煤矿井下仿生机器人技术应用与前景分析.pdf

第 45 卷第 6 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 6 2020 年6 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJun. 2020 移动阅读 宋锐,郑玉坤,刘义祥,等. 煤矿井下仿生机器人技术应用与前景分析[J]. 煤炭学报,2020,4562155-2169. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. ZN20. 0328 SONG Rui,ZHENG Yukun,LIU Yixiang,et al. Analysis on the application and prospect of coal mine bionic robotics [J]. Journal of China Coal Society,2020,4562155-2169. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. ZN20. 0328 煤矿井下仿生机器人技术应用与前景分析 宋 锐1,2,郑玉坤1,2,刘义祥1,2,马 昕1,2,李贻斌1,2 1. 山东大学 控制科学与工程学院,山东 济南 250061; 2. 智能无人系统教育部工程研究中心,山东 济南 250061 摘 要当前煤矿安全生产正面临着重大技术挑战,井下作业技术的智能化、无人化迫在眉睫,机器 人化替代已成为重要解决途径。 煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑,从煤矿井下 智能化、无人化作业需求出发,综述了目前掘进、采煤、运输、安控、救援五大类煤矿机器人国内外的 应用现状。 在此基础上,就国内外仿生机器人技术在煤矿作业中的应用现状做了概述,指出了煤矿 仿生机器人技术与装备发展思路和研究方向。 综述了仿生机构、仿生感知、仿生控制、仿生驱动和 仿生材料等关键技术的研究现状,并阐述了仿生技术较现有设备的优势及可应用场景。 结合目前 仿生技术与人工智能技术的发展水平,科学分析了仿生机器人的发展趋势,包括从传统驱动器向 生物肌肉驱动器的发展,从刚性结构向软体和刚柔混合结构发展,由传统材料到新型生物材料发 展,从单一运动模式向高机动多栖机器人发展,从传统控制方法向生物智能控制发展,从机电系统 机器人向生物系统机器人发展,从单一机器人向集群机器人发展。 结合仿生机器人技术的发展趋 势,展望了仿生机器人技术在煤矿无人化作业中的应用前景新型功能材料的应用,高效行走方式 的应用,智能环境感知的应用,智能化自主作业的应用,为煤矿仿生机器人的开发利用提供参考。 关键词煤矿机器人;仿生机器人;无人化作业;煤矿智能化 中图分类号TD67;TP242 文献标志码A 文章编号0253-9993202006-2155-15 收稿日期2020-02-28 修回日期2020-04-11 责任编辑韩晋平 基金项目国家重点研发计划资助项目2019YFB1312103;山东省重点研发计划资助项目2019JZZY010430 作者简介宋 锐1975,男,山东济南人,教授,博士生导师。 E-mailrsong sdu． edu． cn Analysis on the application and prospect of coal mine bionic robotics SONG Rui1,2,ZHENG Yukun1,2,LIU Yixiang1,2,MA Xin1,2,LI Yibin1,2 1. School of Control Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China; 2. Engineering Research Center of Intelligent Unmanned System, Ministry of Education,Jinan 250061,China AbstractAt present,the safe production in coal mines faces great technical challenges,and the technology of intelli- gent and unattended operation is imminent. Robotization has become an effective solution for this crucial issue. Intelli- gent coal mine is the core technical support for the high quality development of the coal mine operation. Beginning with the demand of intelligent and unmanned operation in coal mine,the current application status of coal mine robots for excavation,coal mining,transportation,safety control and rescue is summarized. On this basis,an overview of the cur- rent states of the application of bionic robot technology in coal mining operations is summarized and the development ideas and research directions of coal mine bionic robot technology and equipment are proposed. Then,the research sta- tus of key technologies of bionic mechanism,bionic perception,bionic control,bionic actuation and bionic material are introduced,and the advantages and applicable scenarios of bionic technology are compared with existing equipment. Combining with the current development level of bionic technology and artificial intelligence technology,the develop- 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 ment trends of bionic robot are scientifically analyzed including from traditional actuator to bionic muscle actuator,from rigid mechanism to soft and rigid-flexible mechanism,from traditional material to novel biomaterial,from single move- ment pattern to high maneuver multi-habitat robot,from traditional control to bionic intelligent control,from e- lectromechanical system robot to bionic system robot,and from single robot to swarm robot. Finally,integrating the de- velopment trend of bionic robots,the application prospect of bionic robot unattended operation in coal mine is depic- ted,i. e. ,the application of new functional materials,the application of efficient walking mode,the application of intel- ligent environment perception,and the ap-plication of intelligent autonomous operation,which provides references for the development and utilization of coal mine bionic robots. Key wordscoal mine robot;bionic robot;unattended operation;intelligent coal mine 煤炭是我国的主要能源和重要原材料,在我国一 次性能源消费中,煤炭占比高达 70 以上,为我国提 供了 76的发电能源、76 的工业燃料和动力、60 的民用能源及 70的化工原料。 2019 年全国原煤产 量达 37． 5 亿 t,同比增长 4． 2 [1]。 预测 2025 年能 源消费需求为 55 56 亿 t 标准煤[2]。 煤矿开采是公认的高危行业,作业环境恶劣,水、 火、煤尘、瓦斯、顶板等灾害多,其非结构化环境使传 统自动化机械的使用受到局限,导致井下作业人员较 多。 高危岗位的机器人化替代,将会极大程度地降低 井下作业的危险系数,减少人员伤亡。 为了进一步推 动机器人、智能装备在危险工序和环节的替代应用, 2019 年 1 月国家煤矿安全监察局发布了煤矿机器 人重点研发目录,聚焦关键岗位、危险岗位,重点研 发应用掘进、采煤、运输、安控和救援 5 类 38 种煤矿 机器人,并对每种机器人的功能提出了基本要求。 我 国提倡智能矿山建设,其核心架构是机器人化开采, 煤矿机器人作为煤矿智能化的重要载体,是实现智能 无人开采的重要途径[3-5]。 仿生机器人作为机器人领域的一个重要分支,按 其应用场景不同,可分为仿生飞行机器人、仿生水下 机器人、仿生地面机器人等类型[6],随着仿生机器人 微型化、仿形化、多功能化的发展,在医疗健康、国防 军事、救援救灾等领域发挥了重要的作用。 尽管目前部分煤矿机器人已应用于煤矿生产作 业现场[5],但是煤矿井下环境的特殊性和作业的复 杂性使得传统结构的机器人产品和技术能解决的问 题非常有限。 近年来仿生技术的发展,为仿生机器人 在煤矿产业的应用带来了新的机遇。 1 煤矿机器人的应用现状 当前煤矿作业技术与装备呈现出无人化的重要 趋势,煤矿作业机器人是解决煤矿无人化作业的重要 途径。 近年来,随着煤矿自动化与机器人技术的快速 发展,煤矿作业机器人已在掘进、开采、运输、安控、救 援等多个方面获得应用。 1． 1 机器人化掘进机 掘进工作完成对煤矿生产作业巷道的开凿,是保 障和提高煤矿矿井生产质量的核心内容。 掘进作业 技术和装配水平是影响开采作业质量与生产安全的 重要因素。 近年来,随着自动化水平的提高,掘进装 备也向着数字化、智能化方向发展,并出现了机器人 化掘进机,其行走控制、断面自动成形截割控制、煤岩 动态感知、工作状态实时监测和远程监控智能化已成 为国内外研究的技术热点[7]。 文献[8]系统地阐述 了国内外掘进机器群的研究现状与当前掘进机器人 的关键技术。 国内常用的掘进装配是悬臂式掘进 机[9],如图 1a所示,集截割、装运、行走、操作等功 能于一体,主要用于截割任意形状断面的井下岩石、 煤或半煤岩巷道等。 欧美国家其技术水平领先,大多 采用的是连续型采掘机,如图 1b所示,并且实现了 智能化作业任务[8]。 1． 2 智能化采煤装备 智能化无人综采作为目前最先进的采煤技术,在 国内外广泛应用。 智能综采机由具有感知、记忆、学 习和决策能力的液压支架、采煤机、刮板输送机等组 成图 2,通过控制系统实现远程监测与控制,提高 了开采的效率,保障了人员的安全。 长壁采煤作为一种采煤方法,具有生产效率高、 操作平稳等特点。 美国近 60 的地下煤炭生产采用 长壁式采煤机[10],如图 3 所示。 机械化长壁采煤系 统具有许多优点,可用于开采厚度范围广泛的煤层。 无论是薄煤层还是薄且高度倾斜的煤层,长壁采煤机 都有相应的解决方案,可以开采最小厚度为 0． 4 m、 倾斜度为85的煤层。 我国从20 世纪80 年代开始开 展综放开采技术的引进与试验,在“十三五”期间将 “加快推进煤炭无人开采技术的研发和应用”列为能 源领域重点项目工程,2018 年 “千万吨级特厚煤层 智能化综放开采关键技术”获得国家重点研发计划 支持[11]。 我国依靠自主创新研发了 SAM 智能综采 6512 第 6 期宋 锐等煤矿井下仿生机器人技术应用与前景分析 图 1 机器人化掘进机 Fig． 1 Roadheader robot 图 2 智能综采机 Fig． 2 Intelligent fully mechanized mining 控制系统[12],实现了智能自动采高调整、自动斜切进 刀、连续推进等功能。 我国目前的综采技术已达到国 际领先水平[11]。 图 3 长壁式采煤机 Fig． 3 Longwall shearer 1． 3 智能化运输装备 煤矿运输装备主要用于煤炭剥离后的搬运流程 中,涉及的机器人化设备包括搬运机器人、选矸机器 人、提升机器人等。 近年来,国内关于煤矿运输系统 的智能化成为了研究热点,中国矿业大学等单位研发 的永磁电机驱动的机器人化带式输送机系统,采用了 智能感知控制策略并已投入运行[3]。 西安科技大 学[13]研制了由四根缆绳驱动的煤矸石抓取机器人, 采用机器视觉技术实现了煤矸石的精确抓取。 刮板输送机执行采煤运出的任务,它的效率直接 影响到整体采煤的效率。 多家科研单位针对刮板输 送机的智能化开展了研究,包括智能控制方法、智能 监控系统和效率提升等方面[14]。 文献[15]采用改变 电机主频的方法,实现了在运输载荷变化时刮板输送 机速度的智能调节。 文献[16]通过对国内外刮板链 的对比,采用变频调速技术对刮板运输系统煤流通道 防堵系统进行了改进,并验证了方案的可行性。 1． 4 煤矿安控机器人 煤矿巡检机器人主要用来完成煤矿第 1 现场的 巡查监视等工作,需要面对狭小空间、设备复杂、环境 视野差等恶劣工况,主要包括工作面巡检机器人、管 道巡检机器人、巷道巡检机器人等。 从 20 世纪 80 年 代开始,日美等国已开展了大量巡检机器人的研究工 作。 例 如 美 国 智 能 系 统 和 机 器 人 中 心 研 发 的 RATLER 矿井探索机器人[18],用于探测矿井灾区现 场环境信息,该机器人携带有陀螺仪、危险气体传感 器、主动红外摄像机和无线射频收发器等,最远无线 遥控操作距离达 76 m。 为更好的开展矿山救护工 作,澳大利亚、美国开展了不同用途的煤矿巡检探测 机器人系统的研究,并推出多款形式不同的机器 人[17]。 近年来,我国煤矿巡检机器人的研究工作也 取得了技术突破,并且部分成果已获得应用。 如巷道 机器人已在同煤集团塔山煤矿投入使用,工作面巡检 机器人在黄陵一号煤矿得到应用,实现了工作面实时 状态数据的采集与回传。 1． 5 煤矿救援机器人 煤矿井下是事故高发环境,塌方、冒落、透水、爆 炸、瓦斯突出等事故一旦发生,其救援工作既危险又 困难。 应对非结构化的受限空间,研发智能化、无人 化的煤矿井下灾后救援机器人是煤矿机器人领域的 一个重要研究方向。 煤矿救援机器人是减小井下救 援伤亡的重要技术装备,因此多年来也得到了大量研 究者的关注,并取得了重要的阶段性突破。 煤矿救援 机器人需要面对崎岖复杂的地形环境,履带式救援机 器人由于其良好的运动性能与地形适应能力而应用 最为广泛[18]。 如美国 Remotec 公司研发的 V2 煤矿 救援机器人[19],采用防爆电机驱动履带作为动力,并 且搭载了传感器和机械臂。 2008 年由中国矿业大学 7512 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 研制的煤矿救援机器人[20],携带有视觉、气体感知等 多种传感器,采用无线网络能够将灾后现场的图像和 数据实时回传。 我国“863”计划多次立项支持了煤 矿井下搜救和救援机器人项目,并有部分成果完成了 示范应用[5]。 中信重工开诚智能装备有限公司研制 的煤矿巡检与救援机器人产品已获得矿用安全标志 和防爆认证,其煤矿机器人产品已被应用于多个煤矿 作业现场。 1． 6 煤矿仿生机器人 煤矿井下巷道空间狭小,环境复杂,灾害事故发 生后将变得更加恶劣难料。 这就对煤矿机器人的复 杂恶劣环境适应能力提出了更高的要求。 经过长期 的自然选择,动物在机构、功能执行、信息处理、环境 适应和自主学习等方面都具有高度的合理性、科学性 和进步性[21]。 因此,仿生机器人在环境适应方面具 有较强的优势。 近年来部分仿生机器人成果也逐渐 被应用到了巡检、救援等煤矿井下作业任务中。 蛇形机器人结构柔性高、体积小、稳定性好,并具 有多种运动模态,能够钻入狭缝、穿越洞穴、逾越崎岖 地面、翻越障碍物,对多种复杂地形具有较强的适应 性,比较适合井下搜救与救援等作业任务。 哈尔滨工业大学赵杰研究团队面向煤矿井下探 测设计了新型多节履带式蛇形机器人,如图 4 所示, 其具有正压防爆系统以及多种探测传感器,采用基于 航向轨迹曲率估计方法实现了多节履带式蛇形机器 人的转向与航向控制[22]。 西安科技大学侯媛彬研究 团队结合灾后煤矿巷道的复杂环境特点和蛇形机器 人自身的优点,研制出一种叶片轮式的煤矿蛇形探测 机器人,并对未知环境位姿控制、路径规划策略等问 题开展了相关研究[23]。 日本东京工业大学 HI- ROSE [24],从救援机器人的行走系统出发,先后设计 了“ACM”、“GENBU”、“SORYU”等一系列地形适应 能强的救援蛇形机器人样机,如图 5 所示。 其中 ACM-R5 蛇形机器人可以完成水陆两栖作业,通过 蛇形机器人关节处的波纹管实现了直接单元驱动、侧 移滚动、螺旋等运动形式。 此外,美国卡内基梅隆大学机器人研究中心[25] 研制了一款用于井下地图创建的机器人雪貂,该机器 人装备有声纳和激光测距传感器,能够建立三维井下 地图,从而可对矿井环境进行评估。 加拿大安大略大 学研发了仿生土拨鼠矿难救灾机器人[26],如图 6 所 示,该机器人采用四足行走,地形适应能力强,由四连 杆并联机构作为机器人灵活的头部,且身体结构具备 蠕动功能,在遇到堵塞区域时能够进行掘进,可在狭 小空间中穿行,有效减少了环境探测的盲区。 图 4 蛇形机器人 Fig． 4 Serpentine robot 图 5 仿生蛇救援机器人 Fig． 5 Snake-like rescue robot 图 6 仿生土拨鼠矿难救灾机器人机构 Fig． 6 Groundhog-like mine rescue robot 文献[27]研究了应用于煤矿救援的仿生有袋式 机器人,其主要由母机器人与子机器人组成,如图 7 所示。 有袋机器人可以弥补单个机器人在行走、越 障、动力和通讯等多方面的不足,对于提高紧急情况 的救援能力、减少人员伤亡具有重要意义。 8512 第 6 期宋 锐等煤矿井下仿生机器人技术应用与前景分析 图 7 仿生有袋式机器人 Fig． 7 Schematic diagram of the marsupial robot 目前,由于技术水平与煤矿环境的限制,仿生 机器人在煤矿生产作业中的应用领域相对较小。 仿生技术在复制动物原型的同时,还需要全面考 虑生物运行、感知和控制模式等因素,才有可能最 大程度地接近生物性能。 同时机电系统与生物特 性的融合、传统结构和仿生机构的融合、以及仿生 驱动的应用将推动仿生机器人的发展成为集机械 结构和生物特性于一体的“仿生系统” [6],从而具 有更广泛的适用性。 2 仿生机器人关键技术 仿生机器人在短短几十年内取得了丰富的研究 成果,已成为机器人领域的重要分支,广泛应用于军 事、生产、生活、医疗、运输、救灾等领域,下面分别从 仿生机构、仿生感知、仿生控制、仿生驱动和仿生材料 5 个方面阐述仿生机器人关键技术的研究现状及其 在煤矿中的应用预测。 2． 1 仿生机构 模仿生物体的各种运动方式,并结合机构设计和 力学等原理,设计应用于不同环境中的机器人机构是 仿生机构的重要研究内容。 多年来,国内外学者在这 方面开展了大量研究工作,如各类水下仿生机器人、 腿足式仿生机器人、仿生爬行机器人、仿生跳跃机器 人、仿生飞行机器人等。 2． 1． 1 仿生水下机器人 仿生机器鱼作为一种高效、高机动的水下机器 人,如何实现机器鱼的快速推进和转向等引起了国内 外广大研究人员的关注。 国外针对仿生鱼的研究开 始于 20 世纪 90 年代,美国麻省理工学院研究了仿金 枪鱼结构的“Robotuna” [28] 仿生机器鱼,如图 8a 图 8 仿生机器鱼 Fig． 8 Bionic fish 9512 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 所示,主体由不锈钢、齿轮和电缆制成,依靠身体/ 尾 鳍实现推进,之后又推出了改进版的 VCUUV 机器 鱼,如图 8b所示。 新加坡南洋理工大学模仿蝠鲼 胸鳍推动的原理,采用并联伺服电机带动鳍条运动产 生动力,研发了仿蝠鲼机器鱼“RoMan-II” [29],如图 8c所示。 国内北京航空航天大学、北京大学、中国科学院 自动化研究所等机构也开展了仿生机器鱼的研究。 北京航空航天大学是国内开展机器鱼研究最早的单 位之一,文献[30]基于鱼的硬骨与软骨设计了软体 可拍动/ 折展的仿生柔性鱼鳍,如图 8d所示,实现 了鱼鳍的抬起/ 收合,以及可控的多相位、幅度组合波 动等多种运动模式。 中科院自动化所采用多连杆机 构研制了仿海豚水下机器鱼[31],通过研究机器鱼偏 航和多俯仰关节的推进原理,实现了尾鳍推进和波动 鳍推进,如图 8e所示。 仿生水下机器人具有推进效率高、灵活、机动性 好等特点,且身体柔软对环境的适应能力强,更能适 合于水下作业任务。 仿生机器鱼可结合机械臂应用 于煤矿井下水仓作业、突水事故探测等,完成复杂的 水下操作。 2． 1． 2 仿生地面行走机器人 仿生足式机器人主要通过模仿生物迈步方式实 现运动,因其多运动模式、运动灵活,具有行走、奔跑、 跳跃等多种步态,且对地形适应能力强而受到广大学 者们的青睐。 例如国外的美国波士顿动力[32]、麻省 理工学院[33]、苏黎世联邦理工学院[34]等,国内的山 东大学[35]、浙江大学[36]、国防科技大学[37]、北京理工 大学[38]等,这些研究单位主要采用多连杆结构模仿 动物腿的伸屈动作,如图 9a,b 所示。 除此之 外,气动直线伸缩式[39],并联伸缩式机构[40]也是常 用的机构,如图 9c,d所示。 图 9 仿生四足机器人 Fig． 9 Quadruped robot 很多昆虫能够在垂直、甚至倒置的表面行走,主 要依靠脚下的吸附机构。 受壁虎爬行的启发,斯坦福 大学[41]采用了高分子聚合物的层叠排布,模仿壁虎 脚底的定向黏合剂,实现了仿生爬行壁虎在垂直的玻 璃、塑料等光滑表面的行走,如图 10a所示。 无肢 动物如蛇、蚯蚓、蠕虫等,依靠身体的蠕动实现爬行。 日本东京工业大学[24]最早开始蛇形机器人研究,实 现了机器人的蜿蜒和蠕动行进。 除此之外,美国密歇 根大学开发的履带式蛇形机器人“OmniTRead” [42]和 卡梅隆大学开发的由 16 个模块组成的模块化蛇形机 器人[43],实现了越障和快速攀爬,如图 10b,c所 示。 通过模仿青蛙、袋鼠、蝗虫等具有强大弹跳能力 的生物结构并基于弹跳机理设计跳跃机器人也是当 前的热门方向之一。 德国 Festo 公司设计的仿生袋 鼠机器人 Bionic Kangaroo[44]如图 11a所示,模仿袋 鼠后腿弹跳原理,采用气动执行机构推动连杆结构实 现了高效稳定的连续跳跃。 文献[45]使用扭矩弹簧 0612 第 6 期宋 锐等煤矿井下仿生机器人技术应用与前景分析 图 10 仿生爬行机器人 Fig． 10 Bionic crawling robot 图 11 跳跃机器人 Fig． 11 Jumping robot 模拟蝗虫后腿股骨和胫骨的运动特性,设计出一种小 型跳跃机器人,如图 11 b 所示,跳跃高度可达 3． 1 m,距离为 3 m。 仿生行走机器人对行走路面要求低,能更灵活跨 越垂直障碍、沟渠等,具有灵活机动等特性,未来可用 于煤矿井下复杂地形环境作业,执行灾后探测、应急 救援等高危任务。 如在 2019 年 12 月美国国防高级 研究计划局DARPA举办的地下挑战赛中,四足机 器人 ANYmal 成功展示了在地下矿井自主探测作业 中的应用,取得了良好的效果。 2． 1． 3 仿生飞行机器人 鸟类、蝙蝠、昆虫等飞行动物能够以1 Hz 1 kHz 的频率拍打翅膀,从而产生升力和推进力,但只有蜂 鸟和昆虫能够产生足够的飞行功率密度,从而实现长 时间盘旋和悬停。 其中,针对仿生扑翼飞行机器人振 翅原理的研究是一个热点, 如著名的德国智能 鸟SmartBird [46],通过对飞蝗飞行机理和运动特性 的分析,采用梯形铰链结构设计了仿生扑翼机构如图 12a所示。 美国 Aero Vironment 公司研发的“纳米 蜂鸟”扑翼飞行器[47]如图 12b所示,采用仿蜂鸟高 1612 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 频振翅的方式实现了灵活飞行与悬停。 图 12 仿生扑翼机构 Fig． 12 Bionic flapping wing mechanism 仿生飞行机器人相对于固定翼与旋翼飞行器,具 有机构紧凑、灵活机动性能强等特点,可应用于煤矿 井下的环境探测作业,尤其适用于巷道坍塌后等运动 空间受限,地面装备无法进入时进行先期探测等任 务。 2． 2 仿生感知 动物可以依靠自身的感知器官来感知世界、控制 运动、捕捉猎物、逃脱捕食者等,比如苍蝇身上就有大 约 30 种不同的传感器[48]。 因此,研究生物系统如何 感知环境、处理信息有助于开发更智能、适应性更强 的机器人。 图 13 为仿生感知在机器人中的典型应 用。 2． 2． 1 仿生视觉 视觉是生物界感知世界、行为判断的主要方式, 视觉占据了一个人正常五官信息来源的 90 以上。 生物视网膜相对于传统的电荷耦合器件CCD和互 补金属氧化物半导体CMOS图像传感器在信息感 知、传递与处理过程具有巨大的优势,其采用大规模 并行、超稀疏表示、事件驱动和异步传输等模式,为仿 生视觉的研究提供了重要基础[49]。 文献[50]为盲人 设计了一款仿生眼,由嵌入摄像头的眼镜和植入视网 膜后的微芯片组成,通过瞳孔传输的图像被芯片转换 成电信号,然后传送到大脑从而帮助盲人阅读单个字 母。 北京理工大学[51]研发了一种拟人化机器仿生 眼,内部有两个摄像头模仿人眼的感知特性,采用了 图 13 仿生感知 Fig． 13 Bionic perception 紧凑的串并联结构,使其具有人类眼球相同的自由 度。 生物研究发现,大多数昆虫具有 2 种眼睛 单 眼和复眼。 昆虫的独特眼睛使它对于光线特别敏感, 可以在晚上看清物体。 单眼作为感光器用来探测外 界光照强度,具有非常高的速度和灵敏度。 哈佛大 学[52]受昆虫单眼的启发设计了一款视觉传感器,用 它来稳定一个苍蝇大小的机器人。 文献[53]研究了 可变焦的复眼,采用可变性聚二甲基硅氧烷微透镜阵 列集成设计了可聚焦复眼,扩大了复眼的视野范围。 视觉里程计是视觉导航系统的核心组成部分,如 在同步定位与地图构建SLAM中起到重要的作用。 文献[54]受啮齿动物海马模型的启发,提出了一种 新的 SLAM 算法 RatSLAM,基于该算法可以减小 计算量,提高运算的实时性。 网格细胞是大鼠内嗅皮 层路径系统的一部分,它们和其他细胞一起构成了大 脑中的定位系统。 应用网格细胞整合从视觉系统中 估计出的机器人运动信息,可以实现视觉里程计的功 能,较好地解决不同运动速度的机器人的航迹推算问 题[55]。 2612 第 6 期宋 锐等煤矿井下仿生机器人技术应用与前景分析 视觉是煤矿井下机器人智能感知系统的基础,煤 矿井下机器人的任何自主运动与作业都离不开视觉 的参与,例如物体识别、地图构建与自主导航等。 仿 生视觉在信息感知、传递和处理等方面具有更大的优 势,例如昆虫的复眼具有体积小、质量小、视场大、灵 敏度高、可测速等优点,可更好应用于煤矿井下机器 人作业中。 2． 2． 2 仿生触觉 基于触觉的仿生技术主要应用于触觉神经的模 拟、人造皮肤[56]图 13b或纤维感知。 针对仿生 触觉,研究者们开展了大量的研究与实验。 如斯坦福 大学[57]采用柔性电子器件模仿感觉神经实现了对压 力信息采集。 苏黎世联邦理工大学[58]基于响尾蛇纹 孔膜传感机制,研制了果胶膜人造皮肤,可以达到很 好的生物性能。 华中科技大学[59]开发的一种电子皮 肤传感器 TENG,实现了压力的感知、粗糙度和硬 度的测量等功能。 仿生触觉具有更好的柔性、灵敏度和多功能性等 特点,更适合于煤矿井下灾后复杂非结构化环境,可 以有效提高机器人的深度感知能力,防止或减轻碰撞 造成的伤害。 2． 2． 3 仿生嗅觉 仿生嗅觉通过探究生物嗅觉的原理,采用传感器 阵列、信号处理和模式识别等技术,将各种气味进行 数字信息化。 采用仿生原理的嗅觉系统在检测灵敏 度、检测时间上都有很大的提升。 电子鼻的概念最早 是由英国 Warwick 大学的 PERSAND 和 DODD 在 1982 年提出,现已广泛应用于生物医学、环境监测、 农业生产、食品检测等行业[60-62]。 文献[63]对当前 电子鼻中采用的传感器技术、模式识别技术等进行了 详细的介绍。 仿生嗅觉与传统的气体检测设备相比具有更广 的感知范围与灵敏度,可广泛应用于煤矿井下各种危 险气体的感知与探测,为煤矿生产提供安全预警。 2． 3 仿生控制 经过几千年的进化,动物具备了应对复杂外界环 境的能力,其敏捷性和效率是目前任何机械控制系统 无法比拟的,例如猎豹的飞奔,鸟的飞行等。 高性能 的运动控制方法是提高仿生机器人运动机动性和稳 定性的关键,也是制约仿生机器人性能的关键问 题[64]。 目前最常用的仿生控制方式有基于行为的仿 生控制、基于神经网络的仿生控制、基于遗传算法的 仿生控制、基于群的仿生控制等。 针对这些算法国内 外也都开展了相关研究。 自然界中动物常见的运动方式是节律运动,如动 物的行走、奔跑、跳跃、游泳、飞行以及动物的呼吸、心 脏跳动等都是节律运动。 研究人员通过对生物节律 运动机理的研究,提出了基于 CPG中枢模式发生 器的步态规划方法[65]。 CPG 控制方法是以 CPG 神 经元网络数学模型作为底层运动控制器,产生连续协 调的节律运动控制信号,其运动协调稳定性和环境适 应性较好。 文献[66]在 Wilson-Cowan 神经振荡器 基础上,提出了一种新的 CPG 控制器,用于四足机器 人的节律运动。 文献[67]受鱼和海豚依靠波动身体 运动的启发,采用基于 CPG 的控制器实现了仿生机 器鱼的平稳游动。 另外,CPG 作为一个成熟的方法 广泛应用于足式机器人控制中[68-69]。 蚁群、狼群、鱼群是典型的生物群体智能模型,基 于群的仿生控制方法可以帮助机器人实现最优控制。 文献[23]采用了仿蚁群优化算法实现了对蛇形机器 人的最优路径规划。 文献[70]采用了遗传算法针对 仿生双足机器人的越障行为进行了运动规划。 文献 [71]基于狼群和蜂群算法设计了 GWO-ABC 算法, 从而帮助其他算法避免过早收敛,基于该算法设计的 2 自由度机械臂 PID 控制方法,实现了机械臂的轨迹 跟踪。 传统的控制方法都是基于模型的控制,由于模型 误差等会导致控制不精确,而学习技能赋予了生物更 强的能力去适应环境,因此研究人员尝试通过学习的 方式让机器人自主完成作业任务。 强化学习作为一 种数据驱动的方法,其直接从经验中学习,避免了模 型带来的不确定性问题。 苏黎世联邦理工学院机器 人系统实验室开展了基于强化学习的四足机器人控 制策略的研究[72],实现了四足机器人的自主学习、快 速移动和动态运动,并在四足机器人 ANYmal 上进行 了验证。 意大利技术研究所[73]通过学习步态参数、 可变阻抗策略和控制增益等方法实现了四足机器 人 HYQ 的平稳快速行走。 与传统的机械控制方法相比,仿生控制具有更好 的适应性和鲁棒性,模仿生物的控制规律、动物的群 体智能行为可为煤矿井下机器人的智能运动控制、自 主作业控制以及多机协同作业控制提供有效的仿生 参考。 2． 4 仿生驱动 动物的运动主要依靠自身的肌肉动作实现,肌肉 由纤维状的肌细胞组成,具有平行和分布式的驱动方 式,研究仿生人工肌肉也是模仿动物行为的重要内 容。 类似软肌肉组织的驱动器是仿生驱动的研究热 点。 气动人工肌肉是一种应用较为广泛的仿生驱动 器,用于模拟生物肌肉的输出特性,具有质量轻、成本 3612 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 低、高功率质量比等特点[74-75]。 文献[76]采用了形 状记忆合金丝模拟肌肉纤维作为驱动材料,设计了仿 生水母。 文献[77]通过对章鱼臂肌肉结构的研究采 用了形状记忆合金作为横/ 纵制动器实现臂的灵活弯 曲,如图 14a所示。 软体蠕虫机器人、毛毛虫机器 人等[78]同样采用形状记忆合金实现了机器人的行 进,如图 14b,c所示。 文献[79]对当前软体动 物的驱动方式进行了整体性的总结,随着仿生机理的 进一步研究,软体机器人驱动在稳定性、效率和可靠 性等方面将会有较大提升。 图 14 软体机器人 Fig． 14 Soft robot 麻省理工学院 KIM 研究团队[80]以骨骼肌结构 为灵感设计了具有仿生肌腱-骨骼结构的奔跑猎豹 四足机器人,有效地减小了快速奔跑对腿的冲击和运 动中对骨骼的压力。 文献[81]基于蜘蛛生物液压原 理,通过研究生物液压与工程液压之间的关系,设计 了仿蜘蛛液压系统。 仿生驱动技术可以赋予机器人高度的灵活性、柔 顺性与适应性,适用于煤矿井下复杂、狭小的空间作 业,例如仿章鱼、象鼻机械臂具有连续变型能力,可用 于煤矿井下狭窄作业空间,仿毛毛虫蠕动型机器人可 用于在灾后极其狭小的空间实时探测。 2． 5 仿生材料 目前,机器人的材料大多都是钢、铝、塑料等常规 材料,其刚度、柔性、韧性以及阻尼等特性与动物自身 材料仍相差很大。 仿生材料在机器人中的应用是一 重要的研究方向。 如南京航天航空大学通过对壁虎 刚毛阵列的分析研制了基于聚氨酯的黏性材料,实现 了仿生壁虎的垂直爬行[82]。 受生物软制动器的启 发,学者们进行了相关的制动器材料的研究工作。 如 2． 4 节所述的人工肌肉。 其常用的材料有离子聚合 物-金属复合材料、压电聚合物和形状记忆合金 等[77]。 除此之外,一些软刺激性响