目前，矿用巡检机器人按照运动方式主要可分为轮式、履带式及轨道式3种形式，而轨道式机器人因具有稳定的运行方式和灵巧的机械本体，在变电所、水泵房、带式输送机及回风巷等多种场景广泛应用。机器人本体吊挂在轨道上以电池单独供电、拖缆供电或自发电模式在巡检区域内往复行走，通过搭载多种传感器实时采集巡检设备和巡检环境的图像、声音、红外热像及温度数据、烟雾、多种气体浓度等参数信息，能够完全替代人工巡检，降低工人劳动风险，实现应用场景的智能化监测。
轨道式机器人结构原理与性能参数
现有轨道式巡检机器人的组成结构包括轨道模块、机器人、通信模块和供电模块（可选）。①轨道模块作为机器人运行的载体，要求具有稳定的结构与较强的承载能力；②机器人是各种场景巡检应用的核心，通过采用多目标优化结构设计，具备自主行走定位、环境智能感知等功能；③通信模块是煤矿机器人智能化展示的重要组成部分，巡检机器人在感知周围数据信息时，除了现场应急处理外，还需将巡检数据上传至地面监控中心，为运维人员实时监视和后续大数据挖掘提供保障；④供电模块提供机器人本体能源供给，设置于巡检路线的适当位置处，当机器人自身电量低于1次巡检所需的电量时，机器人将返回供电模块完成即时充电，轨道式机器人结构原理如图1所示。
中煤科工集团沈阳研究院有限公司（以下简称沈阳研究院）已研制出多款轨道式煤矿机器人，其主要共性功能包括：视频识别、视频升降、红外测温、环境监测、语音播报、设备联动、双向对讲、自主避障、多模式巡检、无线通信、数据处理与查询、大数据挖掘预警分析与显示等。轨道式煤矿机器人主要参数：防爆等级为1类防爆，轨道形式为工字钢轨道、圆钢轨道、钢丝绳轨道，爬坡能力≥15°，转向半径≥1 m，最大升降行程为1.5 m，运行速度为0~1.5 m/s。
图1 轨道式煤矿机器人结构原理
关键技术创新
（1）低照度环境下的高匹配仪表识别方法针对图像因井下低光照环境存在的光斑、部分区域曝光、难以直接识别指针等问题，研究出基于变换的高匹配性的仪表识别方法，提出了最大间类方差法阈值分割，通过在算法中加入最小二乘法自动选择阈值，提高了识别速度。同时，采用交叉迭代法建立指针读取数据集，解决了因巡检原始数据累计误差导致的读数失真，能够正确识别出指针的位置与方向。试验结果表明，通过低照度环境下的高匹配仪表识别方法识别的指针读数更为精确，识别效果如图2所示。
（a）实物 （b）指针识别效果
图2 仪表识别效果
（2）多元化实时上位机监控技术设计UI界面包括可见光图像采集界面、红外温度监测界面、环境气体监测界面、巡航位置实时状态界面、机器人自检状态信息界面。巡检机器人可正确接收监控后台的控制指令，实现云台转动、车体运动、设备检测等功能，并正确反馈状态信息和及时上报机器人本体的各类预警和告警信息，上位机系统将所采集的数据自动归类、自动分析及统计，方便客户数据信息管理与使用。为使煤矿机器人做到真正有效的事前预警，提出了一种基于算法的Web端煤矿机器人数据挖掘方法，通过巡检机器人采集大量的图像、声音、气体以及机器人运动轨迹等数据，在监控中心的Web端进行数据处理，发现大量数据隐含的内在规律，以实现煤矿安全生产的实时监控和预警。
图3 上位机监控界面
图4 拖缆供电巡检机器人
图5 摩擦自发电巡检机器人
（3）多轨道行走结构为适应多种场景巡检的需求，中国煤科沈阳研究院创新性地提出了多形式轨道行走机构。其中，工字钢轨道铺设适用于中、短路径，轨道稳定性高，负载能力强；圆钢轨道成本相对较低，适用于较长距离的巡检场景，对应攀爬式机器人可实现连续越障；钢丝绳轨道适用于中、长距离巡检场合，能够抵抗矿压导致的巷道变形。基于上述3种轨道形式配置不同技术应用，研制出了拖缆供电、摩擦自发电、圆钢无线充电、钢丝绳轨道等多款轨道式巡检机器人。
1）拖缆供电巡检机器人（图4）主要由防爆行走机构、本安型云台、控制箱、本安型传感器、拖缆系统、语音对讲模块、噪声识别模块等组成。机器人本体悬挂于工字钢轨道上，通过防爆行走机构中的辅助轮组进行导向和限位，避免机器人脱轨。
行走机构采用双聚氨酯滚轮侧夹工字钢腹板的形式，电机减速机直驱聚氨酯轮，在聚氨酯轮旋转运行时，带动机器人本体沿工字钢轨道进行前进和倒退行走。机器人采用拖缆供电，供电稳定性好，无需携带电池箱，体积、质量相对较小，结构紧凑。
2）摩擦自发电巡检机器人（图5）主要由驱动系统、压紧轮模块、摩擦发电轮系、控制系统、双光摄像头、噪声识别等模块组成，机器人整体采用扁平式设计，悬挂于固定在矿用带式输送机中间的工字钢下方。机器人的摩擦发电轮与带式输送机的输送带相连接，带式输送机运行时，输送带与摩擦轮之间的摩擦力带动发电轮旋转，达到一定转速时，发电轮开始为机器人内部电池供电，实现机器人无需停靠充电及24 h不间断地对带式输送机进行全方位巡检。
3）圆钢轨道无线充电巡检机器人（图6）采用圆钢轨道行走方式，依靠驱动轮与圆钢之间的摩擦完成行走功能。机器人行走机构主要由行走轮体、夹紧轮、驱动机构等构成，内置直流伺服电机驱动链轮，通过链轮传递驱动行走轮转动，夹紧轮采用纵向弹簧力对轨道进行夹紧，使得机器人在行走过程中，夹紧轮可作为从动轮，保证机器人不脱离圆钢轨道。机器人采用无线充电方式，充电桩布置在巡检轨迹起点的适当位置。
图6 圆钢轨道无线充电巡检机器人
图7 钢丝绳轨道巡检机器人
4）钢丝绳轨道巡检机器人（图7）采用拖拽式钢丝绳牵引结构，驱动系统固定布置在巡检轨迹起始端，用于动力传递；回转机构采用单个大定向滑轮固定安装在巡检轨迹末端；巡检轨道内部两侧布置多个小定向滑轮，用于长距离钢丝绳固定与导向；机器人本体采用抱锁装置与钢丝绳连接，当驱动系统驱动钢丝绳运行时，可带动巡检机器人实现巡检路径的往复运动。
推广应用情况
（a）带式输送机巡检
（b）选煤厂巡检
图8 轨道式煤矿机器人现场应用
中国煤科沈阳研究院轨道式煤矿机器人产品丰富，已成功应用于陕煤集团张家峁煤矿、山西天地王坡煤业有限公司、神华北电胜利能源有限公司等多个煤矿（图8）。在定时巡检、定点巡检、指定特殊任务巡检等多种巡检方式下，实现了红外测温、数据通信及分析、设备监测及自主避障等功能，解决了应用场景下人工巡检存在的工作效率低、劳动量大、无法及时上报现场信息，难以准确高频次地检测设备状态和数据，无法及时发现问题等难题，实现了故障前兆预警，减少了停车时间，有效延长了生产时间。
