随着采矿机械化技术不断进步，通过自动化、智能化技术来进一步解放矿工繁重和危险的劳动就成为世界采矿行业的不懈追求。我国煤矿多以井工开采为主，新中国成立70多年来，经过几代煤炭人的不懈奋斗，我国煤矿在复杂条件下的煤炭开采技术已处于世界领跑地位，特厚煤层开采、千万吨级开采装备与世界发达国家并跑。当前正处于新一轮科技革命与能源产业变革发展的历史交汇期，信息技术、智能化技术、智能装备和机器人等新技术将大幅提升传统产业发展的能级和效率，将由此引发煤炭生产方式发生巨大转变。目前，我国已进入煤矿智能化初级阶段，其中一些技术和工程实践引领着国际煤炭智能化开采发展方向。
煤矿机器人是特种机器人研究领域的重要分支之一，是煤矿智能化建设中装备创新的基本落脚点。研发应用煤矿机器人，推进井下各岗位的机器人替代，是践行“无人则安”的安全生产新理念，能够实现煤矿安全生产形势的根本性好转,是实现煤矿无人化开采的关键途径。煤矿机器人是能依靠随身动力和自主控制能力来实现某种特定采矿功能的一种机器，可以通过人员指挥、预先编程、人工智能规划的方式，协助或替代人的采矿作业或危险岗位的操作。我国煤矿机器人的研发经历了概念设计、基础技术攻关、样机研发到推广应用的过程。由于煤矿井下作业条件差，加大了煤矿机器人的研发难度，从最初的灾后危险气体环境探测机器人起步，各大高校、研究院所、装备企业逐步研发煤矿巡检机器人、钻孔作业机器人，同时重点推进少人快速掘进机器人系统和智能化采煤工作面机器人系统，目前已基本形成了较为完整的煤矿机器人技术体系。
1 煤矿机器人技术基础研究概况
1.1 基础理论研究
近年来，煤矿机器人已成为煤炭行业科技创新的热点方向，以“煤矿机器人”为主题，在中国知网共检索到424篇论文，煤矿机器人相关论文发表情况如图1所示。最早1篇论文发表于1986年，主要介绍当时国外煤矿机器人的先进理念和研究概况。2006年之前，我国学者在煤矿机器人方面的论文总数每年不足5篇，之后，该领域的研究论文数量呈爆发式增长，此时，由中国矿业大学承担的国家“863计划”项目开始对煤矿救援探测机器人的研发攻关。煤矿机器人相关论文主体分布如图2所示。总体上看，该领域的研究关注点主要集中在煤矿井下(占10.5%)、煤矿机器人(占9.6%)、煤矿救援机器人(占8.6%)、机器人(占8.3%)、探测机器人(占6.2%)、煤矿救灾机器人(占6.1%)、路径规划(占5.1%)方面，其他主题分组占比均在5%以下。2019年1月，原国家煤矿安全监察局公布《煤矿机器人重点研发目录》后，煤矿机器人的研究出现大幅增长，2020年发表论文数量突破50篇，研究对象也从最初的巡检、探测机器人扩展到煤矿的掘进、采煤、运输、安控、救援5大类。
图1 煤矿机器人相关论文发表情况
图2 煤矿机器人相关论文主体分布
1.2 国家科技政策支撑
受限于煤炭井下开采的复杂恶劣作业环境，煤矿机器人的研发应用是特种机器人领域中技术难度最大的种类之一。目前，地面其他行业的机器人技术难以直接应用到煤矿井下环境中，亟需针对煤矿机器人进行专项研发，加大科技支撑和项目扶持力度。为此，国家科学技术部在2020年国家重点研发计划“智能机器人”重点专项中特别设立了煤矿机器人方向，重点攻克煤矿特殊环境服役机器人的关键技术，深化我国煤矿机器人的工程化应用。2020年，首批资助“大型矿井综合掘进机器人”、“复杂地质条件煤矿辅助运输机器人”和“面向冲击地压矿井防冲钻孔机器人”3个项目。此外，国家自然科学基金委员会在2020年也首次在工程与材料学部增设了“智能矿山”方向（学科代码E0406），资助重点包括矿山精细描述与测量、数字矿山、矿山智能监测与控制、采掘装备与智能化、智能化系统与方法等基础前沿方向，研究煤矿智能化和煤矿机器人研发所面临的关键科学问题和核心技术瓶颈。
1.3 搭建创新平台
全国高校、企业、地方政府部门主动作为，创新煤矿机器人产学研合作平台建设，推动煤矿机器人人才培养和技术创新。煤炭行业高校积极聚焦煤矿智能化对人才培养提出的新要求，不断加快煤矿智能化相关专业布局，构建多学科交叉、产学研融合的人才培养模式。目前，中国矿业大学（北京）、安徽理工大学等6所煤炭行业特色大学设置有机器人工程专业，7所大学设置有人工智能专业，7所大学设置有大数据科学与技术专业，部分高校还在传统采矿工程专业开设智能采矿特色班，培养适应煤矿智能化发展的复合型人才。同时，国内行业和地方管理部门通过联合科研院所和大型煤矿企业，成立了形式多样的煤矿智能化及机器人研发技术创新平台，国家矿山安全监察局同中国航天科技集团签订了战略合作框架协议，“天地合作”研发应用煤矿机器人；中国煤炭学会、中国煤炭科工集团等27家单位成立了煤矿智能化技术创新联盟；中国矿业大学（北京）成立了智慧矿山与机器人研究院；中国矿业大学成立了矿山机器人研究所；辽宁工程技术大学组建成立了煤矿机器人协同创新中心，致力于解决煤矿智能化建设中的共性关键技术问题；山东能源新矿集团成立机器人研究院；淮北矿业集团与四川航天信息有限公司携手成立了智能化开采技术研发联合中心；兖矿集团成立煤矿智能开采试验中心。各大煤炭企业正积极打造煤矿智能化研究和试验基地，开展智能化技术研发与新装备推广应用。
1.4 煤矿机器人技术体系
机器人是煤矿装备智能化的新内涵，原国家煤矿安全监察局发布的《煤矿机器人重点研发目录》，对规划和引导煤矿机器人技术的发展十分重要。该目录是国际上首个提出的煤矿机器人技术体系，针对煤矿机器人的不同面向对象、作业区域、功能属性，明确了煤矿机器人分类及种类。从作业类型角度，将煤矿机器人分为掘进、采煤、运输、安控、救援5大类，结合目前机器人和人工智能技术领域的先进技术发展水平，按照由易到难、先零后整、各点突破、整体推进的基本原则，规划了不同种类和层次的煤矿机器人研发路径。提出了煤矿机器人研发过程中亟需突破的8大共性关键技术，包括：煤矿机器人防爆安全设计理论及方法、长续航高能量密度机器人动力技术、井下受限封闭环境下机器人自主精准定位导航技术、煤矿机器人的高可靠抗干扰通信技术、煤矿复杂环境下机器人智能感知与险情识别技术、井下机器人群协同控制决策机制、煤矿机器人可靠性测试评估方法和煤矿机器人模块化设计方法，初步建立了我国煤矿机器人研发技术体系。
2 煤矿机器人研发新进展
目前，列入《煤矿机器人重点研发目录》中的5大类38种机器人有着不同程度的研发应用，整体研发进度如图3所示。其中，19种煤矿机器人已在煤矿现场实现了不同程度的应用，占比19.50%；13种煤矿机器人已有企业正在研发，占比13.34%；6种机器人的研发难度较大，暂未开展实质性工作，占比6.16%。具体研发应用及参与单位情况见表1。
图3 各类煤矿机器人研发进展情况
目前部分煤矿机器人的研发和现场应用的最新进展情况如下。
2.1 掘进类煤矿机器人进展
煤矿巷道掘进工艺发展经历了炮掘、普掘、综掘和智能掘进4个阶段，目前绝大部分矿井仍处于普掘阶段，部分矿井实现了综掘，少数矿井开展了智能掘进的尝试，智能掘进是建设无人化、自动化工作面的重要保障。
1）煤矿巷道盾构机器人。
目前，盾构技术已用于煤矿建井阶段的巷道掘进，中国铁建重工集团的煤矿盾构机器人系列产品如图4所示，其竖井掘进机器人可实现全断面一次成型，具备超前钻探支护、滚刀破岩、螺旋（或垂直带式输送机）结合吊桶出渣、自动导向纠偏、高效支护等功能；斜井掘进机器人具备多掘进模式、超前钻探、锚网支护、管片拼装、大坡度物料高效倒运等功能。针对富水软弱围岩研发了双模式转换技术：具有土压平衡盾构和单护盾TBM 2种掘进模式，并能够在洞内实现模式转换，以适应复杂多变的工程地质条件；针对深埋高压、瓦斯突出的多系统协调安全处置技术：设备具有防爆、突发涌水处置、有害气体探测预警、不良地质超前预报等功能；针对大坡度下坡的连续下坡掘进姿态纠偏技术：以预防和纠正盾构机“翻滚”和“栽头”等施工难点为目标，创新设计了盾体稳定器、推进油缸浮动支撑和铰接式主机防扭装置等综合姿态纠偏技术。另外，重庆能源投资集团和辽宁通用公司共同研发的煤矿小断面硬岩盾构机器人，如图5所示。经过地面工业性试验、调整排矸工艺、井下现场试验等研究阶段，在重庆打通一矿S301瓦斯巷应用成功，实现盾构机掘进月进尺420 m，是传统炮掘月进尺的3.5倍。西安重工装备制造集团和北方重工集团研发的全断面立井盾构机器人也分别在榆北煤业有限公司和新汶矿业集团试用。
2）基于综掘装备的掘进机器人群。
由中国矿业大学（北京）承担的国家“973项目”研发了煤矿综掘巷道悬臂式掘进机精准导控与远程控制系统，系统原理如图6所示。利用激光耦合技术完成煤矿综掘巷道环境模型和地图构建，通过综掘装备信息感知系统，采集掘进机设备所有环境信息和工作数据，搭建远程数字孪生控制中心和控制平台。基于远程控制系统，研究精确截割补偿算法，提出了截割位姿反向补偿调整纠偏策略，实现了自主定位、自主规划、自动截割、掘支协同、远程监控、高效掘进，目前已完成工业样机的试制和试验。由西安重工装备制造集团联合西安科技大学和榆北煤业有限公司共同研发的智能掘进机器人系统，如图7所示。该系统由护盾式掘进机器人、钻锚机器人、锚网运输机器人、电液控平台、运输及通风除尘5大智能系统组成，集掘、支、锚、运、通风、除尘等功能于一体，具备掘进定位导航及位姿自主纠偏、自适应截割、轨迹跟踪、环境多智能参数感知、设备状态在线监测与故障诊断、远程控制、人工辅助干预等先进智能化特点。在陕西煤业化工集团小保当煤矿开展了工业性试验，应用掘进机器人系统后，掘进工作面将由原来的18人减少为8人，月进尺可达1 500 m。此外，由石家庄煤矿机械公司和西安煤矿机械公司研发的掘进机器人分别在国家能源集团新疆涝坝湾煤矿和陕西煤业化工集团推广应用。
3）喷浆机器人。
山东天河科技公司研发了一款煤矿喷浆机器人，如图8所示。该机器人适用于煤矿井下混凝土喷射，可实现混凝土的自动化喷射支护作业。采用全液压控制设计，动作平稳，操作灵活，工作运行安全稳定可靠；喷射角度大，喷射范围广，喷头可实现360°旋转，180°摆动，伸缩臂行程可达2 100 mm，同时实现－60°—＋70°俯仰操作，最大工作高度可达6.9m，最大工作宽度可达8.8 m，可适用于15~60 m2 的巷道断面；该机器人具备行走功能，履带爬坡能力达到20°，最大行走速度25 m/min；混凝土喷射均匀，产尘量少，通过远程遥控操作，大幅降低了劳动强度。
图8 喷浆机器人
4）钻锚、钻孔类机器人。
钻锚、钻孔类机器人已实现部分现场应用。法国Secoma、Montabert，瑞典Atlas copco、Boomer，日本东洋等公司，研发了井工煤矿锚杆自动钻装、钻孔机器人等先进设备。国内开滦集团、兖矿集团、山东能源集团等煤矿企业对钻锚机器人的需求迫切，北京景隆重工机械有限公司、冀凯河北机电科技有限公司、山东祥德机电有限公司等企业具备钻锚台车方面的技术优势。目前，山东能源重装集团和石家庄金必德机械制造厂正在合作研制样机；冀凯河北机电科技有限公司与新汶矿业集团合作，已完成样机试制和厂内测试；廊坊景隆重工研制的样机正在神东哈拉沟矿进行工业性实验；山东祥德机电公司的样机已经实现第1阶段遥控及自动装卸钻杆，并在皖北恒源煤电试用。探水钻孔、防突钻孔、防冲钻孔3类机器人的本体较为类似，可基于同一平台研发，平煤神马集团已立项研发防突钻孔机器人；山东祥德机电公司已完成样机试制，正联系煤矿开展工业性试验；冀凯河北机电科技的产品已在陕西崔木煤矿、济宁嘉祥梁宝寺煤矿应用。目前仍以遥控操作为主，自主移动为辅，中国煤炭科工集团重庆研究院等科研单位正组织科技攻关，重点解决钻孔机器人的井下自主移动、导航定位、自动钻进等问题。
总体来看，目前煤矿普遍面临采掘接续失调等生产问题，煤矿掘进机器人是各类煤矿机器人中应用需求最迫切的一大类机器人，同时也是研发难度最大的一类煤矿机器人。掘进机器人的研发难点在于工作面作业空间严重受限，掘进头前方区域地质条件突变、灾后情况不可预知，掘进空间内粉尘浓度大导致图像等视觉手段无法正常工作。因此，掘进机器人的发展需要针对不同作业工况提出差异化的成套解决方案，对于建井开拓、井下永久大巷等矿井永久基础设施的建设施工可加大力度推广盾构机器人方案的使用，随着未来盾构技术的进一步发展和成本控制，还可以向采区巷道继续延伸；对于煤层赋存条件好、顶底板条件好的矿区，岩巷、煤巷掘进可研发应用基于综掘机或连采机的一体化机器人群掘进系统解决方案，逐步实现掘、支、锚、运等多工序平行协调作业，提高掘进效率；对于部分不具备条件的矿井，可考虑在传统掘进机基础上进行智能化改造，通过视频、激光、惯导等多传感器融合技术发展遥控和半自主化掘进作业；同时，掘锚一体机、多臂锚杆台车和各类自动化钻孔机器人也是未来发展趋势之一，可通过机器人技术实现2~3个作业工序的并行，也可大幅提高掘进效率、减少掘进头人员数量。
2.2 采煤类煤矿机器人进展
综采工作面机器人群需要研发适合煤矿复杂地质与环境条件的采煤工作面机器人群，具备回采工作面设备机群自主决策控制和煤岩界面的自主识别等功能，实现工作面采煤机、刮板输送机、液压支架、转载机和超前支架等设备自主运行、多机协同联动作业。
近年来，国内诸如郑州煤矿机械集团、北京天地玛珂电液控制系统有限公司、天津华宁电子有限公司、四川航天电液控制有限公司等企业在综采工作面系统集成和智能化建设方面取得了长足的进步，分别针对薄煤层、中厚煤层、大采高智能化工作面开展了技术攻关和成品装备的研发和集成应用。据统计，截至2020年底，全国共建成智能化工作面550个以上。以郑州煤矿机械集团智能化工作面为例，其集控系统架构如图9所示，以可靠的电液控系统、“三机”智能通信系统、泵站控制系统、采煤机记忆截割控制系统、工作面自动找直系统为基础，以设备安全监测监控系统、工作面人员定位系统和工作面视频系统为保障，通过工业总线网络，开展大数据分析和处理，在高端集控设备平台上，应用数字孪生等技术，实现综采工作面机器人群井下集控，地面远控目标，具有主动感知、自动分析、智能处理的安全、高效、节能、少人化的智能综采工作面。此外，开采支护类机器人智能化难度大。由于开采作业工作面的复杂多样化，各种支护类机器人需要针对具体工况开展个性化研发，研发难度较大、成本高、周期长，不利于推广。目前德国MARCO公司、EEP公司、蒂芬巴赫公司、美国JOY公司等具备超前支护机器人和充填支护机器人的技术，国内北京天地玛珂电液控制系统有限公司和郑州煤矿机械集团等企业也在积极研发，但目前在煤矿取得现场应用的较少。
采煤机器人的概念较其他各类煤矿机器人的系统性更强，就目前普遍采用的综采工艺来说，采煤类机器人主要是指采煤工作面机器人群，一般包括工作面采煤机、刮板输送机、液压支架、转载机和超前支架等多种设备的系统集成和智能化应用。针对目前智能化工作面技术水平和建成应用情况，需要进一步加大现有智能化工作面的推广应用力度，提高智能化工作面的区域覆盖范围。对于已经建成的智能化工作面，通过提高设备智能化程度来提升用户体验，要通过提高设备可靠性、装备的智能感知、自主决策、精准执行能力来提高智能化工作面开机率和连续化、自动化作业率；对于薄煤层和条件复杂的工作面也要逐步发展机器人化采煤技术，主要通过技术和装备的研发，降低智能化工作面和机器人群的整体装机成本，解决复杂条件下的减人增效难题；另外，对于我国特厚煤层放顶煤开采工艺的智能化，需要重点研究解决放煤过程的煤矸识别、放煤量识别、顶煤厚度探测等技术难题，通过引入机器学习等手段将人工放煤经验植入放煤工作面智能化系统，提高放煤工作面生产效率，降低混矸率、提高资源回采率。
图9 智能化工作面集控系统架构
2.3 运输类煤矿机器人进展
煤矿运输机器人是减少井下转载点用工，实现连续化辅助运输的关键。针对煤矿辅助运输连续化和装载容器标准化设计的要求，需要配套研发井下矿用物料自动识别、抓取、搬运和码放机器人系统，可针对不同转运点的作业需求，分别采用井底车厂集中式机器人吊装工作站、轮式和履带式叉运或随车搬运机器人等方案，重点解决井下无轨胶轮车、单轨吊车、电机车、齿轨卡轨车等运输工具间的物料转运过渡衔接问题，提高物料装卸载和转运效率，降低矿工的劳动强度。
1）单轨吊无人驾驶。
煤矿井下电机车、单轨吊等有轨运输设备的无人驾驶是未来煤矿辅助运输发展的必然方向，也是实现辅助运输连续化的关键技术之一。积极探索基于井下机车无人驾驶的智能化运输方式，将井下有轨运输环节规范化、程序化，系统以信号安全监控为基础，通信网络为传输平台，在物料装运卸环节实现信息化管理，实施电机车、单轨吊智能化无人精准控制，可切实提高矿井生产运输管理无人化、自动化和连续化水平。
井下有轨运输无人驾驶系统是以Wi-Fi 无线通信和千兆工业以太网络为传输平台，以轨道运输监控系统为依托，采用井下机车精确定位技术、视频图像处理技术和机车调度技术，并结合有轨运输变频控制及远程拟人化操作的矿井安全生产运输综合监控系统，实现电机车和单轨吊的无人驾驶，如图10所示。随着5G技术的不断成熟和工业应用的推广，消除远程无人驾驶技术的控制延时，未来基于矿井5G网络架构的有轨运输无人驾驶技术将大幅提高辅助运输的效率和安全性。现阶段国内部分单轨吊厂家和煤矿已经就无人驾驶技术开展了部分尝试，并取得了不错的效果。初级阶段的无人驾驶系统具有多种控制工作模式，可通过配备的手持式遥控器，就近遥控控制；在干线运输线，由地面控制中心计算机远程控制运行。未来实现地面料场智能化调度和转载点机器人自动转运后，可实现车场自动配车、料场自动装卸料、转载点自动转载的全流程无人驾驶。
图10 单轨吊连续化运输无人驾驶系统
2）转载点机器人吊装工作站。
通过标准化的集装箱式装载容器设计，可实现矿井物资的集中统一发送和流转，集装箱在井下电机车、单轨吊、齿轨车等不同运转工具间的转载是系统连续化运行的关键，可通过在转载点布置机器人吊装工作站，实现标准化集装箱的自动吊装转运。针对单轨吊运输系统设计更为便捷，一般单轨吊运输单元自带提升吊装机构，如图11所示。淮北矿业集团袁店一矿的西翼轨道换装站如图12所示，井口物资由电机车运送至西翼轨道换装站，换装站采用吊装方式实现单轨吊和电机车运输间的装载，完成起吊换装后，由柴油单轨吊机车一路直接运输至采掘头面。
图11 单轨吊及其提升吊装机构
图12 袁店一矿西翼轨道换装站
3）矿车卸载机器人。
井下物料的自动化卸载是实现无轨运输系统完全连续化运输的最关键一环。通过矿井辅助运输系统的统一调度系统，发出指令和卸载点通信，待车辆移动到位后，自动完成车辆定位、对接，智能启动自身配置的卸载机械臂，完成井下物资的智能化配送，如图13所示。
图13多功能装卸料机器人井下现场应用
煤矿运输队在最后1 km的辅助运输是井下用人最多的，劳动强度最大，效率最低，如材料、设备最后1 km的运输1个班配备3~5名辅助运输人员，尤其是遇到带坡度的泥泞道路，劳动强度会加大，辅助运输人员会更多，效率低下。在煤矿准备巷道、掘进巷道等非硬化地面的巷道进行物料、配件的输送安装及吊运时，受到井下狭小作业空间和非铺装地面条件的限制，可采用井下履带式专用吊车和无人驾驶防爆叉车的方案来解决，冀凯河北机电科技公司设计的搬运机器人样机如图14、图15所示，通过机器人打通煤矿辅助运输的最后1 km。
图14 无人驾驶防爆叉车
图15井下履带式专用吊车
4）选矸机器人。
目前，我国90%以上的块煤选矸环节仍主要采用传统人工选矸方式，劳动强度大，噪声污染严重，粉尘浓度高，严重影响岗位工人的身心健康。选矸机器人可替代人工选矸，有效提高选矸效率和分选质量。煤矸识别是实现煤和矸石自动分选的前提，煤矸识别主要是依据煤与矸石不同的物理性质对其进行区分，包括煤矸在密度、灰度、纹理、硬度、辐射性、导磁性等方面的不同。目前，可用于煤矸识别的方法主要有伽马射线法、Ｘ射线法和图像识别法。由于环保要求，伽马射线法逐渐被弃用，主流的煤矸分选机器人是采用Ｘ射线法和图像识别法。此外，矸石分选的执行机构是煤矸分选机器人的重要组成部分，已有的矸石拾取方法包括气动喷吹法、Delta并联机械手、六轴机械手、XY直角坐标机械手等形式。基于Delta并联机械手的煤矸分选机器人系统如图16所示，天津美腾科技股份有限公司的干法智能分选机器人如图17所示。目前，选矸机器人研发企业较多，技术相对成熟，天津美腾科技股份有限公司、深圳时维智能装备、唐山渤海冶金、北京巨龙融智和深圳煜禾森科技等公司的产品已在开滦集团、内蒙古伊泰能源、潞安集团、国家电力投资集团等煤矿企业投入使用，代替人工操作，取得了较好效果。其中，应用最为广泛的是天津美腾公司的气动喷吹煤矿分选系统，在山东能源临矿集团王楼煤矿应用选矸机器人实现井下50mm块煤和矸石的自动分选。
5）其他清理、搬运类机器人。
潞安集团、陕煤化集团等都对搬运机器人提出了具体需求，江苏天煤机电、山西科达自控公司已研发一种辅助锚杆搬运机械臂，并完成了样机的试制；北京玉麟科技公司的无人驾驶运输车辆已经获下井资质，正在进行软件开发与测试；江苏天煤机电研制的井下破碎机较为成熟，下一步拟通过遥控升级为破碎机器人，实现无人远程操作；山东优宝特、山东鲁科和京奥普科星公司已开展巷道清理机器人、煤仓清理机器人、巷道冲尘机器人的研发，完成了部分样机的试制；水仓清理机器人研发的厂家相对较多，徐州天科机械、山东鲁科自动化等公司具备水仓清理机方面的研制基础，已实现清理作业的遥控操作，开滦集团与煤科院唐山分院也开展了合作研发，主要解决水仓清理系统自动化、智能化的问题。
综合分析来看，对于煤矿运输机器人要分2个方面规划发展。首先，目前我国多数煤矿的主运输系统基本实现了连续化、机械化和自动化，原煤皮带运输系统技术成熟，运输通道的安全监控和皮带保护系统相对齐全，未来运输系统智能化要实现全矿井煤流系统的智能监控和调配，实现从工作面刮板输送机、装载机、采区输送带、煤仓、主皮带、地面仓储系统的智能化联动，通过推广永磁直驱、煤流量智能扫描、皮带机器人智能巡检等手段，进一步提升主运输系统的智能化水平。其次，要重点发展辅助运输机器人，针对不同井型和开拓方式实现煤矿辅助运输系统的连续化、标准化、智能化、无人化，提出煤矿辅助运输系统连续化、装载容器标准化的解决方案，针对不同井型煤矿辅助运输系统智能化升级的关键技术问题，通过对地面仓储系统、矿井物流环节、物料装载容器、装卸载设备进行一体化和标准化设计，充分运用人工智能、机器人、物联网、大数据等新兴领域的先进理念和技术，打通矿井辅助运输的关键环节，实现煤矿物料标准化装载、连续化转运、智能化配送、无人化运输。
1—筛分给料系统；2—队列整理系统；3—识别追踪系统；4—智能拣取系统；5—物料输送系统；6—出料流转系统；7—智能控制系统
图16 基于Delta并联机械手的煤矸分选机器人系统布置
图17 干法智能分选机器人
2.4 安控类煤矿机器人进展
目前，煤矿井下巡检机器人较为成熟的主要有悬挂轨道式和地面轮履式2种，同时针对井下不同检测需求，部分单位也在积极研发飞行式和多足式机器人。
1）带式输送机巡检机器人。
防爆巡检机器人本体由控制模块、无线通信模块、驱动机构、可见光摄像机、拾音器、红外热像仪、传感器、充电装置及电源组成，如图18所示。地面监控中心利用有线和无线通信相结合方式，与巡检机器人进行信息交换，实现对巡检机器人的远程控制。获取监测现场的视频图像、声音、环境气体、温度等参数以及巡检机器人位置、驱动电流、电池电量等数据信息，并对采集的图像、声音及各种环境信息进行识别、判断和智能分析，发现异常现象及时报警和处理。目前，此类巡检机器人在新矿集团寨镇煤矿绞车房、同煤集团塔山煤矿主井带式输送机等场所取得了较好的应用效果。其中，塔山煤矿在其主井运输巷中从运输机机头到中驱（长1 300 m）的行人侧和非行人侧安装了2台防爆轨道式悬挂巡检机器人，如图19所示。机器人充电点设置在地面井口位置，实现了对主井机头至三联巷区段托辊、滚筒、电机等设备及沿巷管路缆线、环境条件等定时、定点、高质量、全天候的往复巡检，巡检机器人终端的图像和红外监测结果显示界面如图20所示。
图18 防爆式巡检机器人
图19 巡检机器人现场安装示意
图20 现场红外热像监测
2）无极绳牵引巡检机器人。
为解决井下巡检机器人在轨充电的难题，中信重工开诚公司发明了一种带有自发电装置的钢丝绳牵引式巡检机器人，该系统利用自身发电装置为巡检机器人本体供电，其机构原理如图21所示。驱动控制部分包括电机、轨道、钢丝绳、驱动轮组和从动尾轮。沿机器人本体行走的路线安装有与钢丝绳平行的轨道，通过钢丝绳的牵引，巡检机器人本体在轨道上匀速行走，机器人本体内置发电机，将机械能转化为机器人内部器件运行的电能，解决了煤矿井下长距离巷道等巡检的动力电源供应问题。同时，防爆电机带动钢丝绳牵引机器人运行过程中，通过优化驱动轮衬槽结构，可解决大倾角巷道机器人轨道打滑问题，实现大坡度爬行和24 h连续巡检，钢丝绳牵引巡检机器人样机如图22所示。
图21 钢丝绳牵引式自发电巡检机器人原理
图22 钢丝绳牵引式自发电巡检机器人样机
3）轮式巡检机器人。
轮式巡检机器人系统由巡检机器人本体、无线基站和远程工作站组成。远程工作站与轨道式悬挂巡检机器人系统的地面监控中心功能相同，通过无线基站接收巡检机器人本体发来的图像、声音信息以及各种环境参数，并完成对机器人本体的控制。轮式巡检机器人本体由移动底盘、云台升降机构、摄像机、红外热像仪、多气体传感器、拾音器、扬声器、避障传感器、磁导航传感器等组成。轮式巡检机器人本体结构如图23所示。目前，该类机器人主要用于煤矿地面及井下固定场所的设备状态监测，如煤矿井下变电所、水泵房等巡检。
图23轮式巡检机器人本体结构
4）工作面巡检机器人。
目前，国内较为先进的智能化工作面已实现设备的自动化运行，采煤机自主截割、刮板输送机自动调直、液压支架自动跟机移架，但目前技术条件下尚未做到工作面无人化。工作面巡检机器人是实现综采工作面无人化的关键技术之一，通过机器人巡检替代采煤区域的巡检人员。由于工作面采场实时变换且设备安装空间狭小，对巡检机器人的设计和轨道安装有着更高的要求。目前，北京天地玛珂电液控制系统有限公司通过技术攻关，研发了一款工作面巡检机器人，以电池供电驱动行走机构，沿刮板输送机电缆槽外侧的轨道实现快速移动，轨道之间采用具有一定承载能力的弹簧连接件实现柔性连接，如图24、图25所示。该机器人搭载惯性导航系统、三维激光扫描装置、红外热成像摄像仪、可见光摄像仪、无线移动终端等装备，可完成对综采工作面直线度、水平度检测、工作面精确定位、工作面点云扫描、采煤机运行状态巡检。通过在神东榆家梁煤矿43101综采工作面应用，实现了最大巡检速度可达60 m/min。
图24 综采工作面巡检机器人现场布置
图25 综采工作面巡检机器人样机
5）露天矿极端温度环境。
露天矿输送带运输系统是其重要的生产设施，特别是冬季极端低温环境下的带式输送机运行状态监测亟需机器人替代。为了保证机器人能够在-40 ℃的极寒条件下稳定工作，整个巡检机器人系统均需采用耐低温设计。机器人运行轨道面结冰、结霜会大幅降低金属轨道表面的摩擦系数，因此，采用如图26所示的新型复合轨道设计，通过在轨道表面增加冲孔板、草纹带等防滑措施，增大摩擦力，实现大坡度条件下的巡检。同时，还要考虑到极端低温条件下的电机、减速器的选型和结构优化设计，确保轴承、润滑油脂、结构件、驱动器、编码器均能够满足在低温环境下运行的要求。为保证机器人在极寒环境能够稳定高效地工作，选用高性能的锂离子低温电池，电池组采用隔热保温设计，同时与电池组内部配备的辅助加热系统相配合，确保电池在充电之前达到充电所要求的温度范围，实现充电效率最大化，同时保障充电安全，该机器人低温环境下的试验情况如图27所示。
图26 极寒环境下巡检机器人复合轨道设计
图27 巡检机器人低温试验
6）无人机巡检机器人。
神东煤炭集团与陕西电信合作，在上湾煤矿成功实现井下5G+无人机智能巡检系统试运行，该机器人系统的现场工业性试验情况如图28所示。井下无人机可通过激光扫描定位的方式，在无GPS信号、低照度和复杂电磁环境下实现自主飞行、自主导航和自动避障，凭借5G高带宽、低时延的传输特性，通过无人机传输的井下图像清晰，无延迟，为井下设备和巷道环境的智能监测提供了良好的技术平台。
图28 井下无人机巡检系统试验
综合分析来看，煤矿安控类机器人是目前单体类煤矿机器人中发展最快的种类，煤炭企业需求量大，研发企业参与度高，产品种类多，包括工作面巡检、输送带巡检、巷道巡检、通风监测、井筒监测、管道监测等机器人。目前，多数巡检类机器人已具备轨道式或地面轮履式行走能力，能适应井下各区域、各巡检岗位的复杂作业工况，具有危险气体监测、图像捕获、红外识别等多种传感器手段，能将监测信息通过矿井现有通信网络反馈至地面调度中心，部分巡检机器人也具备了一定的井下信息智能提取能力，如通过视觉图像处理技术，智能识别仪器仪表信息和感知井下人员违章行为动作，并进行报警和设备闭锁联动操作等作业。今后，随着各类煤矿装备智能化和5G等矿井传感网络的建设，煤矿巡检机器人将摆脱在现有煤机装备基础上的叠加扩展式研发应用模式，多数设备巡检机器人将在巷道设计和煤机设备布置的初期阶段就实现与生产系统共融，巡检机器人的动力供给和巡检结果输出应用等问题也将得到根本性解决，大幅提高巡检机器人的巡检效率和巡检结果的准确性，从而逐步过渡到实现对瓦检员等一线危险区域巡检人员的根本性替代。
2.5 救援类煤矿机器人进展
煤矿救援机器人是一种在矿井发生灾害事故时，替代救护队员进入危险区域进行环境探测和对矿工实施救援的多功能智能救援装备，其应用对提升煤矿灾后救援效率、减少2 次伤亡具有重要的意义。中国矿业大学（北京）与中信重工开诚智能装备公司产学研合作，成功研发了危险气体探测、灾后灭火救援等系列煤矿安控类机器人，煤矿危险气体探测机器人样机如图29所示，煤矿灭火救援机器人样机如图30所示，主要用于矿井危险作业区域的环境探测和灭火救援，可以代替救援人员深入灾害事故现场进行侦察和搜救，具体救援应用系统构成如图31所示。
图29 危险气体探测机器人样机
图30 煤矿灭火救援机器人样机
图31煤矿救援机器人系统构成
机器人具备井下全地形行走能力，最大行走速度不低于1.5 m/s，最大越障高度不低于250 mm，连续行走时间不低于2 h，最大涉水深度不低于350 mm，机器人负载能力强，可拖载救援车进入灾害现场，及时对被困人员实施救援；机器人携带的环境探测模块可探测甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧气、温度、湿度、压差等环境参数信息，同时具有视觉、听觉、触觉、热感等功能，能够实现对现场图像、声音、温度、环境实时采集分析；机器人主要采用远距离无线遥控方式控制，在平直巷道环境中有效通信距离不低于380m，配备便携式矿用本安型手持遥控终端；可有效地解决救援人员在煤矿灾害复杂场所面临的人身安全、数据信息采集不足等问题，提高救援安全性，减少人员伤亡，目前该类煤矿机器人已在煤矿井下完成了工业性试验。
我国煤矿机器人的研发始于煤矿救援机器人，最早提出煤矿机器人的概念是通过机器人下井替代救护队员开展危险区域探测、救援作业。然而，由于煤矿灾后环境具有极大的不可预知危险性，煤矿电气设备灾后环境下的防爆要求比常规工况要求更高，因此给各类煤矿救援机器人的研发带来了巨大挑战，目前还主要集中在灾后的危险气体和巷道环境探测机器人方面，井下的救援破拆作业、伤员运送、临时医疗点布置和医疗物资补给等领域的机器人研发还处于空白状态。部分单位所研发的危险气体探测救援机器人也面临体积和质量过大等问题，未来需要根据现场救援的需要开发更多单兵便携式救援探测机器人，大幅降低机器人本体质量，提高其续航和生存能力。针对水、火、瓦斯、顶板等不同灾害类型，分类研发适用于救护队列装的成套救援作业机器人系统。
3 煤矿机器人发展趋势
我国煤矿每天下井作业人员约100万人，在采煤、掘进等危险繁重岗位上的作业人员占到60%，迫切需要进行机器人替代人工。2019年，我国传统工业领域每1万名工人拥有140台机器人，机器人密度与发达国家还有很大差距，为实现煤矿井下危险岗位减人50%，则需要40万台煤矿机器人，每处煤矿井下约需要100台机器人协助执行任务。然而，整体上来看，我国目前的煤矿机器人研发应用仍处于起步阶段，部分煤矿建成了初级智能化工作面，各类煤矿机器人研发应用正在有序推进，但距离全矿井、全矿区机器人化、无人化还有很大的距离。未来需要继续加强基础科学研究，突破关键核心技术，加快工程实践应用，逐步形成个性化、智慧化、共融化、重载化、标准化的煤矿机器人发展格局。
1）个性化。煤矿开采条件、各作业面工况不尽相同，井下作业工种多，因此需要因地制宜开展各类煤矿机器人的研发和应用。掘进机器人方面，应注重针对煤巷、岩巷、半煤岩巷等不同掘进工况，采用盾构机器人、基于连采机或综掘机的一体化机器人群等不同的掘进系统解决方案，同时发展掘锚一体机以及各类自动化钻孔机器人等；采煤机器人方面，需要加大现有智能化工作面的推广应用范围，特别针对薄煤层和条件复杂的工作面提高智能化采煤机器人群的整体开机率和自动化率，通过提高设备智能化程度提升用户体验；运输机器人方面，要加快构建全矿井煤流智能化运输系统，重点发展辅助运输机器人，实现煤矿辅助运输系统的连续化、标准化、智能化、无人化；安控机器人方面，要扩展各类巡检机器人功能，加快构建全矿井智能机器人巡检系统，推动替代瓦斯检测员等危险工种；救援机器人方面，应针对不同类型灾害研发各类煤矿事故救援机器人，提升其实用性，尽快装备各级救护大队。
2）智慧化。目前所研发的各类煤矿机器人功能较为简单、智能化程度低，大部分煤矿机器人仍处于试验样机和工程样机阶段，煤矿机器人的控制主要还依赖于遥控或简单的自主避障。未来煤矿机器人的发展必然要与智能传感和人工智能技术发展深度融合。要发展更为先进的各类机器人传感手段，引入机器视觉、听觉、触觉、嗅觉等各类高端传感技术，研发各类适用于煤矿恶劣工况的先进传感器，提升煤矿机器人的信息感知能力，使得其具备更强的自主运行控制和移动作业能力。同时注重多领域协同交叉，将工业互联网、物联网、5G通信、大数据、云计算、数字孪生技术赋能煤矿机器人，逐步推进、由易到难，不断攻克煤矿井下机器人智能探测识别、导航定位、无线通信和智能决策等关键技术，实现煤矿机器人智慧化发展引领煤矿智能化建设。
3）共融化。煤矿机器人井下作业环境复杂，且随着采掘等工作面的不断推进和动态变化，可通过煤矿机器人代替工人以减少工作面人数，但同时也给矿井生产、安全、人员、机器人的应用管理带来新的挑战。未来煤矿机器人的发展必然趋向于人、机、环共融化，即包括煤矿机器人与井下环境的共融、煤矿机器人与矿工之间的协同、各类煤矿机器人之间以及与煤机装备之间的共融等几个方面。将重点发展协作机器人、操作机器人等，通过人与机器人之间的协同完成井下复杂工序作业，从而实现无人化、少人化作业，还可以将原有的繁重体力劳动通作业由机器人替代，同时将原有人工直接参与的危险作业替换为操纵机器人作业，实现煤矿机器人和井下作业人员的全方位的融合。
4）重载化。煤矿机器人是特种机器人领域的重要分支，是未来机器人产业发展的主流方向之一。多数作业类煤矿机器人区别于其他特种机器人的重要特征是大载荷作业能力，通用工业机器人的执行器末端载荷仅为千克级，而煤矿机器人特别是煤矿重载作业机器人的载荷往往为吨级，给煤矿机器人的研发带来了重大挑战。需要更强的动力、更高效的驱动方式、更高强度的作业臂和末端执行机构设计，同时由于煤矿井下巷道空间的限制，对重载作业机器人的自身尺寸和质量还有特别要求。可重点研发煤矿井下重载运动平台，实现重载作业机器人的可靠移动；研发拆装机器人，实现综采工作面大型装备的自主拆除、装载、运输，并示范应用；研发井下管道安装机器人，实现井下大型管道的自主抓取、精确调位、快速连接等功能；研发井下巷道修复机器人，具有刷帮、起底、破碎、铲装等功能，实现变形巷道的快速修复。
5）标准化。煤矿智能化需要更多的成套煤矿机器人新产品，煤矿机器人研发企业应根据煤矿企业用户的具体使用环境需求，提供更为全面的技术、装备和整体解决方案，因此对煤矿机器人的设计、生产和运维的全过程提出了更高的标准化要求。未来煤矿机器人装备研发设计更趋于平台化、系列化、标准化、模块化，煤矿机器人基础平台将实现零部件共享，通过对其动力单元、驱动机构、行走机构的标准化和系列化设计，大幅降低产品的开发周期和研发成本，增加维护、换件的便捷性。同时，发展各类煤矿机器人的标准化接口和通讯协议，有利于实现煤矿井下多机器人群的协同作业；研发煤矿机器人通用操作系统，针对日常工况、危险工况、灾后工况的不同场景，制定标准化的煤矿机器人现场使用规范，在提高生产效率的同时杜绝新装备运维过程中的风险。
