煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

薛光輝， 候稱心， 張云飛， 吳淼

(中國礦業(yè)大學(北京) 機電與信息工程學院， 北京 100083)

0 引言

國際能源署(IEA)報告預(yù)測，到2040年，中國對煤炭的需求將占全球煤炭需求的50%，全球煤炭需求將增加15%。中國能源研究會發(fā)布的《中國能源展望2030》預(yù)測2020、2030年煤炭占比分別為60%和49%[1]。在未來相當長時期內(nèi)，煤炭作為我國主體能源的地位不會改變[2-4]。

隨著煤礦機械化、自動化、信息化、智能化建設(shè)加快推進，我國煤礦安全生產(chǎn)達到了中等發(fā)達國家水平，安全生產(chǎn)環(huán)境得到了很大改善[5]，但仍有很多危險崗位威脅著煤礦工人的安全。煤礦井下破碎、鉆錨、噴涂、調(diào)高、臥底等巷道修復(fù)及物料搬運、管道安裝等作業(yè)，具有裝備自重和裝機功率大、勞動強度高、作業(yè)人員多、危險系數(shù)高等特點，屬于煤礦井下重載作業(yè)。受煤礦井下機械設(shè)備自動化與智能化水平限制，上述高危作業(yè)仍需煤礦工人完成，效率低且危害人身安全。亟需研發(fā)煤礦重載作業(yè)機器人，將煤礦工人從高危繁重的崗位上替換出來，保障生產(chǎn)安全，提高作業(yè)效率。

美、日、韓及歐洲各國在機器人領(lǐng)域的研究起步較早，方向和技術(shù)優(yōu)勢有所分化。我國非常重視機器人研究，在相關(guān)研究領(lǐng)域重點部署了一系列國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)、自然科學基金、科技重大專項資助項目。國際機器人聯(lián)合會(IFR)統(tǒng)計的全球主要國家、地區(qū)工業(yè)機器人銷售數(shù)據(jù)顯示，2013年以來我國已成為工業(yè)機器人的第一大消費市場[6]。由于煤礦井下復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，煤礦重載作業(yè)機器人發(fā)展相對緩慢，其智能化水平還需要進一步提升。

2019年初，國家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布了《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》，聚焦關(guān)鍵崗位、危險崗位，重點研發(fā)應(yīng)用掘進、采煤、運輸、安控和救援5類38種煤礦機器人，并對每種機器人的功能提出了具體要求，在政策層面為煤礦機器人研發(fā)應(yīng)用做出了有力倡導(dǎo)，明確了煤礦機器人重點研發(fā)方向和戰(zhàn)略目標，提出了技術(shù)路徑，引起業(yè)界廣泛關(guān)注[7]。

本文總結(jié)了重載工業(yè)機器人的現(xiàn)狀，以煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人為例，基于煤礦巷道修復(fù)裝備的發(fā)展歷史及存在的主要問題，提出了煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人的概念和功能定位，分析了煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題及發(fā)展趨勢，以期為其研制提供借鑒，為煤礦井下重載作業(yè)裝備的智能化發(fā)展添磚加瓦。

1 重載工業(yè)機器人

高速重載工業(yè)機器人是指末端載荷100 kg以上、末端運行線速度最大值1 m/s以上的工業(yè)機器人，廣泛應(yīng)用于噴涂、焊接、物流搬運、碼垛及重型制造業(yè)的自動化生產(chǎn)行業(yè)[8]。當前，世界上重載工業(yè)機器人60%～80%市場份額被ABB、KUKA、FANUC、安川電機等外國公司占據(jù)[9-10]。我國重載工業(yè)機器人研究起步較晚，但發(fā)展迅速，技術(shù)漸趨成熟，智能化水平逐漸達到世界先進水平。國內(nèi)工業(yè)機器人公司主要有沈陽新松機器人自動化股份有限公司、安川首鋼機器人有限公司、埃夫特智能裝備股份有限公司、南京埃斯頓自動化股份有限公司等。國內(nèi)外重載工業(yè)機器人見表1。

表1 國內(nèi)外重載工業(yè)機器人Table 1 Heavy-duty operation robots at home and abroad

重載工業(yè)機器人發(fā)展迅速，智能化程度較高，但受井下作業(yè)環(huán)境高溫、潮濕、煤塵、有害氣體等限制，難以在煤礦井下應(yīng)用，且重載工業(yè)機器人在固定崗位上定點作業(yè)，無法滿足煤礦井下移動式作業(yè)需求。因此研制煤礦重載作業(yè)機器人面臨較多困難，需要科技工作者聯(lián)合攻關(guān)。

2 煤礦巷道修復(fù)裝備

巷道修復(fù)裝備是一種集破、扒、裝、運為一體的新型煤礦機電設(shè)備[19]，可實現(xiàn)對煤礦井下巷道起鼓、頂?shù)装搴蛢蓭偷钠扑榕c快速裝運，提高巷道治理的機械化程度及安全性。

2005年，我國開始推進煤礦井下巷道修復(fù)裝備研制[20-21]。2013年，中煤科工集團西安研究院有限公司率先研發(fā)成功WPZ-55/50L型煤礦用巷道修復(fù)機，如圖1所示。該裝備主要用于巷道底板修復(fù)治理，兼顧側(cè)幫和頂板修復(fù)施工[22]。整機質(zhì)量為10 t，挖掘?qū)挾?、距離、高度、深度分別為3.45，1.6，3.5，0.67 m，破碎錘沖擊頻率為10～18 Hz，爬坡能力為±15°，工作臂回轉(zhuǎn)角度為±38°。

圖1 WPZ-55/50L 型煤礦用巷道修復(fù)機Fig.1 WPZ-55/50L coal mine roadway repair machine

2014年，沈陽天安科技股份有限公司研制了WPZ-4/80型礦用破碎轉(zhuǎn)載臥底機[23]，如圖2所示。該裝備額定功率為22 kW，最大臥底深度為420 mm，最大卸載高度為1 400 mm，破碎錘沖擊功率為4 kW，外形尺寸為4 400 mm×800 mm×1 100 mm(長×寬×高)，可遙控作業(yè)，保障作業(yè)人員安全。

(a) 臥底機

2014年，石家莊煤礦機械有限責任公司研發(fā)了WPZ-30/400型煤礦用巷道修復(fù)機，如圖3所示。該裝備的工作臂可沿車身軸線旋轉(zhuǎn)±180°，同時配有前推鏟，滿足挖掘、側(cè)掏、翻轉(zhuǎn)、破巖、裝車、起吊等動作要求，實現(xiàn)挖掘毛水溝、臥底、破巖、清理浮煤、清理帶式輸送機底煤、平整巷道及小型配件吊裝等功能。該裝置還可選配鏟斗和破碎錘快換裝置[23-24]。

圖3 WPZ-30/400 型煤礦用巷道修復(fù)機Fig.3 WPZ-30/400 coal mine roadway repair machine

在WPZ-30/400型煤礦用巷道修復(fù)機基礎(chǔ)上，石家莊煤礦機械有限責任公司研制了一款高效率WPZ-60/400型煤礦用多功能臥底機，如圖4所示。該裝備標配卷纜裝置，增強了作業(yè)靈活性，減輕了工人工作強度。其鏟斗容量為0.6 m3，裝載寬度為4 400 mm，卸載高度為2 800 mm，臥底深度為330 mm，爬坡能力為±20°，整機質(zhì)量為8 000 kg。

圖4 WPZ-60/400 型煤礦用多功能臥底機Fig.4 WPZ-60/400 multifunctional coal mine floor excavator

2016年，安華工程機械有限公司研制了WPZ型煤礦用巷道修復(fù)機，如圖5所示。該裝備適用于煤礦巷道修頂、刷幫、臥底，以及水利工程、地下工程、公路和鐵路隧道施工與修復(fù)等[24]。整機質(zhì)量為8 569～9 010 kg，最大挖掘高度為4 200 mm，最大挖掘?qū)挾葹? 770 mm，破碎沖擊能不大于1 000 J，沖擊頻率為10～18 Hz，最大臥底深度為1 150 mm，行走速度為21 km/h，爬坡能力為±16°，裝載能力為50 m3/h。

圖5 WPZ型煤礦用巷道修復(fù)機Fig.5 WPZ coal mine roadway repair machine

文獻[25]介紹了WPZ-75/350 L型全工況模塊化巷道修復(fù)機。該裝備增加了機載臨時支護裝置和可升降工作平臺，可滿足巷道掘進頂板臨時支護及修復(fù)錨固作業(yè)需求。整機質(zhì)量為19 t，總功率為75 kW，挖裝范圍為2.5 m×6 m×5.5 m(長×寬×高)，牽引力為180 kN，挖掘力不小于25 kN，挖臂回轉(zhuǎn)角度為±180°，爬坡能力為±16°，破碎沖擊能為350 J，破碎錘打擊頻率為500～1 000次/min，液壓剪破斷力為320 kN，最大剪斷直徑為25 mm。

文獻[26]介紹了一款經(jīng)濟型巷道修復(fù)機，如圖6所示。整機質(zhì)量為6.8 t，電動機功率為45 kW，爬坡能力為20°，挖掘/破碎寬度為3 553 mm，挖掘/破碎高度為3 580 mm，挖掘/破碎距離為1 500～3 550 mm，挖掘深度為550 mm，破碎錘沖擊能為600 J，工作臂擺動角度為±35°。

圖6 經(jīng)濟型巷道修復(fù)機Fig.6 Economical roadway repair machine

文獻[27]介紹了一種多功能快換式巷道修復(fù)機。整機質(zhì)量為10.2 t，裝機功率為55 kW，裝載能力為50 m3/h，挖掘?qū)挾葹? 770 mm，挖掘高度為5 000 mm，卸載高度為3 200 mm，破碎深度為1 900 mm，通過快換裝置可實現(xiàn)連續(xù)井下作業(yè)。

江西鑫通機械制造有限公司研制了WPZ-37/600型煤礦用巷道修復(fù)機[28]，如圖7所示。整機功率為37 kW，破碎沖擊能為600 J，沖擊頻率為7.5～16 Hz，工作臂可沿車身軸線360°轉(zhuǎn)動，左右擺動角度為±35°(擺動幅度不小于5 000 mm)，上下移動距離為350 mm，工作臂可最低限度貼地面橫向側(cè)掏作業(yè)，配備礦用隔爆型電纜卷筒，能自動收放電纜，安全性和自動化程度更高、靈活性更好。

圖7 WPZ-37/600型煤礦用巷道修復(fù)機Fig.7 WPZ-37/600 coal mine roadway repair machine

2014年至今，煤礦用巷道修復(fù)裝備外形沒有太大改進，大多在功能上進行改善，技術(shù)參數(shù)有所提高，見表2。

表2 當前巷道修復(fù)裝備能達到的技術(shù)指標Table 2 Achieved technical indexes of current roadway repair equipment

巷道修復(fù)裝備目前僅實現(xiàn)了遙控和自動卷纜，智能化水平普遍不高，亟需在滿足臥底、擴幫、側(cè)掏、破碎、剪切等巷道修復(fù)、物料搬運與裝載等作業(yè)功能之外，進一步提高其智能化程度，研發(fā)煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人，使其具有自主定位與導(dǎo)航、自主路徑規(guī)劃和避障、作業(yè)目標自動識別、作業(yè)軌跡自主規(guī)劃和自適應(yīng)作業(yè)、作業(yè)效果和質(zhì)量自主評價等智能化要素，代替人工在煤礦井下進行作業(yè)，以保障井下作業(yè)安全，提高煤礦生產(chǎn)效率。

3 煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人

參考重載工業(yè)機器人，煤礦井下重載作業(yè)機器人應(yīng)具有負載范圍大、運動速度快、自重負載比小、重復(fù)定位精度高等特點。結(jié)合煤礦巷道修復(fù)裝備現(xiàn)狀，定義煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人為具有一定自主或可編程能力，能夠完成調(diào)高、臥底、擴幫、側(cè)掏、破碎、剪切等巷道修復(fù)與清理作業(yè)的智能裝備。其功能定位包括：① 末端有效載荷大于1 000 kg，末端挖掘力不小于25 kN，末端破斷力不小于320 kN，作業(yè)半徑不小于5 m，爬坡能力不小于22°。② 具有自主定位與導(dǎo)航、自主行走路徑規(guī)劃與避障功能。③ 具有一定的作業(yè)目標自主識別能力。④ 具有作業(yè)軌跡自主規(guī)劃和作業(yè)載荷自適應(yīng)能力。⑤ 具有一定的作業(yè)質(zhì)量自主評價能力。

煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人的研究應(yīng)基于當前巷道修復(fù)裝備，充分利用機器人、人工智能和自動控制技術(shù)，針對其作業(yè)類型多樣、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜和作業(yè)空間狹長等特點，研究其底盤結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、作業(yè)機構(gòu)及與行走、作業(yè)相關(guān)的智能感知與控制方法。

4 煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人關(guān)鍵技術(shù)問題

因煤礦井下巷道空間狹促、分布錯綜復(fù)雜、環(huán)境復(fù)雜多變，重載作業(yè)機器人在狹長封閉巷道空間內(nèi)位姿精確感知、行走路徑規(guī)劃與行走控制、作業(yè)軌跡規(guī)劃與運動控制等基礎(chǔ)科學問題[29]尚未有效解決，限制了其在煤炭智能開采中的應(yīng)用。

4.1 狹長封閉巷道空間內(nèi)位姿精確感知

煤礦井下巷道分布錯綜復(fù)雜，空間狹長封閉，沒有GPS信號。當前煤礦井下定位系統(tǒng)多為區(qū)間定位，無法精確實時感知煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人等礦用機器人的位置和航向信息，不能為其自主行走提供導(dǎo)航信息。因此，構(gòu)建煤礦井下定位與導(dǎo)航系統(tǒng)，為井下移動設(shè)備和人員提供實時準確的位置和姿態(tài)信息，是實現(xiàn)煤礦重載作業(yè)機器人自主移動和作業(yè)的前提和基礎(chǔ)。

從目前的技術(shù)發(fā)展情況看，基于UWB(Ultra Wide Band，超寬帶)和慣導(dǎo)技術(shù)的定位與導(dǎo)航系統(tǒng)可實現(xiàn)局部封閉空間的位置和航向信息的實時感知，精度可達數(shù)十毫米級別，已在一些領(lǐng)域得到應(yīng)用，是非常有潛力承擔“井下北斗”重任的技術(shù)。但要達到煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人自主移動的導(dǎo)航要求，還需解決基于UWB技術(shù)的TDOA(Time Difference of Arrival，到達時間)模型算法角定位精度較差、NLOS(Non Line of Signal，非視距信號)誤差大等問題，并研究與慣導(dǎo)技術(shù)的融合算法，提出適用于煤礦巷道重載作業(yè)機器人的改進定位算法，實現(xiàn)精確感知重載作業(yè)機器人在煤礦巷道空間中的位姿，從而進行有效的行走路徑規(guī)劃和作業(yè)軌跡規(guī)劃，并為其行走和作業(yè)智能導(dǎo)控提供參考基準。5G技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用越來越受到煤炭行業(yè)的關(guān)注，其低延時、高帶寬、廣連接的特性可滿足煤礦井下對延時和帶寬的高要求。把5G技術(shù)和定位導(dǎo)航系統(tǒng)進行有機結(jié)合，探索適用于煤礦井下定位與導(dǎo)航系統(tǒng)的方法與途徑，有助于實現(xiàn)煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人行走與作業(yè)。

4.2 行走路徑規(guī)劃與行走控制

煤礦井下巷道地理信息數(shù)據(jù)是已知的，但由于空間狹促，又有隨機出現(xiàn)的行人、車輛與設(shè)備物料等不確定性，要實現(xiàn)煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人自主行走與控制，不僅要考慮成形巷道的確定性，還要考慮移動環(huán)境動態(tài)變化的不確定性，需在已知煤礦巷道地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，完成全局路徑規(guī)劃，同時實時感知機器人所處位置的動態(tài)環(huán)境信息，以實現(xiàn)避障等局部路徑規(guī)劃。這就需要建立含障礙物區(qū)域和自由移動區(qū)域環(huán)境地圖模型及適用于煤礦巷道動態(tài)多變環(huán)境障礙搜索算法，以便實現(xiàn)快速、實時的全局及局部路徑規(guī)劃。將三維激光SLAM(Simultaneous Localization and Mapping，同步定位與地圖繪制)與毫米波雷達應(yīng)用到巷道地圖構(gòu)建技術(shù)中，基于改進LOAM(Laser Odometry and Mapping，激光里程計與地圖繪制)算法、濾波算法實現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)性更高的環(huán)境感知算法，以此建立復(fù)雜巷道空間模型及得到障礙物檢測信息，結(jié)合Dijkstra算法、A*算法等實現(xiàn)煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人行走路徑規(guī)劃及避障，進一步實現(xiàn)整機行走控制。

4.3 作業(yè)軌跡規(guī)劃與運動控制

煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人作業(yè)空間小、負載量大、作業(yè)環(huán)境惡劣，決定了其作業(yè)臂要具有足夠的自由度與剛度。研究有限空間中重載作業(yè)機器人作業(yè)機構(gòu)是高質(zhì)量、高效率完成作業(yè)要求的重要保證；建立典型巷道修復(fù)作業(yè)目標識別數(shù)據(jù)庫，研究基于PnP(Perspective-n-Point，透視n點)算法的2D RGB圖像與3D物體間對應(yīng)關(guān)系，從而獲得作業(yè)對象6D位姿的作業(yè)目標識別方法；根據(jù)巷道修復(fù)作業(yè)工藝，研究基于機器視覺和機器學習的從初始運動狀態(tài)到目標狀態(tài)作業(yè)軌跡規(guī)劃問題，使其在運動過程中平滑穩(wěn)定；采用基于強化學習的自適應(yīng)控制算法，研究機械臂的高效、精準智能導(dǎo)控，以期實現(xiàn)煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人智能作業(yè)要求。

5 煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人發(fā)展趨勢

針對我國煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的問題，煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人的發(fā)展將集中體現(xiàn)在可靠性、智能化和工藝適應(yīng)性等方面[30]。

(1) 提高煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人的可靠性和穩(wěn)定性。重載作業(yè)機器人在封閉狹長巷道中作業(yè)面臨作業(yè)空間局促、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變等難題，且重載作業(yè)具有裝備功率大、勞動強度高、作業(yè)人員多、危險系數(shù)高等特點，因此，要求重載作業(yè)機器人在結(jié)構(gòu)尺寸盡可能小的情況下，其自身結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)具有足夠的可靠性和穩(wěn)定性。

(2) 提高煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人智能化水平。重載作業(yè)機器人主要是在狹長變形巷道中施工作業(yè)，井下環(huán)境存在諸多不可預(yù)測性，因此需要進一步提高重載作業(yè)機器人的智能化水平，完善其安全監(jiān)測功能。未來發(fā)展趨勢是重載作業(yè)機器人能在巷道中實時獲取自身位置和姿態(tài)，時刻感知周圍環(huán)境信息，實時分析接收數(shù)據(jù)，控制整機自主行走與安全避障，使作業(yè)機構(gòu)精準完成作業(yè)，并能對作業(yè)質(zhì)量進行自主評估與提升。

(3) 加強煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人與其他機器人施工工藝匹配。我國煤礦資源分布廣泛，地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道條件不同，井下裝備類型多樣，隨著煤礦機器人的發(fā)展和普及，要求煤礦巷道修復(fù)及其他類型重載作業(yè)機器人與運輸機器人、噴涂機器人、巡檢機器人等進行交互，從而更好地發(fā)揮重載作業(yè)機器人作業(yè)能力，提高作業(yè)效率。

6 結(jié)語

煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)龐大，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，亟需突破當前技術(shù)限制，研發(fā)煤礦重載作業(yè)機器人代替工人完成繁重、高危作業(yè)，提高作業(yè)效率。目前煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人研制進展緩慢，尚處于自動化初級階段，智能化程度普遍不高，面臨位姿精確感知、路徑規(guī)劃與避障、智能化作業(yè)等亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。提高煤礦巷道修復(fù)重載作業(yè)機器人結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的可靠性、智能化水平和工藝適配性是其發(fā)展方向。