中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授 博士生導(dǎo)師 朱華
今年1月2日國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布2019年第1號(hào)公告,要求大力研發(fā)應(yīng)用煤礦機(jī)器人,并公布了《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》。目錄列出了針對(duì)采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸、安控、救援等5類共38種煤礦井下機(jī)器人。這38種煤礦機(jī)器人的功能各不相同,但在研發(fā)應(yīng)用過(guò)程中將會(huì)遇到共同的技術(shù)問(wèn)題,即:防爆、行走、通訊、自主、標(biāo)準(zhǔn)等5個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。其中標(biāo)準(zhǔn)既是技術(shù)問(wèn)題,又是政策法規(guī)問(wèn)題。
防爆,和其他煤礦機(jī)電設(shè)備一樣,煤礦機(jī)器人首先必須解決好防爆問(wèn)題。防爆設(shè)計(jì)對(duì)于煤礦機(jī)電設(shè)備并不困難,但對(duì)煤礦井下移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō),目前的防爆設(shè)計(jì)方法將造成機(jī)器人的體積重量增大,這將會(huì)增加移動(dòng)所需的功率,這對(duì)機(jī)器人動(dòng)力電池的容量提出了更高的要求。而簡(jiǎn)單增大電池體量,又會(huì)進(jìn)一步增加機(jī)器人的整體重量,導(dǎo)致機(jī)器人動(dòng)力不足,續(xù)航能力變差。要解決這一問(wèn)題,必須要對(duì)煤礦機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,對(duì)隔爆結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。同時(shí)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的機(jī)器人防爆材料。
行走。解決了機(jī)器人防爆的問(wèn)題,如何讓機(jī)器人在井下走得動(dòng)、走得穩(wěn)、走得遠(yuǎn),是煤礦機(jī)器人第二個(gè)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。針對(duì)煤礦井下地形復(fù)雜、障礙多,需要研發(fā)地形適應(yīng)性好、越障能力強(qiáng)的機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦山機(jī)器人研究所多年來(lái)研發(fā)了多種不同類型的煤礦機(jī)器人行走機(jī)構(gòu),最近研發(fā)成功的煤礦災(zāi)后環(huán)境探測(cè)與救援機(jī)器人,采用了彈簧履帶式行走機(jī)構(gòu),能夠攀爬30度陡坡、20cm高臺(tái)階、50cm寬壕溝,涉水深度達(dá)到30cm。
通訊。煤礦機(jī)器人在井下作業(yè),需要依靠通訊來(lái)傳輸數(shù)據(jù)和圖像信息,而煤礦巷道縱橫交錯(cuò),加上巷道煤巖對(duì)信號(hào)有強(qiáng)力的吸收作用,使得煤礦井下通訊十分困難。因此,通訊問(wèn)題是煤礦機(jī)器人需要解決的又一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)針對(duì)無(wú)線通訊方式會(huì)產(chǎn)生信號(hào)失真和傳輸延時(shí),以及有線通訊方式通訊線纜過(guò)重,通訊距離受限的實(shí)際,研發(fā)了有線通訊和無(wú)線通訊相結(jié)合的井下機(jī)器人通訊技術(shù),有效拓展了機(jī)器人的通訊距離。為解決井下機(jī)器人群協(xié)同和遠(yuǎn)距離作業(yè)的通訊問(wèn)題提供了新的思路。
自主。煤礦機(jī)器人應(yīng)該實(shí)現(xiàn)自主行走和自主作業(yè),但在地形復(fù)雜、照度低、無(wú)GPS以及存在信號(hào)屏蔽干擾的井下環(huán)境中,要實(shí)現(xiàn)自主或部分自主都是非常困難的。因此,自主問(wèn)題是煤礦機(jī)器人研發(fā)應(yīng)用中最具挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。煤礦井巷地圖構(gòu)建,機(jī)器人精確定位,路徑規(guī)劃與避障,以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精確控制是解決煤礦移動(dòng)機(jī)器人自主行走的有效技術(shù)途徑,必須通過(guò)不斷研發(fā),逐步加以解決。
標(biāo)準(zhǔn)。煤礦機(jī)器人屬于煤炭生產(chǎn)中的高新技術(shù)裝備,在煤礦機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用中必然要遇到標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。沒(méi)有各類各種煤礦機(jī)器人的通用技術(shù)條件,就不知如何設(shè)計(jì)煤礦機(jī)器人；沒(méi)有各類各種煤礦機(jī)器人的檢測(cè)檢驗(yàn)方法,就不知如何評(píng)價(jià)煤礦機(jī)器人。因此,在煤礦機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用中,必須重視和加快機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)制定和體系建設(shè),這對(duì)加快煤礦機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用具有十分重要的意義。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)早在2009年就在國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局立項(xiàng)起草了《礦用救災(zāi)探測(cè)機(jī)器人通用技術(shù)條件》草案，以及《礦用救災(zāi)探測(cè)機(jī)器人綜合移動(dòng)性能測(cè)試方法》，庫(kù)卡機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器維修，庫(kù)卡機(jī)器人何服電機(jī)維修，《礦用救災(zāi)探測(cè)機(jī)器人通訊系統(tǒng)測(cè)試方法》等4部測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)草案,雖然至今尚未正式發(fā)布,但對(duì)不同煤礦機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)的制定具有一定的參考價(jià)值。
總之,煤礦機(jī)器人研發(fā)應(yīng)用中需要解決好機(jī)器人的防爆、行走、通訊、自主、標(biāo)準(zhǔn)等5個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。在解決機(jī)器人防爆問(wèn)題時(shí),為避免機(jī)器人過(guò)于笨重,需重視輕質(zhì)、高強(qiáng)的機(jī)器人防爆材料的開(kāi)發(fā)。在解決機(jī)器人井下行走難的問(wèn)題時(shí),可以探索飛行和仿生等機(jī)器人移動(dòng)技術(shù)。對(duì)于《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》中所列的38種煤礦機(jī)器人,大多數(shù)機(jī)器人的通訊可以利用井下現(xiàn)有的通訊系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),但對(duì)于災(zāi)后偵測(cè)和救援機(jī)器人,由于現(xiàn)有通訊設(shè)施遭到破壞,機(jī)器人必須自行解決通訊問(wèn)題。煤礦機(jī)器人的自主問(wèn)題是一個(gè)有較大難度且在短時(shí)間內(nèi)難以完全實(shí)現(xiàn)的目標(biāo),只能通過(guò)不斷研發(fā)來(lái)逐步實(shí)現(xiàn)。在沒(méi)有實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主行走或自主作業(yè)之前,只要機(jī)器人滿足了前三個(gè)要求,通過(guò)遙控方法照樣能讓機(jī)器人在井下發(fā)揮作用。同時(shí),為加快煤礦機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用,必須重視和加快煤礦機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)制定和標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。(張楠 繆久田 施喜書(shū) 范興馳 整理)
，庫(kù)卡機(jī)器人