机器人与全矿山自动化.pdf

第 5期 2 0 0 7 年 1 0月 工 矿 自 动 化 I nd us t r y a n d M i ne Au t omat i on NO ． 5 Oc t ．2 0 0 7 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 7 0 5 ～0 0 4 0 0 3 机器人与全矿山自动化 李东晓 ， 黎彦学 1 ． 天地 常州 自动化 股份 有限公 司北 京研究 中心 ， 北京1 0 0 0 1 3 ； 2 ． 甘 肃 兰阿煤业 有 限责任 公司 ， 甘肃 兰 州 7 3 0 0 9 7 摘要 文章问k a - 要介绍 了机器人的定义、 分类， 较为详细地介绍 了机 器人在煤矿 自动化 中的应用及其在全矿 山自动化中应用的关键技术， 指出机器人在煤矿 自动化的应用还处于初级阶段 ， 但随着人工智能、 传感器技术、 计算机技术、 通信技术等机器人关键技术的发展， 机器人在未来实现无人化矿井方面将发挥关键的作用。 关键词 煤矿 自动化 ； 机 器人 ； 采掘 ；凿岩 ； 喷 浆 ；瓦斯 巡检 ； 地 压巡检 ； 抢 险救 灾 中图分 类号 T D6 7 文献标 识码 A Ro b o t a n d Fu l l Aut o ma t i o n o f Co a l M i ne I ． I Do ng xi a o ，LI Ya n xu e 1 ． B e i j i n g Re s e a r c h Ce n t e r o f Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co ． ，Lt d ． ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a ． 2 ． I a n a Co a l M i ni n g Co ．，Lt d．，La nz h ou 7 3 0 09 7．Ch i n a Ab s t r a c t The p a pe r br i e f l y i n t r od uc e d t h e d e f i n i t i o n a n d c l a s s i f y i ng o f r o b ot ，a nd e x po un d e d t h e a p pl i c a t i o n o f r o b ot i n c o a l m i ne a ut oma t i on a n d k e y t e c hn ol o g i e s o f i t s a p pl i c a t i o n i n de t a i l s ．I t p o i nt e d ou t t ha t t h e a p pl i c a t i on o f r o bo t i n c oa l m i n e a u t o m a t i o n i s i n p r i ma r y l e v e l s t a g e，but i t wi l l t a ke a n i m p o r t a nt pa r t i n r e a l i z i ng ma nl e s s mi n e i n t h e f ut u r e wi t h t he de v e l o pme n t o f k e y t e c hn o l o gi e s o f a r t i f i c i a l i nt e l l i g e n c e ， s e n s o r ，c o mput e r a nd c o mm u ni c a t i on ． Ke y wo r ds c o a l mi ne a ut o m a t i o n， r ob o t ， mi n i n g， r oc k d r i l l i ng， gun i t e ， c i r c u l a r c he c ki ng of ga s ， c i r c ul a r c h e c ki n g o f gr ou nd p r e s s u r e，d i s a s t e r r e l i e f 0 弓 l 言 机器 人 技术 作 为 2 0世 纪 人类 最 伟大 的发 明之 一 ，自 6 0年代初 问世 以来 ， 经历 4 0余 年 的发展 已取 得长 足的进 步 。机 器人技 术综合 了多学科 的发展 成 果 ， 代 表 了高技术 的发展 前沿 ， 它在人 类生 活应用 领 域 的不 断 扩 大 正引 起 国际 上 重 新 认 识 机 器 人 技 术 收稿 日期 2 0 0 7 0 5 1 2 的作用 和正视 其影 响 。 1 9 8 7年 国际 标 准 化组 织 对 工 业 机 器人 进 行 了 定 义 工业机 器人是 一 种 具 有 自动 控 制 的操 作 和移 动功 能 ， 能完成 各种作 业 的可编程操 作 机 。 我 国科 学 家对 机器 人 的定 义 机 器人 是一 种 自 动化 的机器 ， 所不 同的 是这 种 机 器具 备 一些 与人 或 生物 相似 的智能 能 力 ， 如 感 知能 力 、 规 划能 力 、 动 作 能力 和协 同能力 ， 是 一 种具 有 高度 灵 活 性 的 自动 化 机器 。 ，， ，，，，，， ，，，，，，，， ，，，，，，， ，，，，，，， ，， ，，，，， ，，，，，，， ，，，，，，，，， ，，，，，，， ，，，●，，，， ，，，，，，， ，，，，，，，， ，，，，，， ，，，，，， ， E g ] [ 1 O ] TSAI C I ，FAN K C，CHUNG C D． S e c ur e I n f or mat i o n b y Us i n g Di gi t a l Da t a Embe d di n g a n d Spr e a d S p e c t r u m T e c h n i q u e s[ C] I n S a n s o n I D 3 5 t h Annu a 1 2 001 I nt e r n at i ona 1 Ca r na h an Co nf e r e n c e on Se c ur i t y Te c h no l o gy， Pr o c e e di n gs ． Lon do n I EEE Le xi n gt o n Se c t ，2 0 011 56 ～ 1 62 ． 佚名． R B 2 0 0 0救 灾 电话 [ D B ／ OI ] ． [ 2 0 0 6 1 0 1 5 ] ． h t t p ／ ／ ww w ． b j l t s j ． c o m／ p r o d u c t ． a s p i d 5 8 9 ． [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] 钱建生． 矿井多媒体综合业务数字网关键技术 的研 究 [ D ] ． 徐州 中国矿业 大学 ， 2 0 0 3 ． 程德强 ， 李世银 ， 李鹏 ， 等． 矿井 安全监测监 控 系统 r J ] ． 电视技术， 2 0 0 6 2 7 8 ～8 1 ． 胡穗 延． KT 1 4型 矿井 蜂 窝状 全 双工 移动 通信 系统 [ J ] ． 煤矿 自动化 ， 2 0 0 0 2 4 ～5 ． 胡省三 ， 谭得健 ， 丁恩杰 ， 等． 应用 高新技术改 造传统 煤炭工业『 J ] ． 中国煤 炭， 2 0 0 2 3 5 ～1 O ． 维普资讯 2 0 0 7年第 5期 李 东晓等 机器人与全矿山 自动化 4 1 在研 究 和开发 未 知及 不 确定环 境 下作业 的机 器 人 的过程 中 ， 人们 逐 步认 识 到 机 器 人技 术 的本 质 是 感知、 决策、 行动和交互技术的结合 。随着人们对机 器 人技术 智 能化本 质 认 识 的加 深 ， 机器 人 技 术 开 始 源源不 断地 向人类 活 动的各 个领域 渗 透 。结 合这 些 领 域 的应 用 特点 ， 人们研 制 了各式 各样 的具 有感 知 、 决 策 、 行 动 和交互 能 力 的特 种 机 器 人 和各 种 智 能 机 器 ， 如移 动机 器人 、 微机 器人 、 水下 机器 人 、 医疗机 器 人 、 军 用 机 器 人 、 空 中空 间 机 器 人 、 娱 乐 机 器 人 等 。 对 不 同任务 和特殊 环 境 的适应 性 ， 也 是机 器 人 与 一 般 自动 化装 备 的重要 区别 。这些 机器 人从外 观 上 已 远 远脱 离 了最 初仿 人 型机器 人和工 业 机器人 所具 有 的形状 ， 更加符合各种不同应用领域的特殊要求 ， 其 功能 和智能 程度也 大 大 增 强 ， 从 而 为 机器 人 技 术 开 辟 出更加 广 阔的发 展空 间 ] 。 1 机 器人 的分类 关 于机 器 人 如何 分 类 ， 国际上 没 有 制定 统 一 的 标 准 ， 有 的按 负载 重 量 分 ， 有 的按 控 制 方 式 分 ， 有 的 按 自由度 分 ， 有 的按 结构 分 ， 有 的按 应用 领域 分 。 我 国 的机 器人 专 家 从应 用 环 境 出发 ， 将 机 器 人 分 为两大 类 ， 即工 业 机 器 人 和特 种 机 器 人 。所 谓 工 业 机器人 就是 面 向工业领 域 的多关节 机 械手或 多 自 由度机器 人 。而特 种机 器人则 是除 工业 机器人 之外 的 、 用 于非制造 业并 服务 于人 类 的各 种先 进机 器人 ， 包括服务机器人 、 水下机器人、 娱乐机器人 、 军用机 器 人 、 农业 机器 人 、 机器人 化 机器等 。在 特种机 器人 中 ， 有些分 支发 展很 快 ， 有 独立 自成 体 系 的趋 势 ， 如 服务 机器 人 、 水 下机 器人 、 军 用 机 器 人 、 微操 作 机器 人 等 。 目前 ， 国际 上 的机 器 人学 者 从应 用 环 境 出发 将 机器 人也 分为 2类 ， 即制 造环 境 下 的工 业 机 器人 和 非制 造环境 下 的服 务 与仿 人 型 机 器 人 ， 这 和 我 国 的 分类是 一致 的 。 而煤 矿 机 器人 属 于 非 制 造 环 境 下 的 特 种 机 器 人 ， 也 可称 机器 人化 机器 。所 谓 的机 器 人化 机 器 是 指在传 统机 械 中引 入机 器 人技 术 ， 使 其具 有 机 器 人 的功 能。这 一概 念 最早 是 由蒋 新 松 院士 提 出来 的 。 当然 ， 也 可把 机器 人 化 机器 称 之 为 智 能机 器 或 智 能 机 械 。 在煤 炭 工 程 机械 行 业 ， 我 国 的大 多数 产 品都 面 临着更新换代。机器人技术 ， 即机 电液信一体化技 术是 提升 工 程 机 械 技 术 水 平 和 产 品档 次 的重 要 手 段 。 2 机器 人在 煤矿 自动 化 中的应 用 采煤业是一种劳动条件相当恶劣的生产行业 ， 其 劳动 条件 恶劣 主要表 现为 振动 、 粉尘 、 煤尘 、 瓦斯 、 冒顶 、 火 灾 、 水灾 等不安 全 因素 。这些 不安全 因素极 大地威 胁井 下工 人 的安 全 。因 此 ， 煤 矿迫 切 要 求 开 发各种不 同用途的机器人以取代人类从事的各种有 毒 、 有害及危险环境下的工作。此外， 采掘工艺一般 比较复 杂 ， 这 种复 杂 工 作很 难 用 一 般 的 自动 化 机 械 完 成 ， 采 用原 有装 备 加 装智 能 控 制 单元 构 成 的智 能 采掘设备是机器人在煤矿中应用的最理想的方法。 根 据 井 下作 业 的特 殊 条件 和 特 点 ， 机器 人 在煤 矿 自动化 中的应用 主要 有 以下几个 方 面 。 2 ． 1 特 殊 煤层 采掘机 器人 目前 ， 一般都用综合机械化采煤机采煤 ， 但对于 薄 煤层这 类特 殊情 况 ， 运用 综 合 机 械化 采 煤 机 采煤 就很 不 方便 ， 有时 甚至 是不 可能 的 。如 果用人 去采 ， 作业又十分艰苦和危险。但 是如果舍弃不用， 又造 成资源的极大浪费。因此 ， 采用通过采掘设备加装 智 能控 制单元 构成 的遥 控机 器人进 行特 殊煤层 的采 掘 是最佳 的方 法 。这种 采掘 机器人 可 以应 用现 有合 适 的采 掘设备 通过 加装有 合 适光源 和视 觉 、 听觉 、 振 动等 传感 器 ， 经 处理 单元 人工 智能 化处理 ， 进行 自主 采掘 作业 。 2 ． 2 凿 岩 机 器 人 巷道掘进是现代煤矿大规模基础设施建设中的 一 项难度大 、 耗资耗 时多、 劳动条件差 但又十分关 键 、 十分重 要 的施 工 作 业 。隧道 开 挖 一 般 采 用掘 进 法和钻 爆 法 。前 者 采 用 庞大 复 杂 的 掘进 机 ， 用 类 似 机械切 削 的方 法一 次将整 个隧道 断 面成 型 。这种 施 工方法 的特 点是 掘进 速度 快 、 安全 ， 但 是该方 法使 用 的全断面掘进机价格非常昂贵。钻爆法的施工则 比 较灵活， 断面适应性好 ， 设备费用相对低廉。 凿岩设备是钻爆法施工中的主要设备之一。 早期的液压凿岩设备完全由人工操作 ， 操作人 员 熟练 程度 的差 异往 往 会 导致 严 重 的“ 超 挖 ” 或 “ 欠 挖 ” ， 对 工程 的成本 和工 期都 会产生 不利 影响 。为 了 提高巷道开挖水平， 几乎在液压凿岩台车实用化的 同时， 国外许多厂商都将智能控制单元技术引入新 型 液压凿 岩设 备 中。随 后 ， 世 界 上几 乎 所 有 的发 达 国家都推出了具有机器人特征的半 自动计算机辅助 凿岩台车和全 自动凿 岩台车， 也就是凿 岩机器人。 由于这类凿岩机器人主要用 于隧道的开挖 ， 所 以将 它称为巷道凿岩机器人。这种机器人可以利用传感 维普资讯 4 2 工矿 自动化 2 0 0 7年 1 O月 器来 确 定巷道 的上缘 ， 这样 就可 以 自动瞄 准巷道缝 ， 然后 把钻 头按 规定 的 间 隔 布置 好 ， 钻 孔 过 程用 微 机 控制 ， 随 时根据 岩石 硬 度 调 整钻 头 的 转 速 和力 的大 小 以及钻孔 的形 状 ， 这 样 可以大 大提 高生产 率 ， 人 只 要在 安全 的地方 监视 整个作 业过 程就 行 了。 2 ． 3 井下喷浆机 器人 喷浆 就 是 喷 射 混 凝 土 。 喷 浆 支 护 是 国 内 近 几 十 年来大力 推广 应用 的一 种巷 道支护 新工 艺 。我 国有 大 、 中型 煤矿 5 0 0多个 ， 每个 矿 都有 掘 进 队 5 ～ 6个 ， 其巷道 开挖 总量 比铁 路还 多 。 与传统的木材 、 钢梁支护方法相比， 喷浆支护不 仅 节省 大量木 材和 钢材 ， 而且具 有施 工速 度快 、 支护 效 果好等 优点 。但井 下 喷浆作业 是一 项很 繁重并 且 危害人体健康的作业 ， 目前这种作业主要 由人操作 机械 装置 来完成 ， 这 种方 法 的缺 陷很 多 ， 如人工 喷浆 时 ， 回弹造 成 的飞沙走 石使 工人 不敢抬 头 睁眼 ， 致 使 无法保持喷枪与受喷面垂直 ， 也无法使喷枪 口与受 喷面保持最佳距离 。这样 ， 不仅混凝土的回弹率高 3 0 ～ 5 O ， 浪 费材 料 ， 而 且 混凝 土 结 构疏 密 不一 ， 不能保证喷层的质量。另外对大断 面隧道， 人工喷 浆 需要 搭脚 手架 ， 影响 施工进 度 ， 且 费工 费料 。 喷浆机 器人 可用 于一切需 要 喷浆 的工程 中 。采 用喷浆机器人不仅可 以提高喷涂质量 ， 也可以将人 从 恶劣 和繁重 的作业 环 境 中解 放 出来 。 2 ． 4 瓦斯 、 地 压 巡 检 机 器人 瓦斯 和 冲击地 压是 井下作 业 中的 2个不安 全 的 自然 因素 ， 一 旦 发 生 突然 事 故 ， 是 相 当 危 险 和 严 重 的。但 瓦斯和 冲击 地 压 在形 成 突 发 事故 之 前 ， 都 会 表 现 出种 种迹 象 ， 如 岩 石破 裂 等 。采 用 带 有专 用 新 型传 感器 的移动 式巡 检 机器 人 ， 可 连 续 监视 采 矿 状 态 ， 便于及 早发 现事 故突发 的先 兆 ， 采 取相应 的 预防 措施 。 2 ． 5抢 险 救 灾机 器 人 煤 矿救 灾机 器人 采用 自主避 障和遥 控 引导相 结 合 的行走控 制方 式 ， 能 够深 入 事 故 矿 井探 测 前 方 的 火灾 温度 、 瓦斯浓度 、 灾害场 景 、 呼救声讯 等信 息 ， 并 实时回传现场信息 和图象 ， 为救灾指挥人员提供 重 要 的现场灾害信息。同时 ， 搜救机器人上携带 了急 救药 品 、 食物 、 生命 维 持 液 和 简易 自救 工具 ， 以 协助 被 困人 员实施 自救 和逃 生 。 3机 器人在 全矿 山 自动化 中应用 的关键 技术 3 ． 1 智能机 器人 班组技 术 在建设 全矿 山 自动 化 方面 ， 要 突 破过 去 关 于单 种机器 人 的单 兵作 战 的概 念 ， 要 从 整体 矿 山 与 全作 业流程的 自动控制、 协调 、 适应、 保护、 调整 、 修复甚 至再 生 的角度 出发 ， 采用分 布式协 同、 智能决 策等技 术 实现 多种 、 多个机 器人编 班协 同工作 ， 真正 实现整 个生 产 、 管 理过程 的 自动化 ， 而不 是形成 单个 的 自动 化“ 孤岛” 。 3 ． 2 机 器人 与监 控 系统 的 闲环 一体化技 术 现有 监 测监 控 系统 大 部分 属 于 开环 系统 ， 生 产 控 制 系统未 实现 闭环运 行 。对于全 矿 山 自动化 中的 机器人 来说 ， 必须 实 现 与现 有 监 测监 控 系 统 的 闭环 运 行 ， 利用 现有监 测 监控 系统 的信 息 指 导机 器 人 的 运行和操作 ， 才能体现其高生产率的优势 ， 才能进行 安 全生 产 ， 例 如 ， 出现 瓦 斯超 标 ， 能立 刻 自动停 止 采 掘 机器人 的工作 。 3 ． 3 机 器人 与数 字化矿 山资 源库 的集成技 术 利 用 数 字 化 矿 山资 源 数 据 库 中的 矿 山 地 质数 据 ， 采用机 器人 可 以实现无 人化 矿 山。 3 ． 4 机 器人地 下快 速 定位与 自动导航技 术 基于 GP S的地 面 快 速 定位 与 自动 导 航 问题 已 基本 解决 ， 而在卫 星信 号不 能到达 的地 下矿井 ， 除传 统 的陀螺 定 向与 初 露 端倪 的影 像 匹配 之 外 ， 尚没 有 满 足矿 山工程精 度与 作业速 度要求 的地 下快 速定位 与 自动导航 的理论 、 技 术与 仪器 ， 而这对 于机 器人的 井下 工作来 说非 常重要 。 3 ． 5 机 器人 井下 多媒 体通 信与 无线传输技 术 在全矿 山 自动 化 系统 中 ， 如何快 速 、 准确 、 完整 、 清晰 、 实时地 向井 下机 器人传 输矿井 各类 环境 指标 、 设备工况、 人员信息 、 作业参数与调度指令 ， 并 以多 媒体的形式进行地面一井下双向、 无线传输 ， 是有待 研 究解 决 的关 键技 术 。 4 结语 随 着机 器 人研 究 的不断 深 入 和发 展 ， 煤矿 机 器 人 的应用 领域将 越 来 越 宽 ， 经 济效 益 和 社会 效 益也 会 越来越 显著 。 应该 指 出 ， 机 器人 在 煤矿 自动 化 的应 用还 处 于 初级 阶段 ， 但 由于这 项 技 术对 于煤 矿 自动 化领 域 的 关键性， 相信随着人工智能、 传感器技术 、 计算机技 术 、 通 信技 术等 机器人 关键 技术 的发展 ， 在未 来实现 无人 化矿 井方 面将发 挥关键 作用 。 参考文献 [ 1 ] [ 美] 丹尼斯 克拉克 ， 迈克尔 欧文斯． 机器 人设 计与 控制 [ M] ． 宗 光 华 ， 张 慧 慧 ， 译． 北 京 科 学 出版 社 ， 2 00 4． E 2 3 [ 美] 罗 宾 默 菲． 人工智能机器人学 导论 [ M] ． 杜 军平 ， 译． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 维普资讯