2022年07月11日來(lái)源：環(huán)球印象(www.zcqtz.com)搜集整理

       隨著科技的不斷進(jìn)步和對(duì)機(jī)器人代替人類工作的不斷需求,人工智能在煤礦的研究和應(yīng)用得到了快速發(fā)展.《中國(guó)制造2025》發(fā)展規(guī)劃提出,要實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機(jī)器人替代、生產(chǎn)過程智能控制以及建設(shè)重點(diǎn)領(lǐng)域智能工廠,未來(lái)的煤礦將實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人化,這為智能煤礦發(fā)展提供了借鑒性指導(dǎo).在我國(guó)《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》中,明確了要提升煤炭開發(fā)效率和智能化水平,研發(fā)高效建井、快速掘進(jìn)、智能化工作面等技術(shù),重點(diǎn)煤礦區(qū)基本實(shí)現(xiàn)工作面無(wú)人化,全國(guó)采煤機(jī)械化程度達(dá)到95％以上.

       煤礦機(jī)器人是依靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)完成各種采礦操作任務(wù)的機(jī)器.評(píng)判煤礦機(jī)器人的性能水平包含3個(gè)因素,一是智能因素,是指記憶、運(yùn)算、比較、判斷、決策、學(xué)習(xí)和邏輯推理等感知能力;二是機(jī)能因素,是指變通性、通用性或空間占有性等運(yùn)動(dòng)能力;三是物理能因素,是指力、速度、可靠性和壽命等負(fù)載能力.

圖1?采礦工具發(fā)展歷程

       根據(jù)控制能力的自主程度,煤礦機(jī)器人可分為一般煤礦機(jī)器人和智能煤礦機(jī)器人.一般煤礦機(jī)器人是僅有一般編程能力和操作功能的機(jī)器人,可認(rèn)為是一種針對(duì)特定采礦任務(wù)而有可編程動(dòng)作的特殊機(jī)器.智能煤礦機(jī)器人是自控機(jī)器人,它具有較為齊全和可靠的傳感器和執(zhí)行器,能夠像礦工一樣自主完成各類采礦作業(yè)任務(wù),它應(yīng)具備3個(gè)要素,即感知要素、反應(yīng)要素和決策要素.
       1、機(jī)器人將開創(chuàng)智能采礦新時(shí)代
      通常把機(jī)器人技術(shù)發(fā)展分為三代.優(yōu)質(zhì)代機(jī)器人指只有操作器(手)的機(jī)器人,以可編程序或示教再現(xiàn)方式工作,不具有對(duì)外界信息的反饋能力.第二代機(jī)器人指裝備各種傳感器(如力覺、觸覺、視覺等)的機(jī)器人,在一定程度上能感知客觀環(huán)境的變化及動(dòng)作的結(jié)果,即具有對(duì)外部信息的反饋能力,能適應(yīng)客觀環(huán)境的變化.第三代機(jī)器人指智能機(jī)器人.智能機(jī)器人裝有豐富的傳感器,并將人工智能技術(shù)與機(jī)器人相結(jié)合,使機(jī)器人不僅能夠感知環(huán)境,而且能夠建立并適時(shí)修正環(huán)境模型,然后根據(jù)確定的任務(wù),以實(shí)時(shí)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行問題求解,作出決策及制訂規(guī)劃,并且具有一定的學(xué)習(xí)功能,它具有高度的自適應(yīng)性及自治功能.

       按照替代功能和應(yīng)用領(lǐng)域劃分,機(jī)器人大致可分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人3類.工業(yè)機(jī)器人指具有焊接、切割、搬運(yùn)、涂裝、包裝和碼垛等功能的機(jī)器人;服務(wù)機(jī)器人包括能夠?yàn)槿祟愄峁┘艺?wù)、醫(yī)療服務(wù)和公共服務(wù)的機(jī)器人;特種機(jī)器人則是指在軍事、救災(zāi)、極地、高危作業(yè)以及采礦等領(lǐng)域所使用的機(jī)器人.

圖2?掘進(jìn)工作面機(jī)器人群示意圖

       在采礦業(yè)中,機(jī)器人將逐漸代替礦工的勞動(dòng),從幾千年前的人工挖煤,到100多年前的動(dòng)力助人采煤,再到幾十年前的機(jī)械化替人采煤,發(fā)展到今天的自動(dòng)化減人開采,而且最終采礦業(yè)會(huì)實(shí)現(xiàn)無(wú)人智能化開采.隨著自動(dòng)化程度的提高,生產(chǎn)效率得到了極大的提高.采礦工具發(fā)展歷程如圖1所示.
       采礦行業(yè)中有很多崗位是高危崗位,如果機(jī)器人能夠替代礦工去完成這些高危作業(yè),將從根源上解決煤炭行業(yè)的安全生產(chǎn)問題.煤礦事故死亡人數(shù)占比較高的危險(xiǎn)崗位主要分布在掘進(jìn)、采煤、運(yùn)輸、電氣、檢修、巡檢等作業(yè)地點(diǎn).這些危險(xiǎn)崗位的井下礦工人數(shù)占到近60％,而事故死亡人數(shù)高達(dá)85％.如果這些高危崗位被機(jī)器人所替代,那么將會(huì)在提高生產(chǎn)效率的同時(shí),極大程度地降低因煤礦生產(chǎn)事故而死亡的人數(shù).

       2019年1月,為了推動(dòng)工業(yè)機(jī)器人、智能裝備在危險(xiǎn)工序和環(huán)節(jié)替代應(yīng)用,國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布了《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》,聚焦關(guān)鍵崗位、危險(xiǎn)崗位,重點(diǎn)研發(fā)應(yīng)用掘進(jìn)、采煤、運(yùn)輸、安控和救援5類、38種煤礦機(jī)器人,并對(duì)每種機(jī)器人的功能提出了基本要求.

圖3?掘進(jìn)機(jī)器人示意圖

       掘進(jìn)類機(jī)器人包括掘進(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;采煤類機(jī)器人包括采煤工作面機(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)器人和露天礦穿孔爆破機(jī)器人;運(yùn)輸類機(jī)器人包括搬運(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(cāng)清理機(jī)器人、水倉(cāng)清理機(jī)器人、選矸機(jī)器人、巷道沖塵機(jī)器人、井下無(wú)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(wú)人駕駛系統(tǒng);安控類機(jī)器人包括工作面巡檢機(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;救援類機(jī)器人包括井下?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.
      2、煤礦機(jī)器人研發(fā)、應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展方向
      2.1    掘進(jìn)類機(jī)器人
      2.1.1    掘進(jìn)工作面機(jī)器人群

      掘進(jìn)工作面機(jī)器人群屬于掘、支、錨、運(yùn)一體化智能機(jī)組,它由截割系統(tǒng)、臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、裝運(yùn)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)組成,具有掘錨平行作業(yè)、多臂鉆錨支護(hù)、連續(xù)破碎運(yùn)輸、長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)和遠(yuǎn)程操控等特點(diǎn).掘進(jìn)工作面機(jī)器人群具有掘進(jìn)機(jī)位姿自動(dòng)檢測(cè)、掘進(jìn)機(jī)截割軌跡優(yōu)化、自適應(yīng)截割、自主糾偏等特點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)自移式掘進(jìn)－支護(hù)－錨固－運(yùn)輸聯(lián)合機(jī)組的自動(dòng)作業(yè).

圖4?采煤工作面機(jī)器人群示意圖

       中國(guó)礦業(yè)大學(xué)主持的國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)的掘進(jìn)工作面機(jī)器人群如圖2所示.這是針對(duì)在現(xiàn)有綜掘巷道掘、支、錨的串行作業(yè)中存在的支護(hù)時(shí)間遠(yuǎn)大于掘進(jìn)時(shí)間以及支錨作業(yè)安全隱患大等難題,基于機(jī)器人化掘、支、錨聯(lián)合作業(yè)提出的機(jī)器人化掘支錨并行作業(yè)新工藝,它突破了支護(hù)時(shí)間過長(zhǎng)的技術(shù)瓶頸,可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)、錨固并行作業(yè)的無(wú)人化操作,掘支時(shí)間比例從原1：2或1：3縮減到1：04,支護(hù)效率提高了5倍以上,掘支總效率提高約25倍以上.
       2.1.2    掘進(jìn)機(jī)器人

       掘進(jìn)機(jī)器人是在掘進(jìn)機(jī)上安裝有激光測(cè)距儀、激光標(biāo)靶、線激光發(fā)射器、扇面激光發(fā)射器和雙軸傾角傳感器等傳感裝置,具備定位導(dǎo)航、糾偏、多參數(shù)感知、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)判、遠(yuǎn)程干預(yù)等功能.掘進(jìn)機(jī)器人示意圖如圖3所示,它作為國(guó)家863重點(diǎn)項(xiàng)目研究成果,已在石家莊煤機(jī)公司批量制造.

圖5?采煤工作面機(jī)器人群控制系統(tǒng)

       在掘錨機(jī)器人方面,連續(xù)采煤機(jī)加裝掘錨一體化功能,配有4臺(tái)頂錨桿機(jī)和2臺(tái)幫錨桿機(jī),成巷速度可提高65％以上,施工循環(huán)時(shí)間在30min以內(nèi),正常的日進(jìn)尺為40-50m,月進(jìn)尺1000-1200m.還有一種懸臂掘進(jìn)機(jī)的掘錨一體機(jī),在懸臂掘進(jìn)機(jī)上加裝液壓鉆臂,煤巷掘進(jìn)后對(duì)頂板及側(cè)幫快速、安全地錨桿支護(hù),提高掘進(jìn)效率,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度.
       盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)也可認(rèn)為是一種巷道盾構(gòu)機(jī)器人,它在隧道施工中比較常見,現(xiàn)階段也被應(yīng)用在煤礦的掘進(jìn)施工中.巷道盾構(gòu)機(jī)器人具有切削土體、輸送土碴、拼裝襯砌、導(dǎo)向糾偏等自動(dòng)化作業(yè)功能.國(guó)家能源集團(tuán)新疆澇壩灣煤礦副井采用了這種盾構(gòu)機(jī)器人,盾構(gòu)長(zhǎng)度為5845m;新街臺(tái)閣廟1＃礦的斜井盾構(gòu)長(zhǎng)度為6553m,很大埋深為390m;神東補(bǔ)連塔煤礦斜井盾構(gòu)長(zhǎng)度為2745m,坡度為－55°,很大埋深為280m,開挖直徑為762m,井筒凈直徑為66m;澳大利亞AngloＧAmerican煤礦井下斜巷盾構(gòu)施工長(zhǎng)度為300m.
       2.1.3    鉆錨機(jī)器人

       瑞典Atlas Copco公司研制的Boomer鉆孔機(jī)器人鉆進(jìn)速度可以達(dá)到16m/min,是常用的人工氣腿式鑿巖機(jī)的10倍;日本東洋公司生產(chǎn)的鉆孔機(jī)器人的定位誤差能夠達(dá)到小于50mm的水平,定位時(shí)間為25-40s;法國(guó)的Montabert公司生產(chǎn)的鉆孔機(jī)器人定位誤差僅為10mm,鉆壁一次定位時(shí)間約10s.

圖6?第四代采煤機(jī)器人五調(diào)控示意圖

       法國(guó)Secoma公司研發(fā)生產(chǎn)的鉆裝臺(tái)車,錨支能力可達(dá)到每班60-80根錨桿;瑞典Atlas Copco公司研制的錨桿鉆裝臺(tái)車,鉆裝能力為15-30根/h;澳大利亞HYDRAMATIC公司四鉆臂錨桿鉆機(jī)具有支護(hù)速度快的特點(diǎn),能夠滿足快速掘進(jìn)的支護(hù)要求.同時(shí),我國(guó)三一重工集團(tuán)和石家莊煤機(jī)公司也生產(chǎn)國(guó)產(chǎn)鉆裝機(jī).
        2.1.4    噴漿機(jī)器人
       噴漿機(jī)器人可替代人工噴漿操作,能解決濕噴臺(tái)車操控復(fù)雜、操控技能要求高、機(jī)手勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題.噴漿機(jī)器人的覆蓋寬度為25m、高度為32m,無(wú)死角,施工效率高,噴嘴末端軌跡跟蹤誤差＜12cm,位置感知誤差＜2％.山東科技大學(xué)研制出了噴漿機(jī)器人,中聯(lián)重工研制出了混凝土濕噴臺(tái)車.
       2.2    采煤類機(jī)器人
       2.2.1    采煤工作面機(jī)器人群
       采煤工作面機(jī)器人群由機(jī)器人化截割、機(jī)器人化支護(hù)、機(jī)器人化導(dǎo)運(yùn)和機(jī)器人化轉(zhuǎn)運(yùn)四大機(jī)組構(gòu)成.采煤工作面機(jī)器人群實(shí)現(xiàn)智能化無(wú)人操作,除了要具備采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)的單機(jī)智能運(yùn)行之外,還要實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架之間的智能協(xié)同控制;其次,還要實(shí)現(xiàn)智能破碎機(jī)、智能轉(zhuǎn)載機(jī)、智能帶式輸送機(jī)的自適應(yīng)調(diào)控及其與機(jī)群的自協(xié)同調(diào)控;最后是設(shè)備狀態(tài)、故障的地面監(jiān)控遠(yuǎn)程感知.采煤工作面機(jī)器人群示意圖如圖4所示,采煤工作面機(jī)器人群控制系統(tǒng)如圖5所示.
       2.2.2    采煤機(jī)器人
       當(dāng)前的采煤機(jī)器人主要是智能化采煤機(jī),它處于示教和簡(jiǎn)單感知的后二代機(jī)器人水平,具有記憶割煤功能以及恒功率、恒扭矩、恒轉(zhuǎn)速等截割方式,采煤機(jī)行走與截割聯(lián)動(dòng)控制,能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化控制.國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家主要有太重煤機(jī)、西安重裝和天地科技等公司;國(guó)外生產(chǎn)廠家主要有久益、艾柯夫和DBT等公司.目前,采煤機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控替代了綜采機(jī)組人工控制,實(shí)現(xiàn)了綜采作業(yè)遠(yuǎn)程控制,地面遠(yuǎn)程控制距離可達(dá)10km,井下硐室監(jiān)控距離能夠達(dá)到1km,采取手持遙控距離為05km.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)主持的國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目,研制出具有5種調(diào)控功能的第四代采煤機(jī)器人,它以大功率永磁直聯(lián)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng),能夠智能識(shí)別截割的煤巖界面,具有自主調(diào)高、自主調(diào)速、自主推進(jìn)、自主調(diào)直和自主糾偏等智能運(yùn)行能力.第四代采煤機(jī)器人五調(diào)控示意圖如圖6所示.
       2.2.3    支護(hù)機(jī)器人

       液壓支架屬于一種程序化控制的承載連桿機(jī)械臂    目前已達(dá)到一般機(jī)器人的水平,它能夠自動(dòng)跟隨采煤機(jī)移動(dòng)位置而根據(jù)預(yù)設(shè)的動(dòng)作參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拉架、推溜、收打護(hù)幫板等動(dòng)作.目前,國(guó)內(nèi)有天地瑪珂和鄭州煤機(jī)可生產(chǎn)此類支護(hù)機(jī)器人或控制器,國(guó)外生產(chǎn)廠家有德國(guó)MARCO公司、EEP公司、蒂芬巴赫公司和美國(guó)JOY公司.

圖7?支護(hù)機(jī)器人與頂板智能耦合示意圖

       由于煤礦深部開采的圍巖具有高應(yīng)力、強(qiáng)采動(dòng)和復(fù)雜地質(zhì)條件的特點(diǎn),智能支護(hù)機(jī)器人需根據(jù)地質(zhì)條件與礦壓規(guī)律變化,實(shí)現(xiàn)最佳支護(hù)狀態(tài)和姿態(tài)的自適應(yīng)調(diào)控.以地質(zhì)條件、開采技術(shù)條件、設(shè)備工況、支架工作阻力及圍巖變形量等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),建立多信息融合的圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)預(yù)警海量數(shù)據(jù)中心,實(shí)現(xiàn)礦壓監(jiān)測(cè)信息與液壓支架動(dòng)作信息的實(shí)時(shí)共享.由此,實(shí)現(xiàn)支護(hù)機(jī)器人的自適應(yīng)群組協(xié)同控制.
      支護(hù)機(jī)器人姿態(tài)與圍巖、頂煤實(shí)現(xiàn)智能耦合,才能實(shí)現(xiàn)支架姿態(tài)智能調(diào)整.布置在頂梁、底座、掩護(hù)梁的傾角傳感器檢測(cè)支架頂梁、底座和掩護(hù)梁的傾角,布置在立柱和平衡千斤頂內(nèi)的壓力傳感器檢測(cè)支架立柱和平衡千斤頂?shù)氖芰χ?將上述信息22傳遞給液壓支架姿態(tài)運(yùn)算處理器,可自動(dòng)算出該姿態(tài)支架的合力作用點(diǎn)的位置,將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送到液壓支架參數(shù)設(shè)定比較轉(zhuǎn)換裝置,由支架控制器執(zhí)行立柱自動(dòng)補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)液支架頂梁與頂板的智能耦合.支護(hù)機(jī)器人與頂板智能耦合示意圖如圖7所示.
       2.3    運(yùn)輸類機(jī)器人

       智能運(yùn)輸系統(tǒng)是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、電子控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等有效地綜合運(yùn)用于運(yùn)輸裝備及其運(yùn)行管理,從而建立起的一個(gè)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效、安全的綜合運(yùn)輸系統(tǒng).采礦智能運(yùn)輸系統(tǒng)是基于感知礦山、物聯(lián)網(wǎng)、可靠性、無(wú)人駕駛、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、自適應(yīng)調(diào)度等先進(jìn)技術(shù)于一體的安全高效、無(wú)人化的運(yùn)載系統(tǒng).

圖8?煤礦智能化無(wú)人駕駛系統(tǒng)示意圖

       煤礦智能開采需要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化無(wú)人駕駛的礦井“兩車三機(jī)”(即電機(jī)車、運(yùn)輸車、提升機(jī)、帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī))系統(tǒng).煤礦運(yùn)輸可有兩種無(wú)人駕駛方式:一種是完全無(wú)人駕駛方式(ManＧless);另一種是有人但不參與駕駛方式(DriveＧless),當(dāng)運(yùn)輸機(jī)器出現(xiàn)故障或因救援而需要人工駕駛時(shí),人工承擔(dān)駕駛職能.煤礦智能化無(wú)人駕駛系統(tǒng)示意圖如圖8所示.
       2.3.1    機(jī)器人化礦井提升機(jī)

       大型礦井提升機(jī)屬于弱約束摩擦驅(qū)動(dòng)、大變形的強(qiáng)振動(dòng)系統(tǒng),要實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛自動(dòng)化運(yùn)行,必須具備很多智能機(jī)器人的操作功能,例如智能摩擦驅(qū)動(dòng)輪(猶如人的鞋底對(duì)摩擦穩(wěn)定性的調(diào)控)、智能制動(dòng)器(猶如手指拿捏物體時(shí)的摩擦力調(diào)控)、智能防墜機(jī)械臂(猶如人的手臂托舉重物時(shí)的緩沖力調(diào)控)、推車機(jī)器人(猶如人力推進(jìn)車輛時(shí)的速度力量協(xié)調(diào)控制)、托罐機(jī)械手(猶如人抬舉工件對(duì)接時(shí)的空間位置調(diào)控).深井提升系統(tǒng)的智能機(jī)器人功能示意圖如圖9所示.

圖9?深井提升系統(tǒng)的智能機(jī)器人功能示意圖

       大同煤礦集團(tuán)麻家梁煤礦的礦井提升系統(tǒng)開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)大功率、千萬(wàn)噸級(jí)礦井全自動(dòng)無(wú)人駕控提升系統(tǒng)建設(shè)先例:

      (1)電氣控制實(shí)現(xiàn)了整個(gè)提升系統(tǒng)的全自動(dòng)化操作.提升電機(jī)采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù),具有伺服調(diào)控性能,實(shí)現(xiàn)快速且穩(wěn)定的力矩控制;
      (2)主井箕斗提升的帶式輸送機(jī)、給煤機(jī)、定量斗、卸載閘門的操作全自動(dòng)化完成;副井罐籠提升的罐籠門、承接裝置、裝車系統(tǒng)的操作也可全自動(dòng)化完成;
      (3)智能制動(dòng)采用恒減速度制動(dòng)控制方式,每個(gè)制動(dòng)單元設(shè)置傳感器對(duì)閘瓦間隙、閘襯磨損和彈簧狀況在線監(jiān)測(cè),所有制動(dòng)器均為并聯(lián)冗余儲(chǔ)備,控制管路均為雙路;
      (4)安全監(jiān)控具有絕緣監(jiān)視設(shè)備、提升速度和位置判斷、上過卷和下過卷保護(hù)、過速保護(hù)、提升機(jī)閉鎖回路、旁路保護(hù)和連鎖保護(hù)等安全保護(hù)控制回路.
      上述技術(shù)使礦井提升機(jī)進(jìn)入不駕駛方式(Driveless)階段,提升機(jī)司機(jī)主要負(fù)責(zé)設(shè)備巡檢和運(yùn)行監(jiān)視等工作.
      2.3.2機(jī)器人化主運(yùn)帶式輸送機(jī)
      井下大型帶式輸送機(jī)的機(jī)器人化控制是基于帶式輸送機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng),體現(xiàn)為啟動(dòng)自適應(yīng)、張緊自適應(yīng)、負(fù)載自適應(yīng)、驅(qū)動(dòng)自均衡、故障自診斷5個(gè)方面.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)與北京百正創(chuàng)源公司聯(lián)合研發(fā)出機(jī)器人化帶式輸送機(jī)系統(tǒng),滾筒驅(qū)動(dòng)采用永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù),張緊系統(tǒng)采用永磁變頻張緊技術(shù),整個(gè)系統(tǒng)通過綜合控制裝置執(zhí)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的智能感知控制策略.該系統(tǒng)具有智能全工況調(diào)速控制、智能多點(diǎn)多機(jī)動(dòng)態(tài)負(fù)載調(diào)配與平衡控制、智能力矩調(diào)節(jié)和輸送帶打滑抑制、智能張力控制及張緊驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)前饋控制、智能化運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制等功能.超長(zhǎng)運(yùn)距輸送帶運(yùn)輸系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)及張緊運(yùn)行無(wú)需人為干預(yù),實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化操作.該系統(tǒng)已在伊泰集團(tuán)紅慶河礦井的可伸縮帶式輸送機(jī)投入運(yùn)行,運(yùn)輸距離為5060m,運(yùn)量為3000t/h.永磁智能張緊與滾筒永磁直驅(qū)成套控制系統(tǒng)已在昊華精煤高家梁礦投入運(yùn)行.
      2.3.3?機(jī)器人化刮板輸送機(jī)

       刮板輸送機(jī)在采煤工作面起著舉足輕重的作用,它既承擔(dān)轉(zhuǎn)運(yùn)回采煤炭的運(yùn)載任務(wù),還具有采煤機(jī)行進(jìn)導(dǎo)軌的作用,以及牽引液壓支架移步的功能.因此,刮板輸送機(jī)智能化水平不僅影響本機(jī)自主運(yùn)行而且決定采煤機(jī)和液壓支架的智能控制.

圖10?刮板輸送機(jī)智能控制及“三機(jī)”協(xié)同控制原理圖

          綜采工作面“三機(jī)”協(xié)同控制是指工作面的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架相互交換信息,根據(jù)三者當(dāng)前的狀態(tài)相互配合并緊密協(xié)同工作,其原理如圖10所示.
  “三機(jī)”協(xié)同控制器包括以下4個(gè)模塊:
        (1)“三機(jī)”傳感信息集成模塊,通過多傳感信息的融合和集成,實(shí)現(xiàn)對(duì)“三機(jī)”工作狀態(tài)的正確判斷和故障診斷;
        (2)“三機(jī)”工作參數(shù)匹配模塊,基于對(duì)“三機(jī)”工作狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確感知,實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)的運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化匹配設(shè)置;
        (3)“三機(jī)”協(xié)調(diào)控制決策模塊,實(shí)現(xiàn)“三機(jī)”協(xié)調(diào)作業(yè)的自適應(yīng)調(diào)控;
        (4)工作面環(huán)境參數(shù)集成模塊,實(shí)現(xiàn)工作面環(huán)境和“三機(jī)”關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、設(shè)置故障狀態(tài)預(yù)警參數(shù)以及實(shí)時(shí)報(bào)警等.
       2.3.4?無(wú)人駕駛礦用運(yùn)輸車

      無(wú)人駕駛汽車是一種智能汽車,屬于輪式移動(dòng)機(jī)器人,主要依靠車內(nèi)以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為主的智能駕駛儀來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛.井下無(wú)軌膠輪運(yùn)輸車的自動(dòng)駕駛技術(shù)必須具有自主定位導(dǎo)航、自主測(cè)速、智能識(shí)別控制信號(hào)、智能避障控制以及自適應(yīng)巡航控制等功能.井下膠輪車定位導(dǎo)航技術(shù)系統(tǒng)示意圖如圖11所示.

圖11?井下膠輪車定位導(dǎo)航技術(shù)系統(tǒng)示意圖

       目前,瑞典沃爾沃公司已研發(fā)出金屬礦的井下FMX 無(wú)人駕駛運(yùn)輸卡車,在瑞典Boliden 礦井(深1.32km)測(cè)試行駛7km.我國(guó)北京礦冶研究院和中信重工也在從事相關(guān)技術(shù)研發(fā),北京礦冶研究總院研發(fā)的地下無(wú)人駕駛鏟運(yùn)車能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地下鏟運(yùn)車的實(shí)時(shí)定位,還可以確定鏟運(yùn)車的行駛姿態(tài),以人工示教方式得到自主導(dǎo)航期望路徑,同步記錄下司機(jī)的加減油門、加減檔、方向盤轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向速度等操作技巧,實(shí)現(xiàn)智能化導(dǎo)航控制.
       相對(duì)于無(wú)人駕駛乘用車,無(wú)人駕駛礦車在露天礦的發(fā)展速度更快.目前,國(guó)外多家公司已初步實(shí)現(xiàn)L4級(jí)別的無(wú)人駕駛礦車,率先在露天礦投入運(yùn)營(yíng).2008年日本小松公司將無(wú)人駕駛自卸車用于澳大利亞鐵礦,可實(shí)現(xiàn)1.5km 之外的遠(yuǎn)程監(jiān)管無(wú)人駕駛運(yùn)輸,只需為每輛車設(shè)定運(yùn)輸目的地,車輛便以低于60km/h速度自動(dòng)運(yùn)輸作業(yè),至今已累計(jì)運(yùn)輸近20億t礦石.

       2019年1月,我國(guó)北方重工業(yè)集團(tuán)研制出一臺(tái)NTE120AT 無(wú)人駕駛電動(dòng)輪礦車, 車長(zhǎng)為10m、寬為5.5 m、高為5.7 m,載重為110t,可完成倒車入位、?？俊⒆詣?dòng)傾卸、軌跡運(yùn)行、自主避障等自動(dòng)駕駛?cè)蝿?wù).2019年4月,新一代無(wú)人駕駛框架運(yùn)輸車在梅山鋼鐵公司運(yùn)行,這是環(huán)球優(yōu)質(zhì)臺(tái)自然導(dǎo)航無(wú)人駕駛冶金框架運(yùn)輸車.該車很大載重量可達(dá)180t,定位精度可達(dá)1cm,車輛在道路上的橫向/縱向位置精度可達(dá)20cm,空間坐標(biāo)控制精度可達(dá)2cm,在無(wú)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)環(huán)境下,車輛仍可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航定位.2019 年5 月,中國(guó)移動(dòng)與包頭鋼鐵集團(tuán)在包鋼白云鄂博鐵礦建設(shè)環(huán)球首個(gè)基于5G網(wǎng)絡(luò)支持的無(wú)人駕駛礦車工程應(yīng)用項(xiàng)目,無(wú)人駕駛礦車高為6.8m,載重為170t,能夠?qū)崿F(xiàn)車輛遠(yuǎn)程操控、車路融合定位、精準(zhǔn)?？?、自主避障等功能.

圖12?KQR48礦用偵測(cè)機(jī)器人

       此外,我國(guó)井下軌道電機(jī)車也實(shí)現(xiàn)了無(wú)人駕駛.據(jù)報(bào)道,湘電重型裝備公司研發(fā)的65t無(wú)人駕駛電機(jī)車,在云南普朗銅礦運(yùn)行,牽引重量超過600t,提高了4倍生產(chǎn)效率;2018年5月,無(wú)人駕駛電機(jī)車在金川集團(tuán)龍首礦1703水平運(yùn)行,運(yùn)行效率提高35％,每班運(yùn)量增加超過300t,電機(jī)車司機(jī)減少8人.
       2.4?安控類機(jī)器人
       2.4.1?工作面巡檢機(jī)器人
       在生產(chǎn)巡檢方面,黃陵一號(hào)煤礦應(yīng)用的綜采工作面巡檢機(jī)器人將高清攝像儀和高分辨率的紅外熱成像攝像儀合為一體,替代井下巡檢人員;神南檸條塔礦業(yè)公司的帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)聲音、溫度、圖像等數(shù)據(jù)記錄、分析并實(shí)時(shí)上傳,這兩項(xiàng)應(yīng)用都達(dá)到了自動(dòng)化減人和提高檢測(cè)準(zhǔn)確率的目的.
       2.4.2?井巷巡檢機(jī)器人
       井筒安全智能巡檢機(jī)器人的基本要求為:研發(fā)井筒安全智能巡檢機(jī)器人,具備自主井壁爬行、環(huán)境參數(shù)檢測(cè)、支護(hù)缺陷與危險(xiǎn)源識(shí)別、井壁裂紋等狀態(tài)評(píng)估和預(yù)警,提升建設(shè)期及服役期井筒的安全保障能力.在巷道巡檢方面,目前也有相應(yīng)機(jī)器人的研發(fā),同樣也是將巷道現(xiàn)場(chǎng)圖像、溫度等數(shù)據(jù)記錄、分析并實(shí)時(shí)上傳.
       2.5?救援類機(jī)器人
       2.5.1?井下?lián)岆U(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人
       井下?lián)岆U(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人在巷道塌方、堵塞等狹小空間進(jìn)行快速搶險(xiǎn)救援作業(yè),應(yīng)具備自主行走、精確定位、井下環(huán)境識(shí)別、挖掘、鉆擴(kuò)、運(yùn)送、遠(yuǎn)程遙控等功能,實(shí)現(xiàn)搶險(xiǎn)作業(yè)無(wú)人化.井下?lián)岆U(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人的主要作用就是代替人工去清堵、清淤、清道.瑞典Brokk 公司制造出小尺寸破拆機(jī)器人,作業(yè)效率是手持風(fēng)鎬的8倍,可用于煤倉(cāng)清堵作業(yè).
      2.5.2?礦井救援機(jī)器人

       礦井救援機(jī)器人主要用于煤礦井下發(fā)生水災(zāi)、火災(zāi)及瓦斯災(zāi)害之后的救援行動(dòng),應(yīng)具備自主行走、導(dǎo)航定位、被困人員生命探測(cè)、音視頻交互、緊急救護(hù)物資輸送等功能,實(shí)現(xiàn)害后的惡劣環(huán)境被困人員自主搜尋.1998年美國(guó)研發(fā)出世界上優(yōu)質(zhì)臺(tái)井下救援機(jī)器人,2006年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制出中國(guó)優(yōu)質(zhì)臺(tái)礦山救援機(jī)器人.目前,我國(guó)取得MA標(biāo)志的井下探測(cè)機(jī)器人有唐山開誠(chéng)集團(tuán)研制的KQR48礦用偵測(cè)機(jī)器人(如圖12所示)和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制的ZR 礦用探測(cè)機(jī)器人(如圖13 所示).

圖13?ZR礦用探測(cè)機(jī)器人

       近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)救援機(jī)器人研究十分活躍.根據(jù)事故類型的不同,救援機(jī)器人可以分為消防救援機(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.美國(guó)、德國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于消防機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了一些成果,例如德國(guó)的LUF60消防機(jī)器人得到了實(shí)際應(yīng)用.我國(guó)從1997年開始對(duì)消防機(jī)器人進(jìn)行研發(fā),2002年上海強(qiáng)師消防裝備有限公司成功研制我國(guó)優(yōu)質(zhì)臺(tái)消防滅火機(jī)器人.最近,中國(guó)中信重工開誠(chéng)智能裝備有限公司研制的消防機(jī)器人可拖動(dòng)2條60m 長(zhǎng)充滿水的80型水帶行走,能夠遠(yuǎn)程控制消防炮回轉(zhuǎn)、俯仰,具有大流量、高射程、多種噴射方式,具有互聯(lián)網(wǎng)功能、遠(yuǎn)程診斷功能、環(huán)境探測(cè)功能、熱眼檢測(cè)功能、聲音采集功能、圖像采集功能、自主避障功能等.
      3、結(jié)語(yǔ)
       機(jī)器人將開創(chuàng)煤礦智能發(fā)展的美好未來(lái).我國(guó)制造業(yè)規(guī)模大、市場(chǎng)廣、門類多、需求緊,在勞動(dòng)力成本逐漸減弱的現(xiàn)實(shí)狀況下,面對(duì)諸多環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大的工作環(huán)境,市場(chǎng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的需求將日漸變得緊迫.在龐大的市場(chǎng)需求的推動(dòng)下,國(guó)產(chǎn)機(jī)器人水平正在迅速提升,在已有良好的基礎(chǔ)上,我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正面臨一個(gè)快速發(fā)展和提升的關(guān)鍵期.
       煤炭在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有舉足輕重的地位,一切事物都始于采礦,煤炭開采在機(jī)器人應(yīng)用方面也同樣擁有較大的需求和市場(chǎng),未來(lái)的煤礦生產(chǎn)將逐步趨于機(jī)器人化,成為一個(gè)人工智能非常強(qiáng)大的工業(yè)領(lǐng)域.在未來(lái)的煤礦,我們將不再看到滿面煤灰的煤礦工人們,替代他們的將是一批智能化的機(jī)器人礦工.到那時(shí),我國(guó)煤礦生產(chǎn)將很大限度地解除各類安全隱患,節(jié)省成本,提高效率.
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