《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》發(fā)布，一起了解煤礦機器人研究進展

隨著多傳感器信息融合、多機器人系統(tǒng)、通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)的發(fā)展，煤礦機器人將在我國煤炭工業(yè)中實現(xiàn)更加重要的功能。

2019年1月2日，國家煤礦安全監(jiān)察局公布《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》。《目錄》聚焦關(guān)鍵崗位、危險崗位，包括掘進、采煤、運輸、安控和救援5類、38種煤礦機器人，對每種機器人的功能提出了具體要求。

我國煤炭開采條件極其復(fù)雜，90% 以上的煤炭資源僅適合井工開采，平均開采深度600 m，全國50%以上煤炭儲量處于高瓦斯地區(qū)。

煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)龐大復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境惡劣，水、火、煤塵、瓦斯、頂板等災(zāi)害多，其非機構(gòu)化環(huán)境使得傳統(tǒng)自動化機械的使用受到局限。在煤礦生產(chǎn)部分環(huán)節(jié)中引入機器人技術(shù)對于改善工人作業(yè)環(huán)境、降低百萬噸死亡率、提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

煤礦機器人研究現(xiàn)狀：

國外煤礦機器人研究起步較早。美國20 世紀80 年代開始將基于計算機遠程遙控加局部自治式控制作為非結(jié)構(gòu)化采煤工作環(huán)境下機器人的重點發(fā)展方向，研制出了計算機控制采煤作業(yè)系統(tǒng)及多種特種機器人，如支護機器人、鑿巖機器人、裝載機器人、采煤機器人、煤礦救災(zāi)機器人等。澳大利亞從煤礦機器人傳感器系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等方面，進行了針對煤礦露天開采的拉鏟挖掘機、輪斗挖掘機等設(shè)備的機器人化工作。

機器人產(chǎn)業(yè)是近30 年發(fā)展起來的新型產(chǎn)業(yè)，我國早在“七五”期間就開始組織專家學(xué)者對國際先進機器人全面跟蹤、研究和探索。在國家863 計劃等資助項目支持下，對包括噴漿機器人、鑿巖機器人、采煤機器人、救災(zāi)機器人、機器人礦車等在內(nèi)的多種煤礦機器人進行研究開發(fā)。

機器人在煤礦中的應(yīng)用主要包括以下5類：

1、掘進類

掘進工作面機器人群、掘進機器人、全斷面立井盾構(gòu)機器人、臨時支護機器人、鉆錨機器人、噴漿機器人、探水鉆孔機器人、防突鉆孔機器人、防沖鉆孔機器人。

2、采煤類

采煤工作面機器人群、采煤機機器人、超前支護機器人、充填支護機器人、露天礦穿孔爆破機器人。

3、運輸類

搬運機器人、破碎機器人、車場推車機器人、巷道清理機器人、煤倉清理機器人、水倉清理機器人、選矸機器人、巷道沖塵機器人、井下無人駕駛運輸車、露天礦電鏟智能遠程控制自動裝載系統(tǒng)、露天礦卡車無人駕駛系統(tǒng)。

4、安控類

工作面巡檢機器人、管道巡檢機器人、通風監(jiān)測機器人、危險氣體巡檢機器人、自動排水機器人、密閉砌筑機器人、管道安裝機器人、皮帶機巡檢機器人、井筒安全智能巡檢機器人、巷道巡檢機器人。

5、救援類

井下?lián)岆U作業(yè)機器人、礦井救援機器人、災(zāi)后搜救水陸兩棲機器人。

煤礦機器人所面臨的主要問題：

對于煤礦機器人的研究，整體上處于理論與試驗階段，在事故處理與救援應(yīng)用領(lǐng)域研究較多，離大規(guī)模應(yīng)用仍有一定距離。

1、能源動力技術(shù)

對于小功率煤礦機器人，采用有線供電可不受機器人尺寸影響，但存在導(dǎo)線壓降，需考慮井下電網(wǎng)中諧波對于設(shè)備控制的干擾，限制了其作業(yè)距離。

電池供電可擺脫導(dǎo)線的限制，但電池性能限制了其續(xù)航能力和作業(yè)時間。大功率煤礦機器人需提高井下供電品質(zhì)，保證設(shè)備可靠運行。

2、導(dǎo)航技術(shù)

導(dǎo)航技術(shù)是煤礦機器人等智能移動機器人技術(shù)的關(guān)鍵，包括通過一定的檢測手段獲取移動機器人在空間中的位置、方向以及所處環(huán)境的信息，用一定的算法對所獲信息進行處理，建立環(huán)境模型并進行路徑規(guī)劃。

目前已有移動機器人定位的成熟理論與技術(shù)，但對于在煤礦復(fù)雜環(huán)境下的定位、避障、路徑規(guī)劃等技術(shù)有待進一步研究。

3、通信技術(shù)

包括機器與人，機器與機器，作業(yè)人員與指揮人員的可靠通信。有線通信可靠性高，但同樣存在與有線供電一樣的問題。井下無線通信，信號受到巷道等屏蔽，傳播距離有限，同時需考慮大型設(shè)備啟停產(chǎn)生的電磁干擾。

4、可靠性技術(shù)

由于井下工作環(huán)境的復(fù)雜性和不可預(yù)測性，一旦出現(xiàn)故障，不僅無法完成作業(yè)任務(wù)，而且可能引發(fā)事故，造成巨大損失。其可靠性技術(shù)包括2 個方面，一是機器人結(jié)構(gòu)的可靠性，具備機動性和地面適應(yīng)性好、越障能力強、可靠性高的機械結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有防爆、防塵、防潮、防水、抗腐蝕等功能，解決其密封性與散熱的矛盾; 二是煤礦機器人控制系統(tǒng)的可靠性。作為復(fù)雜控制系統(tǒng)的故障診斷與容錯控制技術(shù)，目前已經(jīng)取得一系列的研究成果，特別是在航空航天系統(tǒng)、核電站系統(tǒng)有許多成功應(yīng)用，但在煤礦機器人方面的研究成果卻非常有限。

煤機裝備智能制造及機器人技術(shù)研究：

為貫徹落實《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016—2020 年)》和《煤炭工業(yè)“ 十三五” 裝備制造發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提升我國煤機裝備智能化水平，推動我國煤機裝備的關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，加速先進科技成果產(chǎn)業(yè)化，《煤炭科學(xué)技術(shù)》于2017 年第5期策劃了“煤機裝備智能制造及機器人技術(shù)”專題。

專題跟蹤報道國家863 計劃項目“面向煤礦災(zāi)害救援機器人研究開發(fā)與應(yīng)用”，國家自然科學(xué)基金項目“ 基于救生艙的監(jiān)測機器人數(shù)據(jù)傳輸與控制理論研究” 以及國家智能制造裝備發(fā)展專項等科技成果。以下為專題詳情。

■危險環(huán)境下救援機器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

□葛世榮，朱華

摘要：闡述了當前國內(nèi)外在危險災(zāi)變環(huán)境下的救援機器人發(fā)展現(xiàn)狀,總結(jié)了救援機器人的關(guān)鍵技術(shù)問題,分別對消防救援機器人、地震救援機器人、礦山救援機器人、核事故救援機器人和水下救援機器人的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況進行了分析,并對每種機器人技術(shù)進行了總結(jié),歸納得出:危險環(huán)境下救援機器人的共性關(guān)鍵技術(shù)包括4種能力,即良好的移動性能、感知能力、通信能力與續(xù)航能力。同時,針對不同救援機器人的應(yīng)用環(huán)境,指明了各自所面臨的核心問題,并指出隨著技術(shù)的發(fā)展,不論是哪種機器人,救援功能的集成化、救援行為的自主化、救援任務(wù)的協(xié)同化與救援裝備的輕量化都將是其發(fā)展方向。

■基于Ethernet/IP綜采機器人一體化智能控制平臺設(shè)計

□黃曾華，南柄飛，張科學(xué)，馮銀輝

摘要：為提供煤礦綜采裝備成套解決方案,聯(lián)合相關(guān)采、支、運等制造及控制廠家,集成綜采工作面成套裝備、技術(shù)和Ethernet/IP通信協(xié)議,設(shè)計了綜采機器人一體化智能控制平臺系統(tǒng);研究了綜采機器人控制技術(shù),建立了三維環(huán)境復(fù)雜約束條件下的綜采工作面控制模型,提出了綜采工作面內(nèi)"1人巡視、無人操作"的采煤模式;建立了綜采一體化控制中心,設(shè)計了綜采設(shè)備通信接口和協(xié)議標準方案,實現(xiàn)了綜采機器人控制設(shè)備安全生產(chǎn)。最后,通過在煤礦綜采過程中運行該系統(tǒng)平臺,使基于Ethernet/IP綜采機器人一體化智能控制平臺較好地實現(xiàn)了安全、高效生產(chǎn)。

■液壓支架機器人智能焊接生產(chǎn)線研發(fā)與應(yīng)用

□任懷偉

摘要：為提升液壓支架焊接加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率,改善工人勞動環(huán)境,研發(fā)了液壓支架焊接機器人智能焊接加工生產(chǎn)線。攻克了分層多道焊接、激光傳感、格子間變形適應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù),有效改進了機器人與液壓支架焊接的適應(yīng)性;研制了焊接機器人外部軸、工件夾具、生產(chǎn)線控制、智能物流等系統(tǒng)及裝置,實現(xiàn)了工件自動上下料、型號自動識別、結(jié)構(gòu)件全方位焊接等功能;基于MES制造執(zhí)行系統(tǒng)建立了車間級的智能化生產(chǎn)管理系統(tǒng),實現(xiàn)了整個車間的統(tǒng)一管理和數(shù)字化生產(chǎn)。車間級的智能化生產(chǎn)管理系統(tǒng)在山能重裝塔高公司工業(yè)性試驗6個月,應(yīng)用結(jié)果表明:焊接效率提高100%,人員減少70%,自動焊接產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定一致,滿足生產(chǎn)智能化、流程自動化、管理信息化的發(fā)展要求。

■基于截齒截割紅外熱像的采煤機煤巖界面識別研究

□張強，王海艦，郭桐，劉永鳳

摘要：為實現(xiàn)采煤機截割過程中煤巖界面的有效動態(tài)識別,測試和提取不同煤巖比例條件下截齒截割的紅外熱圖像,分析截齒表面溫度場分布規(guī)律與截割閃溫特征,得到不同煤巖比例條件下截齒截割溫度特征數(shù)據(jù)庫,建立基于最小模糊度優(yōu)化的采煤機煤巖界面動態(tài)識別模型。試驗結(jié)果表明:截齒在截割不同比例煤巖試件時,齒尖均產(chǎn)生突兀的瞬時閃溫區(qū),巖石比例越大,其閃溫值越高。該系統(tǒng)可實現(xiàn)煤巖界面的在線、精確動態(tài)識別,可為提高采煤機的截割效率和實現(xiàn)滾筒智能調(diào)高控制提供重要的技術(shù)手段和理論依據(jù)。

■基于視頻的煤礦帶式輸送機自動調(diào)速控制系統(tǒng)

□陶偉忠

摘要：為滿足變頻帶式輸送機載煤量自動匹配調(diào)速控制的要求,實現(xiàn)節(jié)能降耗,研發(fā)了一種基于視頻的礦井帶式輸送機自動調(diào)速控制。該系統(tǒng)使用數(shù)字攝像儀,利用視頻圖像處理技術(shù)動態(tài)獲取帶式輸送機上的瞬時煤量;結(jié)合礦井運輸系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu),自動計算物料(煤)的運輸長度,建立運輸系統(tǒng)模型,獲取煤流動態(tài)分布情況;在此基礎(chǔ)上,自動調(diào)整變頻器的轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)帶式輸送機速度與運輸煤量匹配。在中國神華神東公司哈拉溝煤礦運行結(jié)果表明:該系統(tǒng)運行穩(wěn)定,在滿足實際生產(chǎn)的條件下,有效地將變頻帶式輸送機的平均轉(zhuǎn)速降至86%,達到了節(jié)能降耗、延長輸送帶壽命、提高經(jīng)濟效益的目的。

■刮板輸送機鏈傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析

□曾慶良，王剛，江守波

摘要：為解決刮板輸送機鏈傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析中建模困難、耗時費力的問題,在ANSYS/LS-DYNA軟件中,利用APDL語言建立了刮板輸送機鏈傳動系統(tǒng)的參數(shù)化有限元模型,并實現(xiàn)了參數(shù)化動力學(xué)分析,可研究各種型號的刮板輸送機在不同工況下的運行情況。以某刮板輸送機為例,分析了不同轉(zhuǎn)速下鏈輪和鏈條的動力學(xué)響應(yīng):鏈窩底部存在較大的接觸力,以提供鏈環(huán)轉(zhuǎn)矩;鏈輪轉(zhuǎn)速越大,鏈條振動加劇,頻率增大,振幅增加,對鏈輪產(chǎn)生更大的沖擊;鏈環(huán)與鏈輪嚙合過程中存在接觸滑移。最后根據(jù)仿真結(jié)果提出了優(yōu)化改進建議。

■刮板輸送機飄鏈故障診斷技術(shù)研究

□董剛，馬宏偉，南源桐，馬琨

摘要：針對刮板輸送機在其彎曲區(qū)段容易發(fā)生的飄鏈問題,提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機的聲音信號識別模型,該模型以經(jīng)過PCA白化處理的綜采工作面設(shè)備聲音運行聲音的聲譜圖為輸入,由深度CNN網(wǎng)絡(luò)提取聲音信號的特征,并以SVM分類器實現(xiàn)對聲音信號的識別,最終實現(xiàn)對刮板輸送機飄鏈故障的診斷。同時推導(dǎo)了以SVM為輸出層的深度CNN網(wǎng)絡(luò)模型在訓(xùn)練時誤差反向傳播時輸出層對全連接層的敏感度函數(shù),并通過試驗發(fā)現(xiàn)了對輸入的聲音信號進行不同時長的切分作為模型輸入時,對CNN-SVM模型識別率產(chǎn)生影響的規(guī)律,最后通過對比試驗驗證了此模型確實比傳統(tǒng)的GMM-HMM模型具有更高的識別準確率。

■煤礦井下數(shù)字化鉆進技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

□張建明，曹明，陳曉明

摘要：在分析現(xiàn)有煤礦井下鉆進工藝裝備的基礎(chǔ)上,從隨鉆測量、狀態(tài)監(jiān)測和鉆機控制3個方面綜述了井下數(shù)字化鉆進關(guān)鍵技術(shù)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀。探討了煤礦井下數(shù)字化鉆進技術(shù)的發(fā)展方向,提出了精確導(dǎo)向鉆進、鉆機自動控制、遠程故障診斷、鉆場智能管理等未來研究的重點,以及相應(yīng)的實現(xiàn)方法與關(guān)鍵技術(shù)。最后指出,我國煤礦井下鉆進技術(shù)與裝備發(fā)展方向。

■基于虛擬現(xiàn)實的煤礦救援機器人遠程控制技術(shù)

□張旭輝，董潤霖，馬宏偉，杜昱陽，毛清華，王川偉，薛旭升，馬琨

摘要：針對當前煤礦井下救援機器人自主導(dǎo)航效率低下,難以滿足礦難時效性的救援要求,提出了一種基于虛擬現(xiàn)實(VR)的煤礦救援機器人遠程控制方案,以虛擬仿真技術(shù)、智能檢測與控制、遠程通信、環(huán)境動態(tài)建模等技術(shù)為基礎(chǔ),以煤礦救援機器人的遠程控制為目標,建立了煤礦救援機器人虛擬仿真模型以及井下工作環(huán)境場景,對傳感器數(shù)據(jù)進行解析動態(tài)建模,完成機器人井下的以巷道為基礎(chǔ)的局部定位,并實時更新煤礦救援機器人井下作業(yè)場景,為機器人自主控制增加了判據(jù)。此方案定位于復(fù)雜工況下有效的人工遠程干預(yù),借助VR技術(shù)充分融合人、機和環(huán)境信息,可有效提升井下礦難救援效率。

■煤礦災(zāi)害救援雙級式信息探測機器人系統(tǒng)研制

□鄭興，張高峰，王紅旗

摘要：針對煤礦災(zāi)害救援信息探測機器人難以到達井下災(zāi)害現(xiàn)場的現(xiàn)狀,研制一種新的基于井下避難硐室的煤礦災(zāi)害救援雙級式信息探測機器人系統(tǒng)。當發(fā)生煤礦災(zāi)害時,該系統(tǒng)一級運載機器人從避難硐室附近出發(fā),沿煤礦巷道頂板預(yù)設(shè)的工字鋼軌道行駛,直到無法繼續(xù)前進時釋放二級信息探測機器人進一步對災(zāi)害信息進行探測。該系統(tǒng)基于RSSI的改進路徑損耗模型設(shè)計,解決了受限空間的無線通信不暢和中繼設(shè)備安放間隔難以確定的問題。煤礦巷道仿真實驗室對該系統(tǒng)測試結(jié)果表明,雙級式煤礦信息探測機器人在井下通信順暢,圖像數(shù)據(jù)傳輸清晰連續(xù),系統(tǒng)運行穩(wěn)定。