采煤机器人初步调查报告

采煤机器人的研究意义：

机器人是当今世界正蓬勃发展的一个重要领域，它集精密机械力学、光学,

电子学, 传感技术、自动控制技术、信息技术, 计算机技术, 形成一门综合性新技术。机器人的出现和发展将使传统工业生产面貌发生根本性的变化。由于计算机技术的普及和发展, 在世界发达的国家中, 生产方式开始从机械化、自动化跨入人工智能时代。 在工厂中的传球设备正在被机器人所代替, 从而大大地提高劳动生产率。

因此, 工业发达的国家均把机器人技术作为国策, 制订一系列政策和措施来加速机器人技术的发展, 而煤矿中的水灾、火灾、瓦斯和煤尘的爆炸等都直接威胁人的生命, 也是造成煤矿生产条件恶劣、死亡率高的主要因素。减少井下工作人员的数量、甚至实现井下无人生产, 所以在煤矿使用机器人是历史的必然。此外，实现采煤设备的机器人化可彻底改变煤炭生产人员伤亡事故频发的现状, 提高煤炭生产的安全性。由于不需要跟机操作, 机器人化也可在更大程度上提高生产效率。此外, 随着技术的进步和完善, 机器人化还可实现在更恶劣的条件下进行开采, 在更大程度上提高资源开采采出率。因此, 研究适合煤矿特殊环境的矿用工业机器人技术有其重要的意义。

国内外研究现状：

美国智能系统与机器人中心开发的矿井探索机器人 RATLER（Robotic All

Terrain Lunar Exploration Rover），其最初的研发目的是用于月球表面的探测，但用途逐渐扩展，其中之一是用于矿井灾难后的现场探测作业。该机器人（如下图所示）安装了红外摄像机、无线射频信号收发器、危险气体传感器，采用遥控方式控制。1998年，曾在井下进行了试验，无线直线遥控距离为 250 英尺，约合

76 米。但未见其在煤矿应用的新报道。

Simbot 是佛罗里达大学研制的矿井搜索机器人（如下图所示）。这种机器人小巧灵活，携带数字低照度摄像机和基本气体监视组件，可通过一个钻出的小洞钻进矿井，越过碎石和烂泥，并使用其携带的传感器发现受害矿工，探测氧气和甲烷气体含量以及生成矿井地图。

土拨鼠，卡内基梅隆大学机器人研究中心开发的全自主矿井探测机器人（如下图所示），主要用途是探测井下环境，精确绘制井下立体地图。机械结构采用四轮导向、液压驱动，可实现零半径转弯，最高速度可达 10 公里/小时。装备了激光测距传感器、夜视摄像机、气体探测传感器、sinkage 传感器、陀螺仪，能够对矿井下的环境进行综合性的测量，建立立体的矿井的立体模型。

由 Remotec 公司制造的 V2 煤矿救援机器人，大约 50 英寸高，1200 英磅重，使用防爆电动机驱动橡胶履带。安装有导航和监控摄像机、灯、气体传感器和一个机械臂，具有夜视能力和两路语音通讯功能。可在 5000 英尺以外的安全位置远程遥控，使用光纤通讯传送矿井环境信息，操纵者能够看到实时视频信息和易燃、有毒的气体浓度。如下图所示。

我国的搜救机器人技术起步较晚，但是近年来引起了越来越多的关注并取得了一定的成果。

2006 年 6 月，中国矿业大学可靠性工程与救灾机器人研究所研制的

CUMT-Ⅰ型矿井搜救机器人，是我国第一台用于煤矿救援的机器人，如下图所示。该机器人装备有低照度摄像机、气体传感器和温度传感器等设备。能够探测灾害环境，实时传回灾区的瓦斯、一氧化碳、粉尘浓度和温度，以及现场图像等信息；具有双向语音对讲功能，能够使救灾指挥人员与受害者进行快速联络，指挥受伤人员选择最佳的逃生路线；具有无线网络通讯功能；同时还携带有食品、水、药品、救护工具等救助物资，使受害者能够积极开展自救。

哈尔滨工业大学机器人研究所为唐山开诚电器有限公司研制了煤矿井下探测机器人。该机器人为三节履带机构形式，分为驱动部分、摆臂部分和摆腿部分，如下图所示。控制系统分为井下机器人控制系统和井上控制盒遥控系统两部分。井下机器人控制系统实现机构运动控制、井下视频音频信号采集及温度、风速、CO、CH4 传感器的数据采集。井上控制盒遥控系统用于接收井下传来图像及声音信息，并通过两个控制摇杆和控制按键对系统发出控制命令，实现对井下系统的遥控。

2009 年 6 月，河北省唐山市成功研制了矿用抢险探测机器人（如下图所示），该矿用抢险探测机器人具有防爆、越障、涉水、自定位、采集识别和传输各种数据的功能，能进入事故现场采集影像、数据信息，为及时抢险救人提供重要依据和参考。

此外，2006 年 11 月 8 日，山东省科学院自动化研究所联合沈阳新松机器人有限公司申报的山东省年自主创新重大科技专项——井下探险搜救机器人的研究通过审批。该项目将开展适合井下复杂路况和环境的探险搜救机器人的研究，攻克探险搜救机器人瓦斯等气体、环境参数、生命探测以及防水、防爆和无线通讯等关键技术，建立完善的探险搜救机器人开发和试验环境，完成井下探险机器人和搜救机器人的研制和示范应用。

2015年5月4日，中国自主研发的旋转导向系统和随钻测井系统联袂在渤海完成钻井作业，掌握“贪吃蛇”钻井技术，中国在这两个技术领域打破了国际垄断，成为全球第二个同时拥有这两项技术的国家，中国海洋石油总公司也成为全球第四、国内第一个同时拥有这两项技术的企业。

旋转导向系统（RSS）是在钻柱旋转钻进时，随钻实时完成导向功能的一种导向式钻井系统，是20世纪90年代以来定向钻井技术的重大变革。RSS钻进时具有摩阻与扭阻小、钻速高、成本低、建井周期短、井眼轨迹平滑、易调控并可延长水平段长度等特点，被认为是现代导向钻井技术的发展方向。

我国目前已经掌握了贪吃蛇钻井技术，所使用的钻头能在地下几千米的坚硬岩石中自由穿行，找到矿产资源。如下图所示。

采煤机器人目前存在以下的难点问题：

1. 需要适应复杂地形。设计特殊的行走机构，克服井下台阶、斜坡、沟道、碎石等行走障碍。

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，尚未见到有关理论报道及实际产品。

5. 针对急倾斜煤层，需要留设煤柱，这一过程为水下的自动化作业带来了难度。另外，矿井下环境恶劣，采煤机器人要具有防爆、防尘、防水、抗腐蚀等功能以及水下采煤后的运输问题都需要考虑。

6. 能耗问题。对于小功率采煤机器人，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。

7. 多传感器信息融合技术。信息融合是指将多个传感器所提供的环境信息进行集成处理，形成对外部环境的统一表示。通过传感器之间的冗余数据和互补数据，提高系统的可靠性和鲁棒性，扩展时间上和空间上的观测范围，增强数据的可信任度和系统的分辨率。信息融合技术有助于改善机器人环境参数监测、路径规划与导航的能力，提高控制系统决策、规划、反应的快速性和正确性，降低决策风险。

8. 机器人软硬件模块化、标准化技术。机器人作为机电产品，要实现其产业化，必须实施软硬件分离，并将其软硬件模块化、标准化。采用标准化结构，可以提高系统的可靠性，增强系统的可拓展性，容易形成系列化产品。重视机器人研制的技术标准化、模块化，强调研发技术的继承性，能够降低后续研究风险，节约研究经费，提高系统可靠性，有利于产品产业化。