一种煤矿巷道通风监测机器人系统的制作方法

本发明涉及一种煤矿巷道通风监测机器人系统，尤其适用于煤矿井下使用，属于机器人领域。

背景技术：

矿井通风是实施煤矿井下安全开采作业的前提保障，通过对全矿井巷道的有效供风，可实现井下掘进、采煤、运输、辅助等工业场所的作业人员的新鲜空气补给，同时可有效降低煤矿井下瓦斯、一氧化碳等有害气体含量，保障煤矿井下人员和机电设备的安全。现代大型矿井的通风系统是由巷道通风网络、通风动力设备和通风控制设施等构成的复杂工程体系，它对全矿井的生产安全状况具有决定性的影响。煤矿安全规程规定矿井必须构建有完整合理的通风系统，然而煤矿开采过程中井下作业地点往往动态变化，巷道布置和通风布局也随着井下采掘工作面的变化而实时做出调整。为保证煤矿的安全生产，必须及时了解井下各用风地点风量情况是否符合要求，因此煤矿井下巷道的风速风量精准检测必不可少。

目前，煤矿井下巷道风量测量还主要以人工测量为主，测量过程主要包括巷道平均风速的测量和巷道截面积的测量。为了测得巷道的平均风速，需要测风人员同时拿着风表和秒表站在巷道固定测风站中，同时启动风表和秒表，按照预定线路，移动风表，获取巷道截面上的各点的风速信息。手工移动测量设备时应保证风表叶片方向始终与风速垂直，测定结束时同时关闭风表。此类人工测风过程，测风人员始终立于巷道中间，因为操作人员的自身身体体积不可忽略：如在使用迎面测风法时阻挡了巷道内部分风流的前进，降低了风表测得的巷道风速；如使用侧身测风法，测风人员立于巷道内减少了通风断面，从而人为增大了风速，因此所得的测量结果都不准确。且在测量过程中，既要保证两表同时开关，又要在正确移动风表的情况下注意两表读数以及叶片是否垂直于风流，使得测量人员很难同时兼顾。同时，在测量巷道截面积时测风人员需要使用刚卷尺测量出必要位置的巷道尺寸，在面对比较高的巷道时，尺寸测量又非常费时费力，且由于不同位置巷道的形状不完全规则，根据估算面积公式计算出巷道截面积往往不准确。因此传统的人工测风的精度和效率在面对大型现代化矿井的通风监测和实时安全评估时显得力不从心。

技术实现要素：

针对上述技术的不足之处，提供一种形成全矿井在线测风网络系统，实现对煤矿井下通风系统的高效精准监测。自动测风系统可精准测量煤矿巷道的截面面积、风速以及风量等，通过对测量数据的实时采集、分析，获得可靠的巷道通风状态参量，从而动态指导调整全矿井供风网络，及时防止巷道内新鲜空气供给不足，降低矿井煤尘或瓦斯浓度，避免人员伤亡事故和煤矿瓦斯、煤尘爆炸等安全生产事故的煤矿巷道通风监测机器人系统

为实现上述技术目的，本发明的一种煤矿巷道通风监测机器人系统，包括设置在巷道顶部的设备壁龛，设备壁龛上方设有底座气缸，底座气缸延伸出与气源连接的供气系统管路，所述底座气缸、设备壁龛和供气系统管路均设置在巷道顶部中心线上的开槽内，设备壁龛两侧的巷道顶部上设有闭合后可以将设备壁龛关闭的壁龛密闭门，设备壁龛内设有可以折叠伸缩的测风机械臂本体结构。

所述壁龛密闭门与设备壁龛之间设有滑轨，设备壁龛两侧分别设有两个壁龛门气缸，一扇壁龛密闭门外侧设有两个壁龛门气缸，通过壁龛门气缸控制壁龛密闭门在设备壁龛两侧设置的滑轨中移动开合，滑轨通过膨胀螺栓固定在巷道壁上，壁龛封闭门通过安放在滑轨凹槽内的滚轮进行开合移动，壁龛封闭门与滑轨的相对移动为纯滚动。

壁龛密闭门的大小根据需要设定，所需的壁龛门气缸规格与壁龛密闭门重量和尺寸匹配。

所述设备壁龛内通过膨胀螺钉连接测风机械臂本体结构，测风机械臂本体结构的一端设有底座，测风机械臂本体结构通过底座与设备壁龛连接，底座上通过螺栓固连有底座气缸，底座气缸设置在巷道顶部设备壁龛内，测风机械臂本体结构的另一端设有末端。

所述测风机械臂本体结构为轻质六自由度串联多关节型机械臂，包括括小臂、腕部、末端、底座和大臂，其中大臂一端与底座连接、另一端通过关节与小臂的一端连接，小臂的另一端通过腕部与末端连接。

所述测风机械臂本体结构的末端上设有风量传感器，底座上设有激光雷达，关节处都通过设置的关节伺服电机进行驱动与控制。

激光雷达的型号为rplidar-a2m8-r4，利用三角测距原理来测量距离，并利用电机驱动的编码盘实现角度旋转；矿用风量传感器的型号为cfjd25，其上设有一组三叶或四叶的螺旋桨叶片作为测量部分。

在巷道侧壁上设有控制显示系统，控制显示系统包括控制面板与参数显示屏两部分，控制面板可简单操控机械臂运动，显示屏则可展示一系列测风数据与检测结果，巷道侧壁控制显示系统是安放在测风站侧方壁龛中的。

控制箱内设有控制系统，结构上控制系统包括处理器，处理器分别与通讯模块、存储模块、电源模块、逻辑控制模块、机械臂控制模块、输入按键和数据交换接口连接，处理器还与显示屏以及设置在巷道中的风量传感器和激光雷达连接，机械臂控制模块与机械臂连接并控制活动，逻辑控制模块分别与底座气缸和壁龛门气缸连接，所述通信模块与通过网络与服务器连接；系统上控制系统采用上位机和下位机两层结构，上位机采用研华epc-s201工控机.中央处理器为intelceleronn3350dualcoresoc，主频为2.4g,内存为8g；下位机包括：机械臂控制模块和逻辑控制模块，机械臂控制模块使用dsptms320lf2407作为控制单元，采用松下msma012a1g型交流伺服电机驱动，配套伺服驱动器选用msda013a1a，上位机与下位机之间采用rs-485总线实现机械臂的分布式控制。

测风作业所得的数据会传输到控制箱中，利用测风机械臂对巷道风速影响的校正系数，对测得的风速数据进行修正，得到巷道内真实的风速，将结果与巷道截面积数据进行计算，得到巷道风量数据，并且各测风站处的控制箱通过服务器互相连接到地面调度室，进行数据的传输。

有益效果：

在巷道测风站中不再需要人工手持仪器测量，可有效减少人工，降低井下危险区域的作业频繁测风作业带来的安全风险；采用轻型机械臂携带测风仪表测量，由于机械臂相对于人工测量的迎风面积小，且机械臂的表面轮廓更加光滑，对于巷道通风的阻滞作用也会更小，从而使得测量的数据更加准确；由于在人工测风过程中，操作人员要保证两表同时开关，又要在正确移动风表的情况下注意两表读数以及叶片是否垂直于风流，很难同时兼顾，而用机械臂测风代替人工测风降低了操作难度，提高了检测效率；同时由于系统采用激光扫描传感器自动扫描获得巷道的横截面积，测量效率高，特别在巷道横截面形状不规则或巷道高度过高时，测量结果更加精准；机械臂末端连接的传感器在程序控制下按照预定的路线移动，测量覆盖范围比人工手持仪器测量更大，测量频次和定位精度更高。

此外，根据煤矿井下各测风站处的不同巷道横截面形状和截面积大小，可通过编程对测风机械臂的路线规划进行重置，使得此测风系统具有更加广泛的巷道适应性。

附图说明

图1为本发明的测风机械臂在拱形巷道中工作时的路径位姿图。

图2为本发明的测风机械臂在梯形巷道中工作时的路径位姿图。

图3为本发明的测风机械臂非工作状态位姿图。

图4为本发明的控制显示系统。

图5为本发明的工作原理图。

图6为本发明在巷道中的布置图。

图中：1-测风机械臂本体结构，2-激光雷达，3-底座气缸，4-设备壁龛，5-壁龛密闭门，6-供气系统管路，7-控制箱，8-控制显示系统，9-风量传感器，10-机械臂检测移动路径，11-壁龛门气缸，12-关节，13-小臂，14-腕部，15-末端，16-底座，17-大臂，18-滑轨，

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的阐述：

如图1和图2所示，本发明的一种煤矿巷道通风监测机器人系统，包括设置在巷道顶部的设备壁龛4，设备壁龛4上方设有底座气缸3，底座气缸3延伸出与气源连接的供气系统管路6，所述底座气缸3、设备壁龛4和供气系统管路6均设置在巷道顶部中心线上的开槽内，设备壁龛4两侧的巷道顶部上设有闭合后可以将设备壁龛4关闭的壁龛密闭门5，设备壁龛4内设有可以折叠伸缩的测风机械臂本体结构1。壁龛密闭门5的大小根据需要设定，所需的壁龛门气缸11规格与壁龛密闭门5重量和尺寸匹配。

如图3所示，壁龛密闭门5与设备壁龛4之间设有滑轨18，设备壁龛4两侧分别设有两个壁龛门气缸11，一扇壁龛密闭门5外侧设有两个壁龛门气缸11，通过壁龛门气缸11控制壁龛密闭门5在设备壁龛4两侧设置的滑轨18中移动开合，滑轨18通过膨胀螺栓固定在巷道壁上，壁龛封闭门5通过安放在滑轨18凹槽内的滚轮进行开合移动，壁龛封闭门5与滑轨18的相对移动为纯滚动。所述设备壁龛4内通过膨胀螺钉连接测风机械臂本体结构1，测风机械臂本体结构1的一端设有底座16，测风机械臂本体结构1通过底座16与设备壁龛4连接，底座16上通过螺栓固连有底座气缸3，底座气缸3设置在巷道顶部设备壁龛4内，测风机械臂本体结构1的另一端设有末端15。

所述测风机械臂本体结构1为轻质六自由度串联多关节型机械臂，包括括小臂13、腕部14、末端15、底座16和大臂17，其中大臂17一端与底座16连接、另一端通过关节12与小臂13的一端连接，小臂13的另一端通过腕部14与末端15连接。测风机械臂本体结构1的末端15上设有风量传感器9，底座16上设有激光雷达2，关节12处都通过设置的关节伺服电机进行驱动与控制；激光雷达2的型号为rplidar-a2m8-r4，利用三角测距原理来测量距离，并利用电机驱动的编码盘实现角度旋转；矿用风量传感器9的型号为cfjd25，其上设有一组三叶或四叶的螺旋桨叶片作为测量部分。

在巷道侧壁上设有控制显示系统8，控制显示系统8包括控制面板与参数显示屏两部分，控制面板可简单操控机械臂运动，显示屏则可展示一系列测风数据与检测结果，巷道侧壁控制显示系统8是安放在测风站侧方壁龛中的。控制箱7内设有控制系统，结构上控制系统包括处理器，处理器分别与通讯模块、存储模块、电源模块、逻辑控制模块、机械臂控制模块、输入按键和数据交换接口连接，处理器还与显示屏以及设置在巷道中的风量传感器和激光雷达连接，机械臂控制模块与机械臂连接并控制活动，逻辑控制模块分别与底座气缸3和壁龛门气缸11连接，所述通信模块与通过网络与服务器连接；系统上控制系统采用上位机和下位机两层结构，上位机采用研华epc-s201工控机.中央处理器为intelceleronn3350dualcoresoc，主频为2.4g,内存为8g；下位机包括：机械臂控制模块和逻辑控制模块，机械臂控制模块使用dsptms320lf2407作为控制单元，采用松下msma012a1g型交流伺服电机驱动，配套伺服驱动器选用msda013a1a，上位机与下位机之间采用rs-485总线实现机械臂的分布式控制。测风作业所得的数据会传输到控制箱7中，利用测风机械臂对巷道风速影响的校正系数，对测得的风速数据进行修正，得到巷道内真实的风速，将结果与巷道截面积数据进行计算，得到巷道风量数据，并且各测风站处的控制箱7通过服务器互相连接到地面调度室，进行数据的传输。激光雷达是利用三角测距原理来测量每一个角度方向上的巷道壁距离，再利用电机驱动的编码盘实现多角度旋转扫描测量，获得各角度方向上的测量点云数据，通过对数据的处理即可得到精确的巷道横截面面积；通常巷道壁周边处风速小，巷道轴心附近风速大，且由于井巷断面和支护形式的不同，巷道内风速分布不均匀。因此测定巷道平均风速时，需要测量多点数据进行风速合成，机械臂末端的风量传感器应在巷道横断面上按着一定路线均匀地测定，其数据才能真实地反映出巷道的平均风速；风量传感器则是通过一组三叶或四叶的螺旋桨叶片绕水平轴旋转来测量各点风速，当有风流通过时，叶片系统受到风压的作用，产生一定的扭力矩使叶片系统旋转，叶片的转速正比于风速，以此原理得到巷道风速风量的数值。具体公式为：

v真＝b×v测+a

v均＝v真×(s-0.25)/s

qv均×s×60

其中：v真——风量传感器测定校验后的真实风速(m/s)

b——风量传感器系数

v测——风量传感器测定速度(m/s)

a——启动风量传感器系数

v均——巷道平均风速(m/s)

s——巷道横截面积(m²)

(s-0.25)/s——测风机械臂对巷道风速影响的校正系数

q——巷道风量(m³/min)

在布置此测风系统时，需要在测风站顶部设计一个设备壁龛，用于安装和收纳机械臂，机械臂在非工作状态时收起折叠放置于壁龛中。巷道顶部壁龛口还设置有封闭门开关系统，此系统主体由伸缩气缸与滑轨组成。固连在封闭门上的伸缩气缸为封闭门的运动提供动力，并由设置在宽度方向上的滑轨保证运动方向的准确性。每扇封闭门都设置有一个独立的伸缩气缸，因此每扇封闭门皆可独立开合，不受其他封闭门的状态影响。壁龛密闭门气缸与机械臂底座气缸受测风系统控制箱中预设的顺序逻辑程序控制，工作时壁龛密闭门与机械臂联动打开，不工作时自动关闭，从而减少测风机械臂受巷道粉尘、水雾等环境影响。封闭门共4扇，规格为两大两小。规格较大的两扇封闭门在测风机械臂伸展出设备壁龛后，会及时关闭，与下降的机械臂底座共同构成一个平面，将顶部设备壁龛完全遮盖住。这样，在测风作业时，巷道顶部的设备壁龛将不会对风速的测量造成影响，能够保证所测得的风速数据尽可能地接近实际。

测风系统工作时，设备壁龛的密闭门打开，通过壁龛内的底座气缸工作带动测风机械臂本体下降到合适位置。首先，开启固定在底座上的激光雷达扫描巷道轮廓，获得巷道通风面积。机械臂在获得控制系统的指令后，通过各关节驱动电机的动作，实现机械臂的展开，关节转动编码器对机械臂的空间位置进行捕获，并计算获得机械臂末端执行器的空间位置和姿态。最后，机械臂伸展开来直至完全打开，从非工作状态位姿转变为工作状态位姿，即到达机械臂程序零点位置。具体测量零点位置可根据巷道具体形状和尺寸不同，通过编程预设具体的气缸移动行程。根据程序预定好的机械臂检测移动路径10，机械臂由程序零点位置移动到测风路线的起始位置点。调整机械臂末端姿态，使风量传感器垂直于风速方向。按照程序，开启风量传感器，然后根据预定路线开始移动，移动过程中保持机械臂末端姿态不变，直至到达移动路线的终止位置点，并同时关闭风量传感器，测量数据自动采集并通过数据线存储到控制系统中进行分析。

确定测风机械臂的移动路径有两种方法：一是通过控制面板进行操作，操作人员根据巷道形状，大致规划出测风路径。点击示教按钮，然后拖拽机械臂的末端，使其按照所需要的路径从开始到终止蛇形移动一遍，结束示教并且保存此路径，后续测量便可以调用此路径；二是通过在上位机编程，首先根据激光雷达的测量数据对巷道截面进行几何建模，按照测风规程的要求，对机械臂的蛇形测风路径进行规划，设置起始点、终止点和中间若干路径点的位置坐标，使机械臂按照这些坐标顺序移动。然后将程序传输并保存到机械臂控制箱的存储中，每次测风工作时，调用此程序便可完成任务。两种方法各有利弊。前者对于没有编程基础的人员来说，可轻松完成此项工作，特别是在有测风路径改动需求但却没有能够进行编程的专业人员时，就可利用示教功能暂时使用。后者的优势则是其移动路径的精度远远高于第一种方法，在有条件的情况下，优先选用后者。

每个测风站处除了设置有测风机械臂本体结构外，还有安装在巷道侧面的测风系统控制面板与风量、风速参数显示屏，即控制显示系统，如图4所示。控制显示系统的显示屏，会显示本测风站的测风站编号、实时风速、实时风量、通风状态、上次测风时间以及下次测风时间等数据；控制系统的控制面板可以进行上述的示教功能并能实现对测风系统的基本操控。此控制显示系统以及机械臂本体、激光雷达、风量传感器都通过数据网络与测风系统控制箱连接。每次测风作业结束后，分别由激光雷达和风量传感器所测得的巷道横截面积与风量风速数据都会通过数据网络传输到测风系统控制箱中。经过控制箱中处理器分析得到的测风数据：一份将会通过通讯网络自动上传至服务器，在地面调度室中集中显示；一份将会通过数据网络传送至本测风站的参数显示屏上实时显示。

本发明的工作原理如图5所示：通风监测机器人系统包括服务器和若干测风站，服务器与测风站之间通过通讯模块进行数据的传输。测风系统控制箱中的处理器，是每个测风站处测风系统的数据处理核心。它能够分析激光雷达和风量传感器所测得的数据，并将运算修正后的数据储存到存储模块或者进行传输。通过机械臂控制模块，处理器可以控制机械臂按规划路径进行测风作业；通过逻辑控制模块，处理器可以控制壁龛封闭门与机械臂本体的顺序工作。除此之外，电源模块可以为所述的处理器、传输模块、机械臂驱动模块等提供电能，并满足防爆要求。另外，由于煤矿开采的作业地点处于动态变化之中，所以通风布局也会随之进行调整，那么测风站的增加或减少将不可避免。而利用通讯模块在服务器与测风站之间进行架构的工作原理将极大的方便新增测风站数据的接入。

井下巷道测风站的布置应以保证井下人员的安全为基本原则，做到能够及时了解井下各用风地点的风量情况，保证人员的生命安全和煤矿的安全生产。随着开采地点和巷道的变化，应及时设置新的测风站。测风站井下布置位置图见图6。