《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》發(fā)布，一起了解煤礦機(jī)器人研究進(jìn)展

隨著多傳感器信息融合、多機(jī)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(jī)器人將在我國(guó)煤炭工業(yè)中實(shí)現(xiàn)更加重要的功能。

2019年1月2日，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局公布《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》?！赌夸洝肪劢龟P(guān)鍵崗位、危險(xiǎn)崗位，包括掘進(jìn)、采煤、運(yùn)輸、安控和救援5類、38種煤礦機(jī)器人，對(duì)每種機(jī)器人的功能提出了具體要求。

我國(guó)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(guó)50%以上煤炭?jī)?chǔ)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(jī)構(gòu)化環(huán)境使得傳統(tǒng)自動(dòng)化機(jī)械的使用受到局限。在煤礦生產(chǎn)部分環(huán)節(jié)中引入機(jī)器人技術(shù)對(duì)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(jī)器人研究現(xiàn)狀：

國(guó)外煤礦機(jī)器人研究起步較早。美國(guó)20 世紀(jì)80 年代開始將基于計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)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(jī)器人的重點(diǎn)發(fā)展方向，研制出了計(jì)算機(jī)控制采煤作業(yè)系統(tǒng)及多種特種機(jī)器人，如支護(hù)機(jī)器人、鑿巖機(jī)器人、裝載機(jī)器人、采煤機(jī)器人、煤礦救災(zāi)機(jī)器人等。澳大利亞從煤礦機(jī)器人傳感器系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等方面，進(jìn)行了針對(duì)煤礦露天開采的拉鏟挖掘機(jī)、輪斗挖掘機(jī)等設(shè)備的機(jī)器人化工作。

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是近30 年發(fā)展起來的新型產(chǎn)業(yè)，我國(guó)早在“七五”期間就開始組織專家學(xué)者對(duì)國(guó)際先進(jìn)機(jī)器人全面跟蹤、研究和探索。在國(guó)家863 計(jì)劃等資助項(xiàng)目支持下，對(duì)包括噴漿機(jī)器人、鑿巖機(jī)器人、采煤機(jī)器人、救災(zāi)機(jī)器人、機(jī)器人礦車等在內(nèi)的多種煤礦機(jī)器人進(jìn)行研究開發(fā)。

機(jī)器人在煤礦中的應(yīng)用主要包括以下5類：

1、掘進(jìn)類

掘進(jìn)工作面機(jī)器人群、掘進(jìn)機(jī)器人、全斷面立井盾構(gòu)機(jī)器人、臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人、鉆錨機(jī)器人、噴漿機(jī)器人、探水鉆孔機(jī)器人、防突鉆孔機(jī)器人、防沖鉆孔機(jī)器人。

2、采煤類

采煤工作面機(jī)器人群、采煤機(jī)機(jī)器人、超前支護(hù)機(jī)器人、充填支護(hù)機(jī)器人、露天礦穿孔爆破機(jī)器人。

3、運(yùn)輸類

搬運(yùn)機(jī)器人、破碎機(jī)器人、車場(chǎng)推車機(jī)器人、巷道清理機(jī)器人、煤倉清理機(jī)器人、水倉清理機(jī)器人、選矸機(jī)器人、巷道沖塵機(jī)器人、井下無人駕駛運(yùn)輸車、露天礦電鏟智能遠(yuǎn)程控制自動(dòng)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(jī)器人、管道巡檢機(jī)器人、通風(fēng)監(jiān)測(cè)機(jī)器人、危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人、自動(dòng)排水機(jī)器人、密閉砌筑機(jī)器人、管道安裝機(jī)器人、皮帶機(jī)巡檢機(jī)器人、井筒安全智能巡檢機(jī)器人、巷道巡檢機(jī)器人。

5、救援類

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

煤礦機(jī)器人所面臨的主要問題：

對(duì)于煤礦機(jī)器人的研究，整體上處于理論與試驗(yàn)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(dòng)力技術(shù)

對(duì)于小功率煤礦機(jī)器人，采用有線供電可不受機(jī)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(duì)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(shí)間。大功率煤礦機(jī)器人需提高井下供電品質(zhì)，保證設(shè)備可靠運(yùn)行。

2、導(dǎo)航技術(shù)

導(dǎo)航技術(shù)是煤礦機(jī)器人等智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的關(guān)鍵，包括通過一定的檢測(cè)手段獲取移動(dòng)機(jī)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(duì)所獲信息進(jìn)行處理，建立環(huán)境模型并進(jìn)行路徑規(guī)劃。

目前已有移動(dòng)機(jī)器人定位的成熟理論與技術(shù)，但對(duì)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(jìn)一步研究。

3、通信技術(shù)

包括機(jī)器與人，機(jī)器與機(jī)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(hào)受到巷道等屏蔽，傳播距離有限，同時(shí)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(cè)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(gè)方面，一是機(jī)器人結(jié)構(gòu)的可靠性，具備機(jī)動(dòng)性和地面適應(yīng)性好、越障能力強(qiáng)、可靠性高的機(jī)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(jī)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(cuò)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(jī)器人方面的研究成果卻非常有限。

煤機(jī)裝備智能制造及機(jī)器人技術(shù)研究：

為貫徹落實(shí)《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(guó)煤機(jī)裝備智能化水平，推動(dòng)我國(guó)煤機(jī)裝備的關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，加速先進(jìn)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(jī)裝備智能制造及機(jī)器人技術(shù)”專題。

專題跟蹤報(bào)道國(guó)家863 計(jì)劃項(xiàng)目“面向煤礦災(zāi)害救援機(jī)器人研究開發(fā)與應(yīng)用”，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“ 基于救生艙的監(jiān)測(cè)機(jī)器人數(shù)據(jù)傳輸與控制理論研究” 以及國(guó)家智能制造裝備發(fā)展專項(xiàng)等科技成果。以下為專題詳情。

■危險(xiǎn)環(huán)境下救援機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

□葛世榮，朱華

摘要：闡述了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在危險(xiǎn)災(zāi)變環(huán)境下的救援機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀,總結(jié)了救援機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)問題,分別對(duì)消防救援機(jī)器人、地震救援機(jī)器人、礦山救援機(jī)器人、核事故救援機(jī)器人和水下救援機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況進(jìn)行了分析,并對(duì)每種機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行了總結(jié),歸納得出:危險(xiǎn)環(huán)境下救援機(jī)器人的共性關(guān)鍵技術(shù)包括4種能力,即良好的移動(dòng)性能、感知能力、通信能力與續(xù)航能力。同時(shí),針對(duì)不同救援機(jī)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(jī)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(jī)器人一體化智能控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

□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(yùn)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(jì)了綜采機(jī)器人一體化智能控制平臺(tái)系統(tǒng);研究了綜采機(jī)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(jì)了綜采設(shè)備通信接口和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)方案,實(shí)現(xiàn)了綜采機(jī)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(yùn)行該系統(tǒng)平臺(tái),使基于Ethernet/IP綜采機(jī)器人一體化智能控制平臺(tái)較好地實(shí)現(xiàn)了安全、高效生產(chǎn)。

■液壓支架機(jī)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(dòng)環(huán)境,研發(fā)了液壓支架焊接機(jī)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(jìn)了機(jī)器人與液壓支架焊接的適應(yīng)性;研制了焊接機(jī)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(shí)現(xiàn)了工件自動(dòng)上下料、型號(hào)自動(dòng)識(shí)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(jí)的智能化生產(chǎn)管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了整個(gè)車間的統(tǒng)一管理和數(shù)字化生產(chǎn)。車間級(jí)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(yàn)6個(gè)月,應(yīng)用結(jié)果表明:焊接效率提高100%,人員減少70%,自動(dòng)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(dòng)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(jī)煤巖界面識(shí)別研究

□張強(qiáng)，王海艦，郭桐，劉永鳳

摘要：為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割過程中煤巖界面的有效動(dòng)態(tài)識(shí)別,測(cè)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(chǎng)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(jī)煤巖界面動(dòng)態(tài)識(shí)別模型。試驗(yàn)結(jié)果表明:截齒在截割不同比例煤巖試件時(shí),齒尖均產(chǎn)生突兀的瞬時(shí)閃溫區(qū),巖石比例越大,其閃溫值越高。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)煤巖界面的在線、精確動(dòng)態(tài)識(shí)別,可為提高采煤機(jī)的截割效率和實(shí)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(jī)自動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)

□陶偉忠

摘要：為滿足變頻帶式輸送機(jī)載煤量自動(dòng)匹配調(diào)速控制的要求,實(shí)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(jī)自動(dòng)調(diào)速控制。該系統(tǒng)使用數(shù)字?jǐn)z像儀,利用視頻圖像處理技術(shù)動(dòng)態(tài)獲取帶式輸送機(jī)上的瞬時(shí)煤量;結(jié)合礦井運(yùn)輸系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),自動(dòng)計(jì)算物料(煤)的運(yùn)輸長(zhǎng)度,建立運(yùn)輸系統(tǒng)模型,獲取煤流動(dòng)態(tài)分布情況;在此基礎(chǔ)上,自動(dòng)調(diào)整變頻器的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)速度與運(yùn)輸煤量匹配。在中國(guó)神華神東公司哈拉溝煤礦運(yùn)行結(jié)果表明:該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,在滿足實(shí)際生產(chǎn)的條件下,有效地將變頻帶式輸送機(jī)的平均轉(zhuǎn)速降至86%,達(dá)到了節(jié)能降耗、延長(zhǎng)輸送帶壽命、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

■刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

□曾慶良，王剛，江守波

摘要：為解決刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析中建模困難、耗時(shí)費(fèi)力的問題,在ANSYS/LS-DYNA軟件中,利用APDL語言建立了刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)化有限元模型,并實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化動(dòng)力學(xué)分析,可研究各種型號(hào)的刮板輸送機(jī)在不同工況下的運(yùn)行情況。以某刮板輸送機(jī)為例,分析了不同轉(zhuǎn)速下鏈輪和鏈條的動(dòng)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(dòng)加劇,頻率增大,振幅增加,對(duì)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(jìn)建議。

■刮板輸送機(jī)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(duì)刮板輸送機(jī)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(jī)的聲音信號(hào)識(shí)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(yùn)行聲音的聲譜圖為輸入,由深度CNN網(wǎng)絡(luò)提取聲音信號(hào)的特征,并以SVM分類器實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音信號(hào)的識(shí)別,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)飄鏈故障的診斷。同時(shí)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(shí)誤差反向傳播時(shí)輸出層對(duì)全連接層的敏感度函數(shù),并通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了對(duì)輸入的聲音信號(hào)進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)的切分作為模型輸入時(shí),對(duì)CNN-SVM模型識(shí)別率產(chǎn)生影響的規(guī)律,最后通過對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了此模型確實(shí)比傳統(tǒng)的GMM-HMM模型具有更高的識(shí)別準(zhǔn)確率。

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

□張建明，曹明，陳曉明

摘要：在分析現(xiàn)有煤礦井下鉆進(jìn)工藝裝備的基礎(chǔ)上,從隨鉆測(cè)量、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和鉆機(jī)控制3個(gè)方面綜述了井下數(shù)字化鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀。探討了煤礦井下數(shù)字化鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向,提出了精確導(dǎo)向鉆進(jìn)、鉆機(jī)自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程故障診斷、鉆場(chǎng)智能管理等未來研究的重點(diǎn),以及相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法與關(guān)鍵技術(shù)。最后指出,我國(guó)煤礦井下鉆進(jìn)技術(shù)與裝備發(fā)展方向。

■基于虛擬現(xiàn)實(shí)的煤礦救援機(jī)器人遠(yuǎn)程控制技術(shù)

□張旭輝，董潤(rùn)霖，馬宏偉，杜昱陽，毛清華，王川偉，薛旭升，馬琨

摘要：針對(duì)當(dāng)前煤礦井下救援機(jī)器人自主導(dǎo)航效率低下,難以滿足礦難時(shí)效性的救援要求,提出了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)的煤礦救援機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方案,以虛擬仿真技術(shù)、智能檢測(cè)與控制、遠(yuǎn)程通信、環(huán)境動(dòng)態(tài)建模等技術(shù)為基礎(chǔ),以煤礦救援機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制為目標(biāo),建立了煤礦救援機(jī)器人虛擬仿真模型以及井下工作環(huán)境場(chǎng)景,對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行解析動(dòng)態(tài)建模,完成機(jī)器人井下的以巷道為基礎(chǔ)的局部定位,并實(shí)時(shí)更新煤礦救援機(jī)器人井下作業(yè)場(chǎng)景,為機(jī)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(yuǎn)程干預(yù),借助VR技術(shù)充分融合人、機(jī)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(jí)式信息探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)研制

□鄭興，張高峰，王紅旗

摘要：針對(duì)煤礦災(zāi)害救援信息探測(cè)機(jī)器人難以到達(dá)井下災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)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(jí)式信息探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生煤礦災(zāi)害時(shí),該系統(tǒng)一級(jí)運(yùn)載機(jī)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(jìn)時(shí)釋放二級(jí)信息探測(cè)機(jī)器人進(jìn)一步對(duì)災(zāi)害信息進(jìn)行探測(cè)。該系統(tǒng)基于RSSI的改進(jìn)路徑損耗模型設(shè)計(jì),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(shí)驗(yàn)室對(duì)該系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明,雙級(jí)式煤礦信息探測(cè)機(jī)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(yùn)行穩(wěn)定。