《煤矿机器人重点研发目录》发布，一起了解煤矿机器人研究进展

随着多传感器信息融合、多机器人系统、通信系统网络化等技术的发展，煤矿机器人将在我国煤炭工业中实现更加重要的功能。

2019年1月2日，国家煤矿安全监察局公布《煤矿机器人重点研发目录》。《目录》聚焦关键岗位、危险岗位，包括掘进、采煤、运输、安控和救援5类、38种煤矿机器人，对每种机器人的功能提出了具体要求。

我国煤炭开采条件极其复杂，90% 以上的煤炭资源仅适合井工开采，平均开采深度600 m，全国50%以上煤炭储量处于高瓦斯地区。

煤矿生产系统庞大复杂，作业环境恶劣，水、火、煤尘、瓦斯、顶板等灾害多，其非机构化环境使得传统自动化机械的使用受到局限。在煤矿生产部分环节中引入机器人技术对于改善工人作业环境、降低百万吨死亡率、提高生产效率具有重要意义。

煤矿机器人研究现状：

国外煤矿机器人研究起步较早。美国20 世纪80 年代开始将基于计算机远程遥控加局部自治式控制作为非结构化采煤工作环境下机器人的重点发展方向，研制出了计算机控制采煤作业系统及多种特种机器人，如支护机器人、凿岩机器人、装载机器人、采煤机器人、煤矿救灾机器人等。澳大利亚从煤矿机器人传感器系统、导航系统、通信系统等方面，进行了针对煤矿露天开采的拉铲挖掘机、轮斗挖掘机等设备的机器人化工作。

机器人产业是近30 年发展起来的新型产业，我国早在“七五”期间就开始组织专家学者对国际先进机器人全面跟踪、研究和探索。在国家863 计划等资助项目支持下，对包括喷浆机器人、凿岩机器人、采煤机器人、救灾机器人、机器人矿车等在内的多种煤矿机器人进行研究开发。

机器人在煤矿中的应用主要包括以下5类：

1、掘进类

掘进工作面机器人群、掘进机器人、全断面立井盾构机器人、临时支护机器人、钻锚机器人、喷浆机器人、探水钻孔机器人、防突钻孔机器人、防冲钻孔机器人。

2、采煤类

采煤工作面机器人群、采煤机机器人、超前支护机器人、充填支护机器人、露天矿穿孔爆破机器人。

3、运输类

搬运机器人、破碎机器人、车场推车机器人、巷道清理机器人、煤仓清理机器人、水仓清理机器人、选矸机器人、巷道冲尘机器人、井下无人驾驶运输车、露天矿电铲智能远程控制自动装载系统、露天矿卡车无人驾驶系统。

4、安控类

工作面巡检机器人、管道巡检机器人、通风监测机器人、危险气体巡检机器人、自动排水机器人、密闭砌筑机器人、管道安装机器人、皮带机巡检机器人、井筒安全智能巡检机器人、巷道巡检机器人。

5、救援类

井下抢险作业机器人、矿井救援机器人、灾后搜救水陆两栖机器人。

煤矿机器人所面临的主要问题：

对于煤矿机器人的研究，整体上处于理论与试验阶段，在事故处理与救援应用领域研究较多，离大规模应用仍有一定距离。

1、能源动力技术

对于小功率煤矿机器人，采用有线供电可不受机器人尺寸影响，但存在导线压降，需考虑井下电网中谐波对于设备控制的干扰，限制了其作业距离。

电池供电可摆脱导线的限制，但电池性能限制了其续航能力和作业时间。大功率煤矿机器人需提高井下供电品质，保证设备可靠运行。

2、导航技术

导航技术是煤矿机器人等智能移动机器人技术的关键，包括通过一定的检测手段获取移动机器人在空间中的位置、方向以及所处环境的信息，用一定的算法对所获信息进行处理，建立环境模型并进行路径规划。

目前已有移动机器人定位的成熟理论与技术，但对于在煤矿复杂环境下的定位、避障、路径规划等技术有待进一步研究。

3、通信技术

包括机器与人，机器与机器，作业人员与指挥人员的可靠通信。有线通信可靠性高，但同样存在与有线供电一样的问题。井下无线通信，信号受到巷道等屏蔽，传播距离有限，同时需考虑大型设备启停产生的电磁干扰。

4、可靠性技术

由于井下工作环境的复杂性和不可预测性，一旦出现故障，不仅无法完成作业任务，而且可能引发事故，造成巨大损失。其可靠性技术包括2 个方面，一是机器人结构的可靠性，具备机动性和地面适应性好、越障能力强、可靠性高的机械结构，应具有防爆、防尘、防潮、防水、抗腐蚀等功能，解决其密封性与散热的矛盾; 二是煤矿机器人控制系统的可靠性。作为复杂控制系统的故障诊断与容错控制技术，目前已经取得一系列的研究成果，特别是在航空航天系统、核电站系统有许多成功应用，但在煤矿机器人方面的研究成果却非常有限。

煤机装备智能制造及机器人技术研究：

为贯彻落实《智能制造发展规划(2016—2020 年)》和《煤炭工业“ 十三五” 装备制造发展的指导意见》，提升我国煤机装备智能化水平，推动我国煤机装备的关键核心技术攻关，加速先进科技成果产业化，《煤炭科学技术》于2017 年第5期策划了“煤机装备智能制造及机器人技术”专题。

专题跟踪报道国家863 计划项目“面向煤矿灾害救援机器人研究开发与应用”，国家自然科学基金项目“ 基于救生舱的监测机器人数据传输与控制理论研究” 以及国家智能制造装备发展专项等科技成果。以下为专题详情。

■危险环境下救援机器人技术发展现状与趋势

□葛世荣，朱华

摘要：阐述了当前国内外在危险灾变环境下的救援机器人发展现状,总结了救援机器人的关键技术问题,分别对消防救援机器人、地震救援机器人、矿山救援机器人、核事故救援机器人和水下救援机器人的研究现状和应用情况进行了分析,并对每种机器人技术进行了总结,归纳得出:危险环境下救援机器人的共性关键技术包括4种能力,即良好的移动性能、感知能力、通信能力与续航能力。同时,针对不同救援机器人的应用环境,指明了各自所面临的核心问题,并指出随着技术的发展,不论是哪种机器人,救援功能的集成化、救援行为的自主化、救援任务的协同化与救援装备的轻量化都将是其发展方向。

■基于Ethernet/IP综采机器人一体化智能控制平台设计

□黄曾华，南柄飞，张科学，冯银辉

摘要：为提供煤矿综采装备成套解决方案,联合相关采、支、运等制造及控制厂家,集成综采工作面成套装备、技术和Ethernet/IP通信协议,设计了综采机器人一体化智能控制平台系统;研究了综采机器人控制技术,建立了三维环境复杂约束条件下的综采工作面控制模型,提出了综采工作面内"1人巡视、无人操作"的采煤模式;建立了综采一体化控制中心,设计了综采设备通信接口和协议标准方案,实现了综采机器人控制设备安全生产。最后,通过在煤矿综采过程中运行该系统平台,使基于Ethernet/IP综采机器人一体化智能控制平台较好地实现了安全、高效生产。

■液压支架机器人智能焊接生产线研发与应用

□任怀伟

摘要：为提升液压支架焊接加工质量和生产效率,改善工人劳动环境,研发了液压支架焊接机器人智能焊接加工生产线。攻克了分层多道焊接、激光传感、格子间变形适应等关键技术,有效改进了机器人与液压支架焊接的适应性;研制了焊接机器人外部轴、工件夹具、生产线控制、智能物流等系统及装置,实现了工件自动上下料、型号自动识别、结构件全方位焊接等功能;基于MES制造执行系统建立了车间级的智能化生产管理系统,实现了整个车间的统一管理和数字化生产。车间级的智能化生产管理系统在山能重装塔高公司工业性试验6个月,应用结果表明:焊接效率提高100%,人员减少70%,自动焊接产品质量稳定一致,满足生产智能化、流程自动化、管理信息化的发展要求。

■基于截齿截割红外热像的采煤机煤岩界面识别研究

□张强，王海舰，郭桐，刘永凤

摘要：为实现采煤机截割过程中煤岩界面的有效动态识别,测试和提取不同煤岩比例条件下截齿截割的红外热图像,分析截齿表面温度场分布规律与截割闪温特征,得到不同煤岩比例条件下截齿截割温度特征数据库,建立基于最小模糊度优化的采煤机煤岩界面动态识别模型。试验结果表明:截齿在截割不同比例煤岩试件时,齿尖均产生突兀的瞬时闪温区,岩石比例越大,其闪温值越高。该系统可实现煤岩界面的在线、精确动态识别,可为提高采煤机的截割效率和实现滚筒智能调高控制提供重要的技术手段和理论依据。

■基于视频的煤矿带式输送机自动调速控制系统

□陶伟忠

摘要：为满足变频带式输送机载煤量自动匹配调速控制的要求,实现节能降耗,研发了一种基于视频的矿井带式输送机自动调速控制。该系统使用数字摄像仪,利用视频图像处理技术动态获取带式输送机上的瞬时煤量;结合矿井运输系统的拓扑结构,自动计算物料(煤)的运输长度,建立运输系统模型,获取煤流动态分布情况;在此基础上,自动调整变频器的转速,实现带式输送机速度与运输煤量匹配。在中国神华神东公司哈拉沟煤矿运行结果表明:该系统运行稳定,在满足实际生产的条件下,有效地将变频带式输送机的平均转速降至86%,达到了节能降耗、延长输送带寿命、提高经济效益的目的。

■刮板输送机链传动系统动力学分析

□曾庆良，王刚，江守波

摘要：为解决刮板输送机链传动系统动力学分析中建模困难、耗时费力的问题,在ANSYS/LS-DYNA软件中,利用APDL语言建立了刮板输送机链传动系统的参数化有限元模型,并实现了参数化动力学分析,可研究各种型号的刮板输送机在不同工况下的运行情况。以某刮板输送机为例,分析了不同转速下链轮和链条的动力学响应:链窝底部存在较大的接触力,以提供链环转矩;链轮转速越大,链条振动加剧,频率增大,振幅增加,对链轮产生更大的冲击;链环与链轮啮合过程中存在接触滑移。最后根据仿真结果提出了优化改进建议。

■刮板输送机飘链故障诊断技术研究

□董刚，马宏伟，南源桐，马琨

摘要：针对刮板输送机在其弯曲区段容易发生的飘链问题,提出了一种基于卷积神经网络和支持向量机的声音信号识别模型,该模型以经过PCA白化处理的综采工作面设备声音运行声音的声谱图为输入,由深度CNN网络提取声音信号的特征,并以SVM分类器实现对声音信号的识别,最终实现对刮板输送机飘链故障的诊断。同时推导了以SVM为输出层的深度CNN网络模型在训练时误差反向传播时输出层对全连接层的敏感度函数,并通过试验发现了对输入的声音信号进行不同时长的切分作为模型输入时,对CNN-SVM模型识别率产生影响的规律,最后通过对比试验验证了此模型确实比传统的GMM-HMM模型具有更高的识别准确率。

■煤矿井下数字化钻进技术发展现状与趋势

□张建明，曹明，陈晓明

摘要：在分析现有煤矿井下钻进工艺装备的基础上,从随钻测量、状态监测和钻机控制3个方面综述了井下数字化钻进关键技术的国内研究现状。探讨了煤矿井下数字化钻进技术的发展方向,提出了精确导向钻进、钻机自动控制、远程故障诊断、钻场智能管理等未来研究的重点,以及相应的实现方法与关键技术。最后指出,我国煤矿井下钻进技术与装备发展方向。

■基于虚拟现实的煤矿救援机器人远程控制技术

□张旭辉，董润霖，马宏伟，杜昱阳，毛清华，王川伟，薛旭升，马琨

摘要：针对当前煤矿井下救援机器人自主导航效率低下,难以满足矿难时效性的救援要求,提出了一种基于虚拟现实(VR)的煤矿救援机器人远程控制方案,以虚拟仿真技术、智能检测与控制、远程通信、环境动态建模等技术为基础,以煤矿救援机器人的远程控制为目标,建立了煤矿救援机器人虚拟仿真模型以及井下工作环境场景,对传感器数据进行解析动态建模,完成机器人井下的以巷道为基础的局部定位,并实时更新煤矿救援机器人井下作业场景,为机器人自主控制增加了判据。此方案定位于复杂工况下有效的人工远程干预,借助VR技术充分融合人、机和环境信息,可有效提升井下矿难救援效率。

■煤矿灾害救援双级式信息探测机器人系统研制

□郑兴，张高峰，王红旗

摘要：针对煤矿灾害救援信息探测机器人难以到达井下灾害现场的现状,研制一种新的基于井下避难硐室的煤矿灾害救援双级式信息探测机器人系统。当发生煤矿灾害时,该系统一级运载机器人从避难硐室附近出发,沿煤矿巷道顶板预设的工字钢轨道行驶,直到无法继续前进时释放二级信息探测机器人进一步对灾害信息进行探测。该系统基于RSSI的改进路径损耗模型设计,解决了受限空间的无线通信不畅和中继设备安放间隔难以确定的问题。煤矿巷道仿真实验室对该系统测试结果表明,双级式煤矿信息探测机器人在井下通信顺畅,图像数据传输清晰连续,系统运行稳定。