采煤機器人研發應用現狀及發展方向

余成剛 陳加勝 艾琦超

(安徽理工大學 安徽 淮南 232001)

引言

工業機器人是當下蓬勃發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、規劃能力、動作能力和協同能力等，是一種具有高度靈活性的自動化機器。機器人的出現和發展使得傳統工業生產發生了翻天覆地的變化。工廠中的傳統機械設備正在被機器人所替代，高度自動化的生產極大提高了生產效率。采煤機器人的研發能夠減少井下工作人員的數量，甚至實現井下無人化開采。采煤設備的機器人化可以大大降低煤炭生產人員傷亡事故頻發的概率，提高煤炭生產的安全性。

一、采煤機器人國內外研發現狀

2020年1月11日，全國煤礦安全生產工作會議表示，近年來我國煤礦智能化建設不斷加快，采煤工作面機器人群已經在煤礦井下應用，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、恒定轉速等截割方式，采煤機的行走和截割聯動能夠實現遠程監測與控制。國內的生產廠家主要有西煤機、上海煤科等公司；國外的生產廠家主要有DBT、艾科夫等公司。目前，采煤機器人的遠程監控代替了綜采工作面機組人工控制，實現了綜采工作面作業遠程智能監控。

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

圖1 第四代采煤機器人調控示意圖

二、采煤機器人研發的主要技術

(一)采煤機器人自主精確導航技術。自主精確導航技術是采煤機器人等煤礦機器人中的關鍵技術之一，利用相關的檢測方法來獲取井下采煤機器人在空間中的位置、方向和所處生產環境等信息，經過相應的算法對所獲取的有關信息進行計算分析以后，構建煤礦井下環境模型進行模擬和機器人行走路線規劃。采煤機器人自主精確導航技術需要從精確定位、路線規劃與避障等方面加以研究和創新。

(二)采煤機器人防爆設計方法。煤礦井下環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，續航能力變差等問題。因此，需要對采煤機器人的結構進行優化，對防爆結構進行輕量化設計，研發質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。采煤機器人在井下作業需要依靠通訊來傳輸數據信息，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的關鍵。中國礦業大學針對無線通訊和有線通訊的優缺點，研發出了有線通訊和無線通訊相結合的井下機器人通訊技術，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的通訊問題提供了參考。

(四)采煤機器人的可靠性技術。煤礦井下作業環境的復雜性和特殊性，一旦采煤機器人出現故障，不僅沒有辦法完成采煤作業任務，而且可能還會引發煤礦事故，這將造成巨大的經濟損失。因此，采煤機器人的可靠性十分重要。其中可靠性技術包含兩個方面，一是采煤機器人結構的可靠性，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構，其結構要具有防爆、防塵、防潮、防水、耐腐蝕等功能；二是采煤機器人控制系統的可靠性，對其運行狀態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。采煤機器人井下作業需要安全、高效的動力能源技術。傳統拖纜式有線供電方式將會導致機器人的作業區域受到局限。而井下復雜環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，亟需研發一種適應于采煤機器人的新型高能量、長續航蓄電池，它具有新型的防爆結構和超輕的隔爆材料，能夠實現安全充放電，滿足井下機器人作業的需求。

三、采煤機器人技術的發展方向

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

(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、姿態監測、煤巖識別、狀態監測與故障預判等功能，實現采煤機自主行走、自適應截割以及高效連續運行。

(三)多傳感器信息融合技術。將多個傳感器所采集的環境信息進行集成處理，形成對外部環境的統一表示。通過各個傳感器之間的冗余數據和互補數據，提高系統的可靠性，擴展其觀測范圍，增強采集數據的可信度和提高系統的分辨率。信息融合技術有利于改善采煤機器人對環境參數的監測以及路線規劃和導航能力，提高控制系統決策、規劃、反應的快速性與準確性，降低決策風險。

(四)采煤機器人模塊化設計。針對采煤機器人實現產業化、大批量、流水線式生產制造等問題，未來采煤機器人需要實現模塊化生產制造，形成系列化產品，降低制造成本。

四、結語

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