1 煤矿机器人概述
2020年2月，国家发展改革委、国家能源局、应急管理部等八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确提出推进大型煤机装备、煤矿机器人研发及产业化应用，煤矿机器人作为特种机器人领域的重要分支，其应用进程被加速，需求更加多元化，产业进入高速发展期。
国家矿山安全监察局发布的《煤矿机器人重点研发目录》中，对煤矿机器人的分类及功能做了明确的定义，应用场景科学清晰。但与传统工业及特种机器人不同，煤矿防爆设计理论框架在一定程度上限制了煤矿机器人发展，通信、充电、防爆结构、导航与定位、高效驱动、适应性、群决策、可靠性评估等关键技术尚未有效突破，导致大多数机器人都难以满足井下多粉尘、低光照以及非结构化受限空间下重负荷作业要求。因此针对制约煤矿机器人发展的关键核心技术进行攻关，开发核心技术单元，研制针对多场景的系列化机器人并形成定量测试评估方法，是煤矿机器人产业化发展的关键。煤矿机器人系统功能框架如图1所示。
图1 煤矿机器人系统功能框架
2 亟待攻克的煤矿机器人关键技术
1）煤矿机器人防爆技术。
防爆设计是煤矿作业型机器人区别于其他行业机器人的本质特征。机器人不仅要具备防尘、防潮、防水、防高温以及抗腐蚀等特性，防爆安全更为重要。当前防爆标准对电器设备的防爆设计约束极为严格，导致机器人电控系统、能源系统、动力系统、感知系统都要进行必要的防爆处理，而机器人某些关键模块单元难以做成本安型，使得机器人因机构整体隔爆导致质量和尺寸大幅增加，进而影响机器人的运动能力、负载能力以及续航能力。以中国煤科集团沈阳研究院承担设计的国内首台井下变电所巡检的自动导引运输车AGV（图2）为例，正常AGV的质量可控制在200 kg，防爆处理之后的AGV质量超过1 500 kg，对机器人的结构设计、运动规划以及能源续航带来了极大的挑战。
图2 我国首台井下巡检作业自动导引运输车AGV
因此，如何实现机器人防爆结构的轻质量化，并对机器人结构进行必要的优化，是机器人防爆设计亟待解决的关键技术之一。
2）煤矿井下机器人充电技术（图3）。
图3 井下机器人大容量电池组
对于井下移动作业类机器人，由于拖缆式的供电模式导致机器人有效作业区域受限，尤其对于长航程的机器人，拖缆导致的电压下降及拖缆质量的增加都将影响机器人本体的运动性能。因此如何脱离电缆束缚，使用移动电源完成作业任务，是目前机器人急需面对的问题。危险气体环境下采用大容量电池的供电方式将面临电池防爆设计、能量管理、充电安全等诸多问题，优化井下复杂环境下的动力电池成组技术及管理系统设计，实现充放电过程的智能管理和安全监控，完善煤矿机器人井下专用充电硐室设计，研发煤矿机器人井下专用充电桩和智能充电系统，实现煤矿机器人的安全高效能源供给，是亟待解决的关键技术之一。
3）封闭环境下机器人精准定位导航技术。
煤矿巷道、采掘工作面等作业区域具有典型的半结构化或非结构化环境特征，且GPS技术无法直接应用于井下，亟需构建适用于煤矿机器人的自主定位系统方案，解决井下机器人精准定位、姿态感知等问题。如何快速突破惯导、激光、超声波、UWB和视觉等多信息融合的井下机器人精准感知与定位技术，是实现井下机器人局部自主的关键，如图4、图5所示。以选煤厂巡检四足机器人为例，作业空间包括：楼梯、栅栏围挡、坡面以及障碍物组成，部分场景下的环境特征点较少，难以利用单一激光方式建图。利用二维激光在面对菱形栅栏围挡建图时，极易出现漏建的现象，如图6所示，三维激光负重、散热以及功耗也进一步缩短了机器人续航时间及运动稳定性。此时，借助视觉传感器完成环境的场景语义理解，将大幅提高机器人精准定位的能力。
图4 基于SLAM的煤矿四足机器人导航方式、图6 煤矿伸缩栅栏围挡
4）煤矿机器人驱动单元的高效高机动技术。
相比于其他环境，井下作业环境较为恶劣，空间狭小、障碍物多，非结构化地形多等问题。尤其对于作业型机器人而言，作业环境使其运动学、动力学建模困难、内外部非线性扰动强、部分系统状态难于测量、多自由度耦合及欠驱动等诸多难题，导致机器人系统的性能、适应性、稳定性、鲁棒性的控制面临巨大困难，使得机器人能耗过高、速度效率低下、运动稳定性变差。对于井下环境，单一的驱动方式，难以满足复杂任务的要求，因此复合式驱动（如轮履式、轮腿式、双摆臂式、仿生式等）关键技术的突破将有效提高机器人的作业能力，如图7所示。这里，以神东煤矿为例，通过前期调研与技术沟通，笔者针对不同的环境及应用场景，为其设计了多种驱动方式，实际应用效果较好。
图5 层次化SLAM地图模型转换方法的交互结构
图7 多种不同驱动机器人
5）大粉尘、低光照、高潮湿环境下，机器人可靠感知技术。
对于煤矿机器人而言，视觉传感器、测距传感器、激光雷达等感知精度极为重要，但煤矿井下粉尘、潮湿的环境将在传感器的表面形成煤泥，对测距、激光以及视觉传感器产生较大影响，且这些煤泥较难清理，因此需要传感器本体具备清尘结构。对于视觉传感器，井下的低照度将影响其成像效果，暗光也将导致噪声点的增加，使得后续图像处理、图像识别的效果变差，因此如何借助多传感器信息融合技术，降低单一感知方式的局限性，同时减少环境对传感器精度的影响，是亟待解决的关键技术之一。在张家峁回风巷道采集的多粉尘及暗光条件下的现场图片，通过单一传感器无法实现测量，借助多传感器信息融合技术以及深度学习算法，基本可以实现此类环境下的精准感知，如图8、图9所示。此外，与传统机器人不同，煤矿机器人需要整体防爆，目前主要方法是将机器人感知单元、传输单元、存储单元、处理单元以及电池分腔设计，机器人传感器如图10所示。
图8 CNN+LSTM具体训练网络模型结构
图9 利用CNN网络进行仪表特征提取模型
图10 井下机器人传感器安装示意
6）煤矿机器人高可靠、抗干扰通信技术。
煤矿井下有线通信可靠性高，但限制了机器人等智能移动装备的布置和活动区域，而受到巷道走向变化的影响和巷道壁复杂反射的干扰，井下无线通信的有效传输距离有限，因此构建具备自组网能力的分布式通信平台，攻克非视距、多径条件下无线传感器网络的自组网络拓扑优化技术，解决煤矿受限环境下的多源无线通信信号的抗干扰问题，是亟待解决的关键技术之一。
7）煤矿机器人可靠性测试评估技术。
由于煤矿机器人面临的异常复杂的工况条件，对其可靠性提出了严苛的要求，才能适应井下无人化作业的需求。完整的评估平台一般包括以下几个部分：机器人本体测试平台，测试机器人运动速度、转向半径、越障能力以及抗倾翻等；机器人防爆能力，主要用于测试机器人在不同场景下的防爆安全性；机器人特种能力，包括泥浆池、沙池、泥浆泵房等；机器人作业能力，针对机器人的实际用途，进行能力评估等。此外，制定煤矿机器人可靠性测试、评价标准也是极为重要的，如图11所示。
图11 井下防爆机器人测试评估平台
8）煤矿机器人人机决策技术。
目前，机器人替代工作人员实现完全自主作业不切实际，因此如何提高操作人员与机器人的人机交互能力，实现机器人半自主作业更为切实可行。针对复杂任务协同作业，机器人可采用基于多传感信息感知、力/位耦合控制、协同工艺轨迹规划、作业碰撞与干涉规避技术，实现半自主作业，而对于更为复杂的任务，则需借鉴操作人员的主观判断。机器人通过场景理解、AI分析及模型训练不断提高自主能力，逐步降低对操作人员的依赖，而通过虚拟仿真平台、三维情景重现以及触觉反馈系统，操作人员可更好的实现人机交互作业及决策分析，如图12所示。
图12 基于数字孪生与人机交互的控制系统
9）煤矿井下大载荷作业机械臂。
矿井环境多种作业任务与机械臂密切。如何提高机械臂的负载能力并使其满足防爆要求对于实际井下作业较为重要。防爆设计需要对机械臂上所有电机、码盘、传感器等器件实施，由此带来的负载会直接影响下一关节设计，因此防爆机械臂关节必须满足一体化、轻量化、高动态响应的设计要求，实现轻量化、高刚度及关节动力学和控制之间的协同作用，此外考虑机械臂作为复杂多刚体系统，防爆防护逐层累加的效应也需着重考虑，通过传动系统惯量匹配、传动链刚度设计及零部件选型与动力学优化设计，研究机/驱/控/感一体化关节集成设计与优化，如图13所示。液压型机械臂具有较好的负载能力并方便后续进行防爆设计，如何提高及动态响应速度以及末端作业精度，是待解决的关键技术之一。
图13 机械臂防爆一体化关节设计
10）机器人群协调与指挥调度系统。
机器人群与协同指控系统结合的新机制新理论研究还较为薄弱，如何将多机器人与煤矿现场指挥调度系统有机结合，既实现多机器人的规模化应用，又提高对煤矿任务执行过程中的监测监控和高效应对能力，现有的研究相对有限，缺少统一、完整的基础理论研究。机器人群多场景多任务的协同规划研究仍处于探索阶段。目前多机器人协同技术重点研究同一种机器人的路径搜索、跟踪、跟随等内容，较少研究异构机器人的群体任务分配，没有突出多机器人在任务执行过程中的相互协作。
如何将较为成熟机器人指挥系统与煤矿机器人特征有效结合，打造针对煤矿多场景下的机器人群协同调度指挥与管理平台，对其中的关键问题进行研究，重点攻克机器人群的体系化建设和整合、协同监控与预警、基础数据汇集与分类管理、实现风险分析、预测预警、辅助决策、仿真模拟、智能决策调度，同时将多个机器人获取的数据信息进行整合，完成数据挖掘、分类、一体化决策，完成煤矿机器人系统的运维管理，实现机器人群数据通信的标准化，提高机器人群平台的交互性，提高机器人群的作业效率，并借助数字孪生系统，实现管理人员信息获取的立体化，是煤矿机器人需解决的关键技术之一。
3 煤矿机器人的产业发展方向
煤矿机器人作为煤矿运营管理体系的重要组成部分，是未来智能矿山的基础支撑和保障设备，在煤炭资源生产、矿难事故、安全救援以及日常维护等方面发挥着关键性作用。目前，国内相关科研机构已经开发出部分煤矿机器人样机，但在潮湿、多水、高粉尘浓度的非结构性环境下，与国外先进的煤矿机器人相比，这些机器人防爆性能设计、续航能力、可靠性、适用性等方面都具有较大差距，其发展趋势表现为：
1）为了满足煤矿复杂任务要求，煤矿机器人将由传统单体机器人逐步向机器人群发展。煤矿机器人场景理解流程如图14所示。
笔者正在研发的井下管道机器人群安-运-维协同作业群（图15）就是一个协同作业的典型代表。管道运输机器人负责在井上接收管道后，进行全自主移动及安全避障，接近管道安装位置，利用管道识别定位、管道顶撑、管道位姿调整等功能，将管道转移到安装机器人工作空间内。煤矿井下风、水管道安装机器人利用多机械臂协同控制技术，将工作空间内的管道抓取、精确调位、快速连接，再借助自主或半自主技术，实现管道与法兰盘的固定。管道巡检机器人定期展开巡检工作，遇到堵塞情况自动清淤，实现管道系统运输安装巡检维护全流程的智能化，降低安装工人的数量及工作强度。
图14 煤矿机器人场景理解流程
笔者负责研发的煤矿救援机器人群，借助多种类救援机器人个体，共同完成复杂的救援任务。机器人群救援流程如下：首先借助井下挖掘机器人打通被困人员的生命通道，接着利用顶撑支护机器人架设顶杆，支撑顶部与侧壁，避免通道崩塌；然后，通过狭小空间探测机器人，深入救援现场内部，对被困人员的位置及生命体征信息进行采集，辅助救援人员指定营救策略；最后，利用辅助救援机器人完成营养液、水及氧气的输送，维持被困人员的生命等待救援。煤矿救援机器人群救援过程如图16所示。
图15 煤矿安运安装管道机器人群安运维协同作业群
2）亟需研发适用于多场景下单体作业煤矿机器人。煤矿存在的部分应用场景较为简单，适合单体作业型机器人的使用。目前，面向煤矿作业任务的机器人，应用场景更加宽泛，作业人员难以针对某一特殊场景，选择最为合适的机器人，通常此类场景环境特点存在较大差异，导致机器人驱动能力及作业方式差别较大。针对环境空间受限、地面环境复杂、作业距离大以及巡检任务较为简单的输送机巡检机器人，宜采用固定吊轨式驱动方式；面对崎岖的井下地形，更为复杂的巡检任务，要求较大的负载能力及高越障能力的工作面巡检机器人，则更宜采用履带式巡检机构；对于机电泵房的巡检任务，由于较好的地面条件，可采用轮式结构，利用该机构更好的灵活性、运动效率、平稳性以及零半径转向，可更为有效地完成作业任务。满足不同场景人物的单体作业机器人如图17所示。
图16 井下救援机器人群
图17 满足不同场景人物的单体作业机器人
调研发现，市面上的大多数煤矿机器人主要参考国外成熟的结构，而对其关键技术研究较浅，进而使得真正具备煤矿作业能力的机器人较少，限制了该类型机器人的发展，使得具有稳定可靠能力的煤矿井下机器人具有巨大的潜在市场，如煤矿安控救援类机器人发展方向展望如图18所示。
图18 煤矿安控救援类机器人研究趋势
3）亟需研发符合煤矿安全规程要求的系列化元器件。煤矿企业对机器人自主作业能力越发关注，而机器人的自主作业依赖于各种传感器精准感知能力。通过调研，目前矿用传感器主要针对传统煤机设备，其防爆体积、质量以功能对机器人影响较大。某些关键传感器如激光雷达、超声波以及二维码识别器等尚未取得防爆认证。一些高速数据存储和处理控制难以应用于回风巷道和工作面开采环境，直接影响煤矿机器人的自主性和探测能力，如图19所示。此外，机器人常用的伺服电机、升降云台、机械臂、控制器等设备均存在功率密度低、系列化程度低等问题。随着煤矿机器人市场发展逐渐成熟，围绕煤矿机器人元器件的市场将具有广阔的市场需求及市场前景。
图19 多种本安型煤矿机器人元器件研发
4）煤矿机器人产业相关配套服务建设。相比于传统机器人，煤矿机器人专业性更强，对操控人员的要求更高，煤矿工作场景及任务变化都将使得机器人任务执行能力降低甚至无法使用，因此较好的配套服务可有效延长机器人的使用范围及周期，机器人功能调整及系统升级都将成为需求方购买机器人着重考虑的因素。针对煤矿特殊的应用场景，机器人配件要做到可更换、可升级、可维护，应用需要专业人员支持，此类工作需要机器人企业后期相关配套服务的不断支持与技术支撑。此外，后续配套服务费用也是机器人生产企业关注的焦点。因此，如何高效、精准、可靠和及时地提供配套服务将是煤矿类机器人的发展方向。
4 结 语
煤矿机器人进入产业高速发展黄金期，但在关键技术、核心技术单元、测试评估方法、产业配套等方面仍远远无法满足煤炭行业高质量无人化发展生产的实际需求，而这些技术的突破需进一步打通煤炭学科与机器人学科的技术通道，吸收培养更多“知煤懂机”的高水平复合型人才，全面协同机器人学科优秀团队进行重点攻关。同时，关键技术的突破亦必将带动整个特种机器人领域高可靠性、实用性发展，真正推动机器人技术进军国民经济安全生产领域主战场，为实现国家经济高质量发展做出重要贡献。
