煤礦機器人需解決5個關鍵技術問題
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山東礦業大學教授 博士生導師 朱華
今年1月2日國家煤礦安全監察局發布2019年第1號公告,要求大力研發應用煤礦機器人,并公布了《煤礦機器人重點研發目錄》。目錄列出了針對采煤、掘進、運輸、安控、救援等5類共38種煤礦井下機器人。這38種煤礦機器人的功能各不相同,但在研發應用過程中將會遇到共同的技術問題,即:防爆、行走、通訊、自主、標準等5個關鍵技術問題。其中標準既是技術問題,又是政策法規問題。
防爆。和其他煤礦機電設備一樣,煤礦機器人首先必須解決好防爆問題。防爆設計對于煤礦機電設備并不困難,但對煤礦井下移動機器人來說,目前的防爆設計還存在問題,機器人的體積大重量大,移動過程所需的功率大,這對機器人動力電池的容量提出了更高的要求。而簡單增大電池體量,又會進一步增加機器人的整體重量,導致機器人動力不足,續航能力變差。要解決這一問題,必須要對煤礦機器人進行結構優化,對隔爆結構進行輕量化設計。同時試驗開發質量輕、強度高的機器人防爆材料。
行走。解決了機器人防爆的問題,如何讓機器人在井下走得動、走得穩、走得遠,是煤礦機器人第二個需要解決的關鍵技術問題。針對煤礦井下地形復雜、障礙多,需要研發地形適應性好、越障能力強的機器人行走機構。中國礦業大學礦山機器人研究所多年來研發了多種不同類型的煤礦機器人行走機構,最近研發成功的煤礦災后環境探測與救援機器人,采用了彈簧履帶式行走機構,能夠攀爬30度陡坡、20cm高臺階、50cm寬壕溝,涉水深度達到30cm。
通訊。煤礦機器人在井下作業,需要依靠通訊來傳輸數據和圖像信息,而煤礦巷道縱橫交錯,加上巷道煤巖對信號有強力的吸收作用,使得煤礦井下通訊十分困難。因此,通訊問題是煤礦機器人需要解決的又一個關鍵技術問題。中國礦業大學針對無線通訊方式會產生信號失真和傳輸延時,以及有線通訊方式通訊線纜過重,通訊距離受限的實際,研發了有線通訊和無線通訊相結合的井下機器人通訊技術,有效拓展了機器人的通訊距離。為解決井下機器人群協同和遠距離作業的通訊問題提供了新的思路。
自主。煤礦機器人應該實現自主行走和自主作業,但在地形復雜、照度低、無GPS以及存在信號屏蔽干擾的井下環境中,要實現自主或部分自主都是非常困難的。因此,自主問題是煤礦機器人研發應用中最具挑戰性的關鍵技術問題。煤礦井巷地圖構建,機器人精確定位,路徑規劃與避障,以及機器人運動精確控制是解決煤礦移動機器人自主行走的有效技術途徑,必須通過不斷研發,逐步加以解決。
標準。煤礦機器人屬于煤炭生產中的高新技術裝備,在煤礦機器人的研發應用中必然要遇到標準問題。沒有各類各種煤礦機器人的通用技術條件,就不知如何設計煤礦機器人；沒有各類各種煤礦機器人的檢測檢驗方法,就不知如何評價煤礦機器人。因此,在煤礦機器人的研發應用中,必須重視和加快機器人的標準制定和體系建設,這對加快煤礦機器人的研發應用具有十分重要的意義。中國礦業大學早在2009年就在國家安全生產監督管理總局立項起草了《礦用救災探測機器人通用技術條件》《礦用救災探測機器人綜合移動性能測試方法》《礦用救災探測機器人通訊系統測試方法》等4部測試標準草案,雖然至今尚未正式發布,但對不同煤礦機器人標準的制定具有一定的參考價值。
總之,煤礦機器人研發應用中需要解決好機器人的防爆、行走、通訊、自主、標準等5個關鍵技術問題。在解決機器人防爆問題時,為避免機器人過于笨重,需重視輕質、高強的機器人防爆材料的開發。在解決機器人井下行走難的問題時,可以探索飛行和仿生等機器人移動技術。對于《煤礦機器人重點研發目錄》中所列的38種煤礦機器人,大多數機器人的通訊可以利用井下現有的通訊系統來實現,但對于災后偵測和救援機器人,由于現有通訊設施遭到破壞,機器人必須自行解決通訊問題。煤礦機器人的自主問題是一個有較大難度且在短時間內難以完全實現的目標,只能通過不斷研發來逐步實現。在沒有實現機器人的自主行走或自主作業之前,只要機器人滿足了前三個要求,通過遙控方法照樣能讓機器人在井下發揮作用。同時,為加快煤礦機器人的研發應用,必須重視和加快煤礦機器人的標準制定和標準體系建設。(張楠 繆久田 施喜書 范興馳 整理)
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