采煤機器人研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向

余成剛 陳加勝 艾琦超

(安徽理工大學 安徽 淮南 232001)

引言

工業(yè)機器人是當下蓬勃發(fā)展的一種能夠自動控制、可重復編程、多功能、多自由度的操作機器，它具備一些與人或者生物相似的智能能力，如：感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力等，是一種具有高度靈活性的自動化機器。機器人的出現(xiàn)和發(fā)展使得傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)發(fā)生了翻天覆地的變化。工廠中的傳統(tǒng)機械設(shè)備正在被機器人所替代，高度自動化的生產(chǎn)極大提高了生產(chǎn)效率。采煤機器人的研發(fā)能夠減少井下工作人員的數(shù)量，甚至實現(xiàn)井下無人化開采。采煤設(shè)備的機器人化可以大大降低煤炭生產(chǎn)人員傷亡事故頻發(fā)的概率，提高煤炭生產(chǎn)的安全性。

一、采煤機器人國內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀

2020年1月11日，全國煤礦安全生產(chǎn)工作會議表示，近年來我國煤礦智能化建設(shè)不斷加快，采煤工作面機器人群已經(jīng)在煤礦井下應(yīng)用，全國建成200余個智能化采煤工作面。當前我國煤礦采煤機械化程度達到78.5%。下一步要推進煤礦智能化建設(shè)全面鋪開，要率先建成一批100人以下無人(少人)智能化礦井。

現(xiàn)今的采煤機器人主要指的是智能化采煤機，還處于簡單感知的二代機器人水平，它具有記憶割煤的功能和恒定功率、恒定扭矩、恒定轉(zhuǎn)速等截割方式，采煤機的行走和截割聯(lián)動能夠?qū)崿F(xiàn)遠程監(jiān)測與控制。國內(nèi)的生產(chǎn)廠家主要有西煤機、上海煤科等公司；國外的生產(chǎn)廠家主要有DBT、艾科夫等公司。目前，采煤機器人的遠程監(jiān)控代替了綜采工作面機組人工控制，實現(xiàn)了綜采工作面作業(yè)遠程智能監(jiān)控。

中國礦業(yè)大學主持完成的973計劃項目，研制出了“五調(diào)控”的第四代采煤機器人，它具有自主調(diào)高、自主調(diào)速、自主推進、自主調(diào)直、自主糾偏智能運行能力。第四代采煤機器人調(diào)控示意圖如圖1所示：

圖1 第四代采煤機器人調(diào)控示意圖

二、采煤機器人研發(fā)的主要技術(shù)

(一)采煤機器人自主精確導航技術(shù)。自主精確導航技術(shù)是采煤機器人等煤礦機器人中的關(guān)鍵技術(shù)之一，利用相關(guān)的檢測方法來獲取井下采煤機器人在空間中的位置、方向和所處生產(chǎn)環(huán)境等信息，經(jīng)過相應(yīng)的算法對所獲取的有關(guān)信息進行計算分析以后，構(gòu)建煤礦井下環(huán)境模型進行模擬和機器人行走路線規(guī)劃。采煤機器人自主精確導航技術(shù)需要從精確定位、路線規(guī)劃與避障等方面加以研究和創(chuàng)新。

(二)采煤機器人防爆設(shè)計方法。煤礦井下環(huán)境的特殊性和復雜性要求采煤機器人必須具備極其良好的防爆性能。當前的防爆設(shè)計對采煤機器人來說將造成機器人過于笨重，導致機器人移動所需的動力增大，意味著對機器人的電池容量提出了更高的要求。而簡單增加電池的數(shù)量又將進一步增加機器人的整體體積和重量，使得機器人的動力不足，續(xù)航能力變差等問題。因此，需要對采煤機器人的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，對防爆結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計，研發(fā)質(zhì)量輕且強度高的新型防爆材料。

(三)采煤機器人高可靠、抗干擾通訊技術(shù)。采煤機器人在井下作業(yè)需要依靠通訊來傳輸數(shù)據(jù)信息，而煤礦井下巷道縱橫交錯、錯綜復雜加之巷道的煤壁對通訊信號有較強的吸收能力，使得煤礦井下通訊變得十分困難。解決通訊問題是采煤機器人作業(yè)的關(guān)鍵。中國礦業(yè)大學針對無線通訊和有線通訊的優(yōu)缺點，研發(fā)出了有線通訊和無線通訊相結(jié)合的井下機器人通訊技術(shù)，有效解決了井下機器人的通訊問題。為井下采煤機器人作業(yè)的通訊問題提供了參考。

(四)采煤機器人的可靠性技術(shù)。煤礦井下作業(yè)環(huán)境的復雜性和特殊性，一旦采煤機器人出現(xiàn)故障，不僅沒有辦法完成采煤作業(yè)任務(wù)，而且可能還會引發(fā)煤礦事故，這將造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，采煤機器人的可靠性十分重要。其中可靠性技術(shù)包含兩個方面，一是采煤機器人結(jié)構(gòu)的可靠性，這就要求機器人具備靈活自如的行走、越障能力以及可靠性高的機械結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)要具有防爆、防塵、防潮、防水、耐腐蝕等功能；二是采煤機器人控制系統(tǒng)的可靠性，對其運行狀態(tài)做到智能感知和故障自行診斷。

(五)采煤機器人的能源動力技術(shù)。采煤機器人井下作業(yè)需要安全、高效的動力能源技術(shù)。傳統(tǒng)拖纜式有線供電方式將會導致機器人的作業(yè)區(qū)域受到局限。而井下復雜環(huán)境下采用大容量電池供電方式又受到電池防爆、充電安全等諸多問題。因此，亟需研發(fā)一種適應(yīng)于采煤機器人的新型高能量、長續(xù)航蓄電池，它具有新型的防爆結(jié)構(gòu)和超輕的隔爆材料，能夠?qū)崿F(xiàn)安全充放電，滿足井下機器人作業(yè)的需求。

三、采煤機器人技術(shù)的發(fā)展方向

(一)采煤機器人行走機構(gòu)。行走機構(gòu)是采煤機器人的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在一定程度上決定了采煤機器人作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性。行走機構(gòu)需要適應(yīng)井下地形復雜、障礙多的環(huán)境，具備越障能力強、爬坡性能好、適應(yīng)地形性強等功能。中國礦業(yè)大學礦山機器人研究所多年來研發(fā)了多種類型的煤礦機器人行走機構(gòu)，最新研發(fā)成功的煤礦災后環(huán)境探測與救援機器人采用了彈簧履帶式行走機構(gòu)，其適應(yīng)地形性能良好。隨著煤礦機器人技術(shù)的發(fā)展成熟，各種輪式、履帶式、輪腿式等將被普遍應(yīng)用于行走機構(gòu)中。

(二)高度自動化、智能化。采煤機器人能夠自主決策、智能控制，具備精確定位、采高檢測、姿態(tài)監(jiān)測、煤巖識別、狀態(tài)監(jiān)測與故障預判等功能，實現(xiàn)采煤機自主行走、自適應(yīng)截割以及高效連續(xù)運行。

(三)多傳感器信息融合技術(shù)。將多個傳感器所采集的環(huán)境信息進行集成處理，形成對外部環(huán)境的統(tǒng)一表示。通過各個傳感器之間的冗余數(shù)據(jù)和互補數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的可靠性，擴展其觀測范圍，增強采集數(shù)據(jù)的可信度和提高系統(tǒng)的分辨率。信息融合技術(shù)有利于改善采煤機器人對環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測以及路線規(guī)劃和導航能力，提高控制系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應(yīng)的快速性與準確性，降低決策風險。

(四)采煤機器人模塊化設(shè)計。針對采煤機器人實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、大批量、流水線式生產(chǎn)制造等問題，未來采煤機器人需要實現(xiàn)模塊化生產(chǎn)制造，形成系列化產(chǎn)品，降低制造成本。

四、結(jié)語

采煤機器人在煤礦安全生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。當前我國采煤機器人的整體技術(shù)水平發(fā)展的還不成熟，智能化程度相對來說較低，未來還有很長一段路要走，應(yīng)當大力推廣機器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。