中国矿业大学教授 博士生导师 朱华
今年1月2日国家煤矿安全监察局发布2019年第1号公告,要求大力研发
应用煤矿
机器人,并公布了《煤矿机器人重点研发目录》。目录列出了针对采煤、掘进、运输、安控、救援等5类共38种煤矿井下机器人。这38种煤矿机器人的功能各不相同,但在研发应用过程中将会遇到共同的技术问题,即:防爆、行走、通讯、自主、标准等5个关键技术问题。其中标准既是技术问题,又是政策法规问题。
防爆,和其他煤矿机电设备一样,煤矿机器人首先必须解决好防爆问题。防爆设计对于煤矿机电设备并不困难,但对煤矿井下移动机器人来说,目前的防爆设计方法将造成机器人的体积重量增大,这将会增加移动所需的功率,这对机器人动力电池的容量提出了更高的要求。而简单增大电池体量,又会进一步增加机器人的整体重量,导致机器人动力不足,续航能力变差。要解决这一问题,必须要对煤矿机器人进行结构优化,对隔爆结构进行轻量化设计。同时试验开发质量轻、强度高的机器人防爆材料。
行走。解决了机器人防爆的问题,如何让机器人在井下走得动、走得稳、走得远,是煤矿机器人第二个需要解决的关键技术问题。针对煤矿井下地形复杂、障碍多,需要研发地形适应性好、越障能力强的机器人行走机构。中国矿业大学矿山机器人研究所多年来研发了多种不同类型的煤矿机器人行走机构,最近研发成功的煤矿灾后环境探测与救援机器人,采用了弹簧履带式行走机构,能够攀爬30度陡坡、20cm高台阶、50cm宽壕沟,涉水深度达到30cm。
通讯。煤矿机器人在井下作业,需要依靠通讯来传输数据和图像信息,而煤矿巷道纵横交错,加上巷道煤岩对信号有强力的吸收作用,使得煤矿井下通讯十分困难。因此,通讯问题是煤矿机器人需要解决的又一个关键技术问题。中国矿业大学针对无线通讯方式会产生信号失真和传输延时,以及有线通讯方式通讯线缆过重,通讯距离受限的实际,研发了有线通讯和无线通讯相结合的井下机器人通讯技术,有效拓展了机器人的通讯距离。为解决井下机器人群协同和远距离作业的通讯问题提供了新的思路。
自主。煤矿机器人应该实现自主行走和自主作业,但在地形复杂、照度低、无GPS以及存在信号屏蔽干扰的井下环境中,要实现自主或部分自主都是非常困难的。因此,自主问题是煤矿机器人研发应用中最具挑战性的关键技术问题。煤矿井巷地图构建,机器人精确定位,路径规划与避障,以及机器人运动精确控制是解决煤矿移动机器人自主行走的有效技术途径,必须通过不断研发,逐步加以解决。
标准。煤矿机器人属于煤炭生产中的高新技术装备,在煤矿机器人的研发应用中必然要遇到标准问题。没有各类各种煤矿机器人的通用技术条件,就不知如何设计煤矿机器人；没有各类各种煤矿机器人的检测检验方法,就不知如何评价煤矿机器人。因此,在煤矿机器人的研发应用中,必须重视和加快机器人的标准制定和体系建设,这对加快煤矿机器人的研发应用具有十分重要的意义。中国矿业大学早在2009年就在国家安全生产监督管理总局立项起草了《矿用救灾探测机器人通用技术条件》草案，以及《矿用救灾探测机器人综合移动性能测试方法》，《矿用救灾探测机器人通讯系统测试方法》等4部测试标准草案,虽然至今尚未正式发布,但对不同煤矿机器人标准的制定具有一定的参考价值。
总之,煤矿机器人研发应用中需要解决好机器人的防爆、行走、通讯、自主、标准等5个关键技术问题。在解决机器人防爆问题时,为避免机器人过于笨重,需重视轻质、高强的机器人防爆材料的开发。在解决机器人井下行走难的问题时,可以探索飞行和仿生等机器人移动技术。对于《煤矿机器人重点研发目录》中所列的38种煤矿机器人,大多数机器人的通讯可以利用井下现有的通讯系统来实现,但对于灾后侦测和救援机器人,由于现有通讯设施遭到破坏,机器人必须自行解决通讯问题。煤矿机器人的自主问题是一个有较大难度且在短时间内难以完全实现的目标,只能通过不断研发来逐步实现。在没有实现机器人的自主行走或自主作业之前,只要机器人满足了前三个要求,通过遥控方法照样能让机器人在井下发挥作用。同时,为加快煤矿机器人的研发应用,必须重视和加快煤矿机器人的标准制定和标准体系建设。(张楠 缪久田 施喜书 范兴驰 整理)
