煤礦綜采設(shè)備機(jī)器人化技術(shù)研究與設(shè)計(jì)

陳寄圓

摘要：科技的進(jìn)步，促進(jìn)人們對(duì)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(zhì)量發(fā)展的必由之路，其中，機(jī)器人化開采是智能化開采的高級(jí)形式，以特種作業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)工作面機(jī)器人群協(xié)同開采和井下作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)少人化是煤炭開采的發(fā)展方向。圍繞智能化開采生產(chǎn)應(yīng)用，針對(duì)綜采工作面各設(shè)備進(jìn)行機(jī)器人化技術(shù)的系統(tǒng)性研究，開發(fā)工作面設(shè)備機(jī)器人群，可促進(jìn)設(shè)備智能化水平提升。本文就煤礦綜采設(shè)備機(jī)器人化技術(shù)研究與設(shè)計(jì)展開探討。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人化;綜采設(shè)備;智能化

引言

近年來，國(guó)家大力推行自動(dòng)化減人、機(jī)械化換人方針，機(jī)器人技術(shù)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(jī)器人被研制出來，并應(yīng)用于煤礦作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，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(jī)器人系統(tǒng)組成

按照聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）關(guān)于機(jī)器人的定義和一般分類，綜采設(shè)備機(jī)器人化需要具備以下功能：（1）感知能力。煤機(jī)設(shè)備具有環(huán)境工況感知和設(shè)備狀態(tài)感知的能力，能夠在控制指令觸發(fā)下，根據(jù)感知信息的變化，自適應(yīng)調(diào)整運(yùn)行，以適應(yīng)不同工況的需求;（2）可編程執(zhí)行能力。煤機(jī)設(shè)備接受開啟控制指令，依據(jù)外部工況感知信息和內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)感知信息，在控制器程序控制下能夠自動(dòng)運(yùn)行執(zhí)行采煤生產(chǎn)任務(wù)，并能夠通過編程或計(jì)算機(jī)控制人工干預(yù)，對(duì)功能進(jìn)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(shè)備或集控系統(tǒng)互聯(lián)，在集控系統(tǒng)控制指令、人工干預(yù)調(diào)整控制指令或第三方設(shè)備相關(guān)信息數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，自動(dòng)選擇性執(zhí)行滿足智能化開采協(xié)同運(yùn)行的相關(guān)程序，完成工作面智能化開采。綜采設(shè)備機(jī)器人化是在機(jī)電一體化基礎(chǔ)上，在傳感器或各種監(jiān)測(cè)支持設(shè)備的信息數(shù)據(jù)支持下，通過編程控制，使設(shè)備具有一定的感知、學(xué)習(xí)、自主決策、自動(dòng)執(zhí)行和自主調(diào)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(dòng)化生產(chǎn)。按功能組成劃分，煤機(jī)設(shè)備機(jī)器人化可分成控制系統(tǒng)（控制器）、檢測(cè)裝置（傳感器）、驅(qū)動(dòng)裝置（電機(jī)或液壓系統(tǒng)）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（機(jī)械部分）。其中，檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)主要針對(duì)工況環(huán)境感知和智能化控制，是煤機(jī)設(shè)備機(jī)器人化的研究和技術(shù)開發(fā)重點(diǎn)。綜采工作面機(jī)器人群建立在采煤機(jī)機(jī)器人、支護(hù)機(jī)器人、運(yùn)輸機(jī)器人等基礎(chǔ)上，以各單機(jī)設(shè)備為子系統(tǒng)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在巡檢設(shè)備感知信息支持下，通過集控計(jì)算機(jī)程序的協(xié)同聯(lián)動(dòng)和數(shù)據(jù)交互，使成套設(shè)備具有自動(dòng)化、智能化開采能力。

2煤礦輔助運(yùn)輸機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式

與防爆無(wú)軌膠輪車傳統(tǒng)的布置形式不同，煤礦輔助運(yùn)輸機(jī)器人采用無(wú)駕駛室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).煤礦輔助運(yùn)輸機(jī)器人以自動(dòng)駕駛系統(tǒng)為控制中樞，以輪式防爆線控動(dòng)力底盤為移動(dòng)平臺(tái)，通過可更換的多種上裝載具，實(shí)現(xiàn)不同物料在井下運(yùn)輸?shù)臒o(wú)人化。為滿足井下運(yùn)輸作業(yè)需求，適應(yīng)不同的巷道條件，機(jī)器人最大載質(zhì)量為5000kg，最大整機(jī)寬度為2000mm，最大長(zhǎng)度為5000mm，最大高度為1500mm，最高井下作業(yè)車速為20km/h。輪式動(dòng)力底盤的行走、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)等動(dòng)作采用防爆線控技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)底盤運(yùn)動(dòng)的精確控制;同時(shí)，為解決防爆電驅(qū)平臺(tái)長(zhǎng)期存在的續(xù)航問題，該底盤具備動(dòng)力電池快換功能，使機(jī)器人擁有連續(xù)作業(yè)能力。

3煤礦綜采設(shè)備機(jī)器人化技術(shù)研究與設(shè)計(jì)

3.1采煤機(jī)機(jī)器人化

在接受啟動(dòng)指令后，能夠根據(jù)控制工藝指令、煤層感知信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)感知信息，自動(dòng)選擇、適應(yīng)、調(diào)整動(dòng)作完成截割煤工作，并具有工況監(jiān)測(cè)診斷功能。采煤機(jī)機(jī)器人核心功能是記憶截割，當(dāng)前采煤機(jī)處于二代簡(jiǎn)單感知階段，記憶截割是基于采煤機(jī)工作面位置-煤層厚度一維關(guān)系的控制模式，未來隨著煤巖識(shí)別和透明工作面技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)基于煤層厚度-采煤機(jī)三維空間姿態(tài)的自適應(yīng)截割是機(jī)器人化開采的目標(biāo)。在感知層，采煤機(jī)機(jī)器人配置軸編碼器測(cè)量采煤機(jī)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(cè)量搖臂高度;配置傾角傳感器測(cè)量機(jī)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(shù)傳感器等實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)。在控制層，采煤機(jī)機(jī)器人自動(dòng)化程序基于工作面定位、傾角、牽引方向等參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)搖臂高度的記憶截割自動(dòng)調(diào)整。為配合液壓支架實(shí)現(xiàn)不同工藝段如機(jī)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(shè)計(jì)方式，通過采煤機(jī)位置、牽引方向等參數(shù)觸發(fā)不同工藝段程序模塊，組合實(shí)現(xiàn)不同的開采工藝。在交互層，采煤機(jī)將工況數(shù)據(jù)傳輸給集控計(jì)算機(jī)，為第三方設(shè)備如液壓支架控制、采煤機(jī)電纜自動(dòng)拖纜、刮板輸送機(jī)閉鎖等提供依據(jù)，并可通過集控計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和人工干預(yù)。

3.2后臺(tái)管理及診斷技術(shù)

煤礦智能巡檢機(jī)器人在巡檢過程中會(huì)采集到大量數(shù)據(jù)，這些龐大的數(shù)據(jù)若直接上傳后臺(tái)由人工進(jìn)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(jī)器人必須具備后臺(tái)管理和數(shù)據(jù)分析診斷功能。設(shè)計(jì)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(jī)進(jìn)行巡檢工作，實(shí)現(xiàn)了巡檢工作的數(shù)字化管理，但無(wú)法用于巡檢機(jī)器人的數(shù)字化管理。針對(duì)巡檢路徑的特點(diǎn)，提出了融合巡檢圖像分類管理、巡檢任務(wù)管理、分析診斷、數(shù)據(jù)傳輸及局域網(wǎng)于一體的后臺(tái)管理與診斷系統(tǒng)的體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析處理。目前煤礦巡檢機(jī)器人受供電、傳輸技術(shù)等因素的影響，無(wú)法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理或上傳，需要進(jìn)一步研制出更加高效的后臺(tái)管理及在線故障診斷系統(tǒng)。

3.3巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

目前，可應(yīng)用于巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的方式包括有輪式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、履帶式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、懸線式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)以及軌道式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。鑒于煤礦帶式輸送機(jī)所需巡檢的距離較長(zhǎng)、巡檢目標(biāo)相對(duì)單一且巡檢路線固定。本文采用軌道式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制，具體可通過鋼絲繩拖拽驅(qū)動(dòng)和齒輪齒條驅(qū)動(dòng)方式。其中，鋼絲繩拖拽驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)具有控制簡(jiǎn)單、維修方便的優(yōu)勢(shì)，但鑒于煤礦溫差較大在寒冷季節(jié)容易出現(xiàn)結(jié)冰和積水情況影響巡檢機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)，且鋼絲繩拖拽方式不適用于長(zhǎng)距離路線的鋪設(shè)。自驅(qū)動(dòng)式齒條齒輪驅(qū)動(dòng)方式具有可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)。因此，選擇自驅(qū)動(dòng)式齒輪齒條驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制。此外，對(duì)于自驅(qū)動(dòng)式齒輪齒條的驅(qū)動(dòng)方式可將齒條安裝于側(cè)面或底部，而將齒條安裝于側(cè)面的穩(wěn)定性較差且裝配工藝較差，齒條安裝于底部對(duì)系統(tǒng)的裝配要求高。

結(jié)語(yǔ)

未來，智能化技術(shù)是煤炭開采的必由之路，利用智能感知、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，針對(duì)煤機(jī)設(shè)備開展機(jī)器人化技術(shù)開發(fā)，能夠提高自動(dòng)化生產(chǎn)能力，提升煤炭工人的崗位價(jià)值認(rèn)同感，推進(jìn)煤礦安全、智能、高效、綠色發(fā)展新模式。

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