn)輸作業(yè)的安全進(jìn)行。

非接觸充電式帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人采用了基于NvidiaJetson硬件的邊緣計(jì)算方案，將AI分析能力部署到井下，實(shí)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(luò)不通情況下仍正常工作，保障穩(wěn)定運(yùn)行，具體功能包括以下8個(gè)方面。

（1）智能識(shí)別分析功能：可智能識(shí)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(bào)警功能：搭載有紅外熱像儀，實(shí)時(shí)獲取被檢測(cè)設(shè)備的紅外熱像圖，存儲(chǔ)并分析被檢測(cè)設(shè)備的發(fā)熱情況，預(yù)警輸送帶電機(jī)、減速機(jī)、滾筒、托輥等溫度異常。

（3）移動(dòng)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(duì)帶式輸送機(jī)的各位置進(jìn)行圖像采集。

（4）煙霧檢測(cè)功能：搭載有煙霧傳感器，實(shí)現(xiàn)巡檢帶式輸送機(jī)區(qū)域內(nèi)的煙霧檢測(cè)報(bào)警。

（5）氣體探測(cè)功能：搭載甲烷傳感器、一氧化碳傳感器等，實(shí)時(shí)檢測(cè)井下瓦斯氣體和各類(lèi)有害氣體，具有超標(biāo)及時(shí)報(bào)警、自動(dòng)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(yǔ)音對(duì)講指揮功能：搭載高增益拾音器和高分貝揚(yáng)聲器，完成平臺(tái)與現(xiàn)場(chǎng)人員的雙向語(yǔ)音對(duì)講。

（8）數(shù)據(jù)查詢(xún)功能：機(jī)器人巡檢實(shí)時(shí)狀態(tài)、歷史記錄、異常記錄等信息通過(guò)上位機(jī)查詢(xún)。

非接觸充電式輸送帶巡檢機(jī)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(jī)巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)采用多輪系模塊化結(jié)構(gòu)，包含2個(gè)軌道輪、1個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、2個(gè)鏈輪、2個(gè)張緊輪，多輪系模塊化結(jié)構(gòu)如圖3所示。2個(gè)軌道輪前后對(duì)稱(chēng)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(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別裝配于驅(qū)動(dòng)輪支撐架的左右兩側(cè)，驅(qū)動(dòng)輪外側(cè)裝配有2個(gè)鏈輪，鏈輪之間通過(guò)傳動(dòng)鏈相互關(guān)聯(lián)；驅(qū)動(dòng)輪支撐架前后外側(cè)壁的中部均裝配有左右對(duì)稱(chēng)的張緊輪，張緊輪從左右兩側(cè)向內(nèi)張緊傳動(dòng)鏈。

圖3 多輪系模塊化結(jié)構(gòu)

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

2.2 盤(pán)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(diǎn)，無(wú)法適應(yīng)于長(zhǎng)距離巡檢場(chǎng)景，煤礦用巡檢機(jī)器人多采用自身內(nèi)部集成電池系統(tǒng)進(jìn)行供電。目前煤礦相關(guān)的安全規(guī)程以及國(guó)家防爆標(biāo)準(zhǔn)中明確要求電池不能在煤礦井下進(jìn)行裸露連接式充電，如航空插頭、開(kāi)箱充電、電池更換等，常規(guī)充電手段在煤礦井下嚴(yán)禁被使用。

磁耦合充電為避免接觸的充電方法，使用過(guò)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(chǎng)，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(chǎng)發(fā)電。為了進(jìn)一步減小機(jī)器人的空間尺寸，采用盤(pán)式定子充當(dāng)磁耦合充電裝置中的發(fā)電元器件，既降低了機(jī)器人發(fā)電部分的尺寸及質(zhì)量，也降低了機(jī)器人整機(jī)的質(zhì)量，增加續(xù)航距離。

煤礦機(jī)器人用盤(pán)式充電裝置主要包括原動(dòng)機(jī)防爆箱體、原動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、減速機(jī)、原動(dòng)側(cè)永磁體、發(fā)電側(cè)永磁體、盤(pán)式發(fā)電機(jī)構(gòu)、充電機(jī)防爆箱體等，其中原動(dòng)機(jī)防爆箱體、原動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、原動(dòng)側(cè)永磁體主要為充電機(jī)構(gòu)提供安全的能量來(lái)源，發(fā)電側(cè)永磁體、盤(pán)式發(fā)電機(jī)構(gòu)、充電機(jī)防爆箱體主要為機(jī)器人提供安全的充電方式。原動(dòng)機(jī)側(cè)與發(fā)電機(jī)側(cè)之間通過(guò)原動(dòng)側(cè)永磁體和發(fā)電側(cè)永磁體之間的磁場(chǎng)耦合，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。

在運(yùn)行過(guò)程中，原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)原動(dòng)側(cè)永磁體安裝盤(pán)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)原動(dòng)側(cè)永磁體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，進(jìn)而通過(guò)磁場(chǎng)的耦合關(guān)系帶動(dòng)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(pán)上，并呈NS順序排布，煤礦機(jī)器人用盤(pán)式充電機(jī)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 煤礦機(jī)器人用盤(pán)式充電機(jī)構(gòu)示意

充電腔內(nèi)主要包括盤(pán)式鐵芯、固定軸、繞組等，主要為固定盤(pán)式鐵芯以及發(fā)電側(cè)永磁體。在使用過(guò)程中，發(fā)電側(cè)永磁體旋轉(zhuǎn)后在其另一側(cè)也將會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)通過(guò)盤(pán)式發(fā)電機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉合，進(jìn)而在盤(pán)式發(fā)電機(jī)構(gòu)內(nèi)的繞組上產(chǎn)生電流，實(shí)現(xiàn)電能的輸出。

盤(pán)式鐵芯及繞組為盤(pán)式充電機(jī)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(jī)器人的電池進(jìn)行充電，煤礦機(jī)器人用盤(pán)式鐵芯及繞組示意如圖5所示，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，繞組的數(shù)量與原動(dòng)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(jī)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(jī)的定子繞組分布理論。

圖5 盤(pán)式鐵芯及繞組示意

2.3 帶式輸送機(jī)跑偏檢測(cè)算法

帶式輸送機(jī)跑偏檢測(cè)算法分為圖像預(yù)處理、邊緣直線(xiàn)檢測(cè)、跑偏計(jì)算共3個(gè)模塊，利用霍夫直線(xiàn)檢測(cè)算法判斷出輸送帶單側(cè)的實(shí)時(shí)邊緣，對(duì)比實(shí)時(shí)狀態(tài)和預(yù)先處理好的正常狀態(tài)，其中實(shí)時(shí)狀態(tài)為判斷輸送帶單側(cè)的實(shí)時(shí)位置，通過(guò)對(duì)比差實(shí)現(xiàn)跑偏檢測(cè)。

（1）圖像預(yù)處理模塊

對(duì)采集的輸送帶圖像進(jìn)行灰度化、高斯濾波降噪，采用自適應(yīng)閾值增強(qiáng)對(duì)比度，去除反光與污漬干擾；通過(guò)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(cè)提供清晰、穩(wěn)定的輸入圖像。

（2）邊緣檢測(cè)模塊

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

（3）跑偏計(jì)算模塊

輸送帶跑偏計(jì)算，將未跑偏時(shí)的圖像中心點(diǎn)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(yùn)行情況中，拉取攝像頭的圖像，實(shí)時(shí)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(shí)際距離的比例關(guān)系得到偏移距離。帶式輸送機(jī)跑偏檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，跑偏檢測(cè)精度≤7 cm。

圖6 輸送帶跑偏識(shí)別結(jié)果

2.4 帶式輸送機(jī)異物檢測(cè)算法

帶式輸送機(jī)異物檢測(cè)算法，分為模型訓(xùn)練與模型應(yīng)用2個(gè)模塊。檢測(cè)模型訓(xùn)練模塊通過(guò)獲取數(shù)據(jù)集、構(gòu)建和標(biāo)注完成數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)備工作?；赮OLOV5目標(biāo)檢測(cè)模型進(jìn)行模型訓(xùn)練；異物檢測(cè)模塊通過(guò)IP等方式截取視頻幀并前處理圖像，傳入目標(biāo)檢測(cè)模型輸出結(jié)果并顯示，目前可檢測(cè)大塊煤、石頭、鐵器、錨桿等異物種類(lèi)。帶式輸送機(jī)異物檢測(cè)算法流程分為以下5個(gè)步驟。

（1）數(shù)據(jù)集構(gòu)建，在試驗(yàn)場(chǎng)地的輸送帶上放置可能出現(xiàn)的各種異物，并進(jìn)行多角度、多種光線(xiàn)環(huán)境下的圖像采集，整理數(shù)據(jù)集、標(biāo)注標(biāo)簽、切分?jǐn)?shù)據(jù)集、生成所需格式。

（2）標(biāo)注所有圖像，并進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)充后，用于訓(xùn)練YOLOv5目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，獲得用于檢測(cè)煤礦輸送帶上異物的網(wǎng)絡(luò)權(quán)重。

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

（4）將輸送帶上方攝像頭實(shí)時(shí)獲取的圖像時(shí)進(jìn)行二值化，提取物體輪廓，使用輪廓內(nèi)像素個(gè)數(shù)衡量物體體積，采用YOLOv5目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)和輪廓提取算法的結(jié)果，并在圖像上標(biāo)注。檢測(cè)到以上異物類(lèi)型判斷為存在異物，帶式輸送機(jī)異物檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，異物檢測(cè)精度>91%。

圖7 帶式輸送機(jī)異物檢測(cè)結(jié)果

總 結(jié)

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

（2）帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人在蒙礦業(yè)現(xiàn)場(chǎng)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間10個(gè)月，解決了人工巡檢效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢測(cè)手段單一、人身安全易受威脅等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)巡檢人員由原來(lái)的5～6人減少為1～2人；巡檢效率提升超過(guò)50%，降低帶式輸送機(jī)非正常停機(jī)時(shí)間。

（3）非接觸充電式帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人適用于煤礦行業(yè)，也可應(yīng)用于非煤領(lǐng)域行業(yè)。符合國(guó)家對(duì)礦山產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、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(lèi)智能應(yīng)用場(chǎng)景。

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