煤炭是我国非常重要、极其宝贵、不可替代的战略资源；环境、安全等社会热点问题对煤炭工业的发展提出了严峻的挑战；实现煤炭的绿色、安全、高效、智能开采和利用已经成为全社会的共识，尤其是煤炭的智能化开采备受关注，成为研究的热点。智能化是第四次工业革命的战略目标，其根本目标就是解放生产力，让劳动者体面工作，幸福生活；煤矿智能化就是实现煤炭的智能开采和绿色利用，把煤炭人从危险环境和繁重工作中解放出来，让其体面工作，幸福生活。
2019年1月，国家煤矿安全监察局正式公布《煤矿机器人重点研发目录》，首次提出了掘进、采煤、运输、安控和救援五大类38种煤矿机器人，对每种机器人的功能提出了具体要求。2020年2月，国家发展改革委等八部委联合颁布的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，吹响了煤炭工业向智能化进军的冲锋号，标志着煤炭工业迈进了实现智能化的新阶段。
煤矿机器人是煤矿机电装备的核心成员，是全面提升煤矿机电装备水平的重要前提，是构建煤矿智能化的主力军，是解放生产力的根本保证，是煤炭人实现“中国梦”的强力支撑。因此，研发煤矿机器人迫在眉睫，刻不容缓。
1 煤矿机器人的光荣使命
煤矿机器人的光荣使命就是在煤矿生产中代替人完成复杂、危险、枯燥、繁重的各项工作，从而解放生产力，提高工作效率。通过科技工作者的共同努力，创新性地研发一系列煤矿机器人，使煤矿机器人做到“恶劣环境不惧艰险，重复工作不厌其烦，复杂任务善于协作，灾难事故英勇救援”。煤矿机器人的光荣使命包括以下4个方面：
1）换人、替人、协助人。从人机关系考虑，煤矿工作任务繁多，采、掘、运、提、压、通、排等系统都迫切需要不同种类的机器人，且工作内容千差万别，需要根据作业需求，赋予机器人不同的工作内容和角色，明确机器人和人之间的任务分工，确定机器人和人间的协作关系，让人去做最轻松、最安全的工作。
2）航空、航地、航水域。从工作空间考虑，煤矿生产系统涉及的范围包括空中、地面和水域，因此，煤矿机器人应当具备在空中、地面和水域的行驶能力以及完成一定任务的能力。地域—地面救援、探测、巡检机器人，会跑，跑得快；空域—空中救援机器人：会飞，飞得稳；水域—水域环境救援机器人：会游，游得好。
3）监测、监控、监管理。从安全运行考虑，煤矿生产系统包括“人、机、环、管”，是一个庞大的系统，系统的安全运行极其重要。赋予机器人不同的监测监控功能，实现对生产系统的运行状态监测、安全监测、事故预警等；赋予机器人一定的管理职能，实现生产管理、安全管理等。
4）救险、救灾、救生命。从事故救援考虑，由于煤矿生产系统的复杂性、特殊性，研发煤矿事故救援机器人，做到有备无患。不同类型的煤矿事故，要求不同的救援机器人。事故发生后，现场情况不明，次生事故时常发生，救援人员直接进入存在巨大风险。派机器人最大限度深入现场，获取事故信息，为救援指挥中心提供第一手资料，以便及时制定科学的救援方案。危难关头，机器人冲锋陷阵，当侦察兵；重大事故面前，机器人挺身而出，当敢死队。
2 煤矿机器人的严峻挑战
1）空间有限，地形复杂。煤矿机器人的机械结构、电控系统直接受到空间、地形和环境的影响，要实现作业任务与结构、功能和性能之间的最佳匹配，对机器人的通过性、越障性、平稳性、可靠性等提出了严峻的挑战。
2）设备众多，系统庞大。存在机器人与设备、机器人与系统、机器人与机器人之间的协同控制问题，最典型的就是综采工作面和综掘工作面机器人群的协同控制问题，对机器人的控制特性提出了严峻的挑战。
3）传感检测，对象多变。对周围环境的感知、自身运行状态的感知、作业对象的感知是煤矿机器人决策的依据和前提。为了满足煤矿井下防护的要求，对传感检测系统的占空比、适应性、可靠性提出了严峻的挑战。
4）电磁干扰，信噪比低。煤矿井下空间小，机电设备多，功率大，电磁干扰严重，直接影响信息的采集、处理和传输，尤其是数据的无线传输。因此，有效提高信噪比、数据传输的实时性和保真度，给煤矿机器人研发提出了严峻的挑战。
5）环境艰险，防护严苛。煤矿井下环境条件较差，要求煤矿机器人必须具有防爆、防尘、防水、防潮等功能。严格的防护功能，增加了机器人本体结构、检测和控制硬件系统设计、制造的难度，给煤矿机器人机械、检测、控制系统的轻量化、最优化设计带来了严峻的挑战。
6）持续工作，续航不足。对于移动范围较大，且不适合使用有线电源的机器人，需要自带能源，由于电池蓄能有限，存在续航能力普遍不足的问题，迫切需要研发适用于煤矿井下的新型高能电池，对煤矿机器人电池供电系统提出了严峻的挑战。
3 煤矿机器人的关键共性技术
煤矿机器人大部分服役于煤矿井下，工作环境条件相似，因此，其关键共性技术问题亟待解决。主要包括本体的机械本体、位姿检测、自主导航、运动规划、传感检测、智能控制、通信传输、防爆防护、人机交互、健康安全等技术，如图1所示。
图1 煤矿机器人的关键共性技术
1）本体设计技术。煤矿机器人可靠性是机器人在生产中能否长期稳定运行的关键。我国《机器人产业发展规划 (2016—2020年) 》中明确提出了实现机器人关键零部件和高端产品的重大突破, 实现机器人质量可靠性大幅提升的要求。迫切需要深入研究煤矿机器人轻量化、最优化设计方法，研发防爆伺服电机、减速机、传感器等关键零（元）部件，研发新型的本体结构，旨在提高机器人的通过性、灵活性、适应性、可靠性、稳定性。
2）位姿检测技术。煤矿机器人的位姿检测是其精准完成任务的重要保障。位姿检测技术包括绝对检测、相对检测和组合检测等。①绝对检测有全球定位系统(BDS，GPS)、惯性导航系统(INS)、电子罗盘等；②相对检测有里程计(DR)、视觉、激光雷达、地图匹配等；③组合检测有绝对与相对检测相结合、多传感器信息融合等。煤矿机器人位姿检测的难点是井下移动机器人的位姿检测，迫切需要深入研究适用于不同机器人的位姿检测方法，旨在提高位姿检测的可靠性和鲁棒性。
3）自主导航技术。煤矿移动机器人的自主导航技术主要包括以下6种。①惯性导航：加速度计、陀螺仪、磁力计；②视觉导航：单/双目、多目、RGBD；③人工信标导航：反光板、二维码；④雷达导航：超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达；⑤GPS/GIS导航：空间部分、地面部分、用户装置；⑥组合导航：利用2个以上的导航技术，发挥各自优势，提高导航能力。
4）运动规划技术。煤矿移动机器人的运动规划技术主要包括以下3类。①地图表达形式：点云、占据栅格、体素哈希、八叉树、TSDF、ESDF等。②路径规划方法：基于图搜(A*，Djikstra)、基 于 采 样 ( R R T ) 、 考 虑 运 动 力 学 约 束 ( H y b r i dA*,Lattice Search)。③轨迹规划方法：等式约束轨迹规划(Minimum-jerk)、软硬不等式约束轨迹规划(B-Spline)、其他(MDP，MPC)。
5）传感检测技术。煤矿机器人的传感检测技术主要包括以下5类。①环境检测传感器：获取环境温度、湿度、气体浓度等；②状态检测传感器：监测自身或被测设备运行状态，如温度、压力、振动传感器等；③障碍感知传感器：检测自身与环境障碍物位置，如激光雷达、双目相机等；④音/视频监控传感器：监控关键区域或位置，如麦克风、摄像机等；⑤生命体征传感器：监测井下被困人员状况，如呼吸频率传感器、红外热像仪等。
6）智能控制技术。煤矿机器人的智能控制技术是其实现自主作业的重要前提，针对不同结构、执行不同任务的机器人，其采用的控制模式、控制类型、控制方法不同。①控制模式：分为直接智能和间接智能，直接智能即直接采集人体信息转化为控制信息，间接智能即把人的思想转化为程序；②控制类型：分为单机器人控制、多机器人控制、虚拟现实控制；③控制方法：包括专家控制、模糊控制、递阶控制、学习控制、神经控制、进化控制、免疫控制等。
7）通信传输技术。通信传输技术是煤矿机器人与人、煤矿机器人与协同系统之间信息交互传输的可靠保障。主要包括以下3种情况：①动态工况条件下，煤矿机器人本地控制与采集信息的稳定传输；②强干扰噪声条件下，煤矿机器人井下远程控制与采集信息高保真实时传输；③多类接口情况下，大数据通信接口统一及实时远距离传输。
8）防爆防护技术。大多数煤矿机器人要在井下运行，面临防爆、防尘、防水、防潮、防腐等问题。①防爆设计：面对煤矿井下瓦斯、一氧化碳等爆炸性气体，需要对机器人进行防爆设计，主要采用隔爆型、增安型、正压型、充沙型、本质安全型、充油型等结构；②防护设计：面对煤矿井下煤尘、水、潮湿、腐蚀等恶劣环境，需要对机器人进行有效的防护设计。
9）人机交互技术。煤矿智能化对机器人的需求不断增多，由于任务艰巨，条件复杂，需要人与机器人协同工作的场合难以避免。因此，研究人与机器人的交互技术已经成为亟待解决的关键技术难题。目前，常用的人机交互技术主要包括：基于硬件设备的交互技术、基于语音识别的交互技术、基于触觉感知的交互技术、基于动作识别的交互技术、基于眼动追踪的交互技术、基于脑波控制的交互技术、基于虚拟现实的交互技术等。
10）健康维护技术。煤矿机器人的健康维护是其安全、可靠、高效运行的关键，因此，迫切需要解决煤矿机器人在全寿命周期的健康维护与智能管理问题。①自诊断：准确、及时检测机器人健康状态，实现机器人系统的预知维护和健康管理，确保机器人的开机率；②自修复：包含自适应、自补偿、自愈合技术，既包括机器人关键零部件故障的自修复，又包括测控系统计算机软硬件系统故障的自修复。
4 煤矿机器人的发展策略
国内外煤矿机器人的发展还处于初级阶段，还有诸多关键技术问题亟待解决。因此，我国煤矿机器人发展需要在国家相关文件的指引下，明确发展目标，理清发展思路，制定发展策略。结合我国煤矿智能化发展要求，提出“点-线-面贯通，水-陆-空布局，人-机-群协同，基-技-用并行”的煤矿机器人发展策略。
4.1 “点-线-面”贯通
首先，充分借助现有的成熟技术，结合煤矿需求，研发针对“点”上应用的机器人，同时，通过改造现有基础较好的机电设备成为机器人，实现机器人“点”的突破；其次，在一个线性系统上，根据任务需求，研发多个机器人，实现机器人“线”的连接；最后，基于“点”和“线”上的机器人，研发“面”上的机器人系统，诸如综采工作面、综掘工作面的机器人群，实现机器人“面”的贯通，如图2所示。
图2 “点-线-面”贯通
4.2 “水-陆-空”布局
煤矿生产系统复杂，作业任务繁多，涉及到水、陆、空等多个区域，因此，煤矿机器人的研发和机器人系统的布局，要综合考虑水域、陆域、空域作业的不同需求。在研发单区域、单功能机器人的基础上，要针对任务、多功能的要求，研发复合域、多功能机器人，努力提高机器人的适应性和可靠性，构建煤矿井下全区域、全天候煤矿机器人的有效覆盖，确保煤矿机器人作用的有效发挥。“水-陆-空”布局如图3所示。
图3“水-陆-空”布局
4.3 “人-机-群”协同
煤矿机器人需要人与机器人以及机器人群之间协同工作。面向同一任务，需要人和机器人之间的协同，让机器和人分别从事自己更擅长的工作，机器承担重复、枯燥和危险的工作，人类承担创造性的工作；面向同一任务，2个机器人协同工作，根据机器人各自的特点完成同一任务；面向同一任务，多个机器人组成机器人群，需要机器人群间的协同，共同协作完成单个机器人或少数机器人难以完成的任务。“人-机-群”协同如图4所示。
图4 “人-机-群”协同
4.4 “基-技-用”并行
煤矿机器人研发要在基础理论、技术创新、工程应用3个方面并行发力，加快构建“基础理论—技术创新—工程应用”的闭环研发系统，优化产学研用紧密协同的研发机制，创新具有中国特色的煤矿机器人研发体系。要不断加强基础研究，包括理论和方法研究，揭示规律，发明原理，构建模型，提出理论或方法等；要不断加大技术创新，将新的理论成果转化为新材料、新技术、新工艺等；要不断加强工程应用，研发新型煤矿机器人，解决煤矿生产中的难题。“基-技-用”并行如图5所示。
图5 “基-技-用”并行
5 结 语
我国煤矿智能化的蓝图已经绘就，煤矿机器人研发目录已经颁布，煤炭行业向煤矿智能化进军的号角已经吹响，只有抢抓机遇，协同攻关，才能破解煤矿机器人的关键共性技术难题，才能研发一批高智能、高性能、高可靠的新型煤矿机器人。
1）加快研发煤矿机器人，推动煤矿智能化，需要政府大力支持、行业高度重视、院校潜心研发、企业实施应用。
2）煤矿机器人的研究、开发和应用是一项极具复杂性、挑战性的系统工程，需要有耐心、决心和信心。
3）“产学研用结合，校企协同创新”是科技创新的有效途径，更是开启煤矿机器人关键共性技术难题的金钥匙。
