煤礦綜采設備機器人化技術研究與設計

陳寄圓

摘要：科技的進步，促進人們對煤炭需求的增多。安全、智能、綠色、高效和清潔利用發(fā)展成為煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的必由之路，其中，機器人化開采是智能化開采的高級形式，以特種作業(yè)機器人實現(xiàn)工作面機器人群協(xié)同開采和井下作業(yè)現(xiàn)場少人化是煤炭開采的發(fā)展方向。圍繞智能化開采生產應用，針對綜采工作面各設備進行機器人化技術的系統(tǒng)性研究，開發(fā)工作面設備機器人群，可促進設備智能化水平提升。本文就煤礦綜采設備機器人化技術研究與設計展開探討。

關鍵詞：機器人化;綜采設備;智能化

引言

近年來，國家大力推行自動化減人、機械化換人方針，機器人技術得到了飛速發(fā)展，越來越多的低成本、高效率、高可靠性的煤礦智能巡檢機器人被研制出來，并應用于煤礦作業(yè)現(xiàn)場，替代人工巡檢，有效地解決了人工巡檢存在的不足。

1綜采工作面機器人系統(tǒng)組成

按照聯(lián)合國標準化組織（ISO）關于機器人的定義和一般分類，綜采設備機器人化需要具備以下功能：（1）感知能力。煤機設備具有環(huán)境工況感知和設備狀態(tài)感知的能力，能夠在控制指令觸發(fā)下，根據感知信息的變化，自適應調整運行，以適應不同工況的需求;（2）可編程執(zhí)行能力。煤機設備接受開啟控制指令，依據外部工況感知信息和內部運行狀態(tài)感知信息，在控制器程序控制下能夠自動運行執(zhí)行采煤生產任務，并能夠通過編程或計算機控制人工干預，對功能進行修改，以滿足不同工藝需求;（3）協(xié)同交互能力。通過交互接口與第三方設備或集控系統(tǒng)互聯(lián)，在集控系統(tǒng)控制指令、人工干預調整控制指令或第三方設備相關信息數據驅動下，自動選擇性執(zhí)行滿足智能化開采協(xié)同運行的相關程序，完成工作面智能化開采。綜采設備機器人化是在機電一體化基礎上，在傳感器或各種監(jiān)測支持設備的信息數據支持下，通過編程控制，使設備具有一定的感知、學習、自主決策、自動執(zhí)行和自主調整等能力，能夠滿足不同采煤工藝、不同變化工況條件需求而自動化生產。按功能組成劃分，煤機設備機器人化可分成控制系統(tǒng)（控制器）、檢測裝置（傳感器）、驅動裝置（電機或液壓系統(tǒng)）、執(zhí)行機構（機械部分）。其中，檢測裝置和控制系統(tǒng)主要針對工況環(huán)境感知和智能化控制，是煤機設備機器人化的研究和技術開發(fā)重點。綜采工作面機器人群建立在采煤機機器人、支護機器人、運輸機器人等基礎上，以各單機設備為子系統(tǒng)或執(zhí)行機構，在巡檢設備感知信息支持下，通過集控計算機程序的協(xié)同聯(lián)動和數據交互，使成套設備具有自動化、智能化開采能力。

2煤礦輔助運輸機器人的結構形式

與防爆無軌膠輪車傳統(tǒng)的布置形式不同，煤礦輔助運輸機器人采用無駕駛室的結構設計.煤礦輔助運輸機器人以自動駕駛系統(tǒng)為控制中樞，以輪式防爆線控動力底盤為移動平臺，通過可更換的多種上裝載具，實現(xiàn)不同物料在井下運輸的無人化。為滿足井下運輸作業(yè)需求，適應不同的巷道條件，機器人最大載質量為5000kg，最大整機寬度為2000mm，最大長度為5000mm，最大高度為1500mm，最高井下作業(yè)車速為20km/h。輪式動力底盤的行走、轉向和制動等動作采用防爆線控技術，以實現(xiàn)自動駕駛系統(tǒng)對底盤運動的精確控制;同時，為解決防爆電驅平臺長期存在的續(xù)航問題，該底盤具備動力電池快換功能，使機器人擁有連續(xù)作業(yè)能力。

3煤礦綜采設備機器人化技術研究與設計

3.1采煤機機器人化

在接受啟動指令后，能夠根據控制工藝指令、煤層感知信息、設備運行狀態(tài)感知信息，自動選擇、適應、調整動作完成截割煤工作，并具有工況監(jiān)測診斷功能。采煤機機器人核心功能是記憶截割，當前采煤機處于二代簡單感知階段，記憶截割是基于采煤機工作面位置-煤層厚度一維關系的控制模式，未來隨著煤巖識別和透明工作面技術的突破，實現(xiàn)基于煤層厚度-采煤機三維空間姿態(tài)的自適應截割是機器人化開采的目標。在感知層，采煤機機器人配置軸編碼器測量采煤機沿工作面走向精確位置和牽引速度;配置軸編碼器或油缸位移傳感器測量搖臂高度;配置傾角傳感器測量機身俯仰采傾角等;另外還配置流量壓力傳感器、液溫液位傳感器、壓差傳感器、電氣參數傳感器等實現(xiàn)對運行工況監(jiān)測。在控制層，采煤機機器人自動化程序基于工作面定位、傾角、牽引方向等參數實現(xiàn)對搖臂高度的記憶截割自動調整。為配合液壓支架實現(xiàn)不同工藝段如機頭截割三角煤、中部直刀、清浮煤等，記憶截割一般采用模塊化的程序設計方式，通過采煤機位置、牽引方向等參數觸發(fā)不同工藝段程序模塊，組合實現(xiàn)不同的開采工藝。在交互層，采煤機將工況數據傳輸給集控計算機，為第三方設備如液壓支架控制、采煤機電纜自動拖纜、刮板輸送機閉鎖等提供依據，并可通過集控計算機進行遠程控制和人工干預。

3.2后臺管理及診斷技術

煤礦智能巡檢機器人在巡檢過程中會采集到大量數據，這些龐大的數據若直接上傳后臺由人工進行分類管理及診斷，不僅增加了通信系統(tǒng)的傳輸壓力，而且增加了人工處理的工作量，因此，煤礦智能巡檢機器人必須具備后臺管理和數據分析診斷功能。設計了基于GPS衛(wèi)星定位的輸電線路巡檢管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要依靠巡檢人員攜帶手持機進行巡檢工作，實現(xiàn)了巡檢工作的數字化管理，但無法用于巡檢機器人的數字化管理。針對巡檢路徑的特點，提出了融合巡檢圖像分類管理、巡檢任務管理、分析診斷、數據傳輸及局域網于一體的后臺管理與診斷系統(tǒng)的體系架構，實現(xiàn)了對采集數據的實時分析處理。目前煤礦巡檢機器人受供電、傳輸技術等因素的影響，無法對采集的數據進行實時處理或上傳，需要進一步研制出更加高效的后臺管理及在線故障診斷系統(tǒng)。

3.3巡檢機器人驅動系統(tǒng)

目前，可應用于巡檢機器人驅動的方式包括有輪式驅動結構、履帶式驅動結構、懸線式驅動結構以及軌道式驅動結構。鑒于煤礦帶式輸送機所需巡檢的距離較長、巡檢目標相對單一且巡檢路線固定。本文采用軌道式驅動結構實現(xiàn)對巡檢機器人的驅動控制，具體可通過鋼絲繩拖拽驅動和齒輪齒條驅動方式。其中，鋼絲繩拖拽驅動結構具有控制簡單、維修方便的優(yōu)勢，但鑒于煤礦溫差較大在寒冷季節(jié)容易出現(xiàn)結冰和積水情況影響巡檢機器人的驅動，且鋼絲繩拖拽方式不適用于長距離路線的鋪設。自驅動式齒條齒輪驅動方式具有可靠性高、環(huán)境適應性好、結構緊湊等優(yōu)勢。因此，選擇自驅動式齒輪齒條驅動方式實現(xiàn)對巡檢機器人的驅動控制。此外，對于自驅動式齒輪齒條的驅動方式可將齒條安裝于側面或底部，而將齒條安裝于側面的穩(wěn)定性較差且裝配工藝較差，齒條安裝于底部對系統(tǒng)的裝配要求高。

結語

未來，智能化技術是煤炭開采的必由之路，利用智能感知、人工智能、物聯(lián)網等技術，針對煤機設備開展機器人化技術開發(fā)，能夠提高自動化生產能力，提升煤炭工人的崗位價值認同感，推進煤礦安全、智能、高效、綠色發(fā)展新模式。

參考文獻

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