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摘要：科技的进步，促进人们对煤炭需求的增多。安全、智能、绿色、高效和清洁利用发展成为煤炭工业高质量发展的必由之路，其中，机器人化开采是智能化开采的高级形式，以特种作业机器人实现工作面机器人群协同开采和井下作业现场少人化是煤炭开采的发展方向。围绕智能化开采生产应用，针对综采工作面各设备进行机器人化技术的系统性研究，开发工作面设备机器人群，可促进设备智能化水平提升。本文就煤矿综采设备机器人化技术研究与设计展开探讨。
关键词：机器人化;综采设备;智能化
引言
近年来，国家大力推行自动化减人、机械化换人方针，机器人技术得到了飞速发展，越来越多的低成本、高效率、高可靠性的煤矿智能巡检机器人被研制出来，并应用于煤矿作业现场，替代人工巡检，有效地解决了人工巡检存在的不足。
1综采工作面机器人系统组成
按照联合国标准化组织（ISO）关于机器人的定义和一般分类，综采设备机器人化需要具备以下功能：（1）感知能力。煤机设备具有环境工况感知和设备状态感知的能力，能够在控制指令触发下，根据感知信息的变化，自适应调整运行，以适应不同工况的需求;（2）可编程执行能力。煤机设备接受开启控制指令，依据外部工况感知信息和内部运行状态感知信息，在控制器程序控制下能够自动运行执行采煤生产任务，并能够通过编程或计算机控制人工干预，对功能进行修改，以满足不同工艺需求;（3）协同交互能力。通过交互接口与第三方设备或集控系统互联，在集控系统控制指令、人工干预调整控制指令或第三方设备相关信息数据驱动下，自动选择性执行满足智能化开采协同运行的相关程序，完成工作面智能化开采。综采设备机器人化是在机电一体化基础上，在传感器或各种监测支持设备的信息数据支持下，通过编程控制，使设备具有一定的感知、学习、自主决策、自动执行和自主调整等能力，能够满足不同采煤工艺、不同变化工况条件需求而自动化生产。按功能组成划分，煤机设备机器人化可分成控制系统（控制器）、检测装置（传感器）、驱动装置（电机或液压系统）、执行机构（机械部分）。其中，检测装置和控制系统主要针对工况环境感知和智能化控制，是煤机设备机器人化的研究和技術开发重点。综采工作面机器人群建立在采煤机机器人、支护机器人、运输机器人等基础上，以各单机设备为子系统或执行机构，在巡检设备感知信息支持下，通过集控计算机程序的协同联动和数据交互，使成套设备具有自动化、智能化开采能力。
2煤矿辅助运输机器人的结构形式
与防爆无轨胶轮车传统的布置形式不同，煤矿辅助运输机器人采用无驾驶室的结构设计.煤矿辅助运输机器人以自动驾驶系统为控制中枢，以轮式防爆线控动力底盘为移动平台，通过可更换的多种上装载具，实现不同物料在井下运输的无人化。为满足井下运输作业需求，适应不同的巷道条件，机器人最大载质量为5000kg，最大整机宽度为2000mm，最大长度为5000mm，最大高度为1500mm，最高井下作业车速为20km/h。轮式动力底盘的行走、转向和制动等动作采用防爆线控技术，以实现自动驾驶系统对底盘运动的精确控制;同时，为解决防爆电驱平台长期存在的续航问题，该底盘具备动力电池快换功能，使机器人拥有连续作业能力。
3煤矿综采设备机器人化技术研究与设计
3.1采煤机机器人化
在接受启动指令后，能够根据控制工艺指令、煤层感知信息、设备运行状态感知信息，自动选择、适应、调整动作完成截割煤工作，并具有工况监测诊断功能。采煤机机器人核心功能是记忆截割，当前采煤机处于二代简单感知阶段，记忆截割是基于采煤机工作面位置-煤层厚度一维关系的控制模式，未来随着煤岩识别和透明工作面技术的突破，实现基于煤层厚度-采煤机三维空间姿态的自适应截割是机器人化开采的目标。在感知层，采煤机机器人配置轴编码器测量采煤机沿工作面走向精确位置和牵引速度;配置轴编码器或油缸位移传感器测量摇臂高度;配置倾角传感器测量机身俯仰采倾角等;另外还配置流量压力传感器、液温液位传感器、压差传感器、电气参数传感器等实现对运行工况监测。在控制层，采煤机机器人自动化程序基于工作面定位、倾角、牵引方向等参数实现对摇臂高度的记忆截割自动调整。为配合液压支架实现不同工艺段如机头截割三角煤、中部直刀、清浮煤等，记忆截割一般采用模块化的程序设计方式，通过采煤机位置、牵引方向等参数触发不同工艺段程序模块，组合实现不同的开采工艺。在交互层，采煤机将工况数据传输给集控计算机，为第三方设备如液压支架控制、采煤机电缆自动拖缆、刮板输送机闭锁等提供依据，并可通过集控计算机进行远程控制和人工干预。
3.2后台管理及诊断技术
煤矿智能巡检机器人在巡检过程中会采集到大量数据，这些庞大的数据若直接上传后台由人工进行分类管理及诊断，不仅增加了通信系统的传输压力，而且增加了人工处理的工作量，因此，煤矿智能巡检机器人必须具备后台管理和数据分析诊断功能。设计了基于GPS卫星定位的输电线路巡检管理系统，该系统需要依靠巡检人员携带手持机进行巡检工作，实现了巡检工作的数字化管理，但无法用于巡检机器人的数字化管理。针对巡检路径的特点，提出了融合巡检图像分类管理、巡检任务管理、分析诊断、数据传输及局域网于一体的后台管理与诊断系统的体系架构，实现了对采集数据的实时分析处理。目前煤矿巡检机器人受供电、传输技术等因素的影响，无法对采集的数据进行实时处理或上传，需要进一步研制出更加高效的后台管理及在线故障诊断系统。
3.3巡检机器人驱动系统
目前，可应用于巡检机器人驱动的方式包括有轮式驱动结构、履带式驱动结构、悬线式驱动结构以及轨道式驱动结构。鉴于煤矿带式输送机所需巡检的距离较长、巡检目标相对单一且巡检路线固定。本文采用轨道式驱动结构实现对巡检机器人的驱动控制，具体可通过钢丝绳拖拽驱动和齿轮齿条驱动方式。其中，钢丝绳拖拽驱动结构具有控制简单、维修方便的优势，但鉴于煤矿温差较大在寒冷季节容易出现结冰和积水情况影响巡检机器人的驱动，且钢丝绳拖拽方式不适用于长距离路线的铺设。自驱动式齿条齿轮驱动方式具有可靠性高、环境适应性好、结构紧凑等优势。因此，选择自驱动式齿轮齿条驱动方式实现对巡检机器人的驱动控制。此外，对于自驱动式齿轮齿条的驱动方式可将齿条安装于侧面或底部，而将齿条安装于侧面的稳定性较差且装配工艺较差，齿条安装于底部对系统的装配要求高。
结语
未来，智能化技术是煤炭开采的必由之路，利用智能感知、人工智能、物联网等技术，针对煤机设备开展机器人化技术开发，能够提高自动化生产能力，提升煤炭工人的岗位价值认同感，推进煤矿安全、智能、高效、绿色发展新模式。
参考文献
[1]王国法，赵国瑞，任怀伟.智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析[J].煤炭学报，2019，44（1）：34-41.
[2]葛世荣，胡而已，裴文良.煤矿机器人体系及关键技术[J].煤炭学报，2020，45（1）：455-463.
卧龙电气集团辽宁荣信电气传动有限公司，辽宁鞍山 114038
关键词：机器人化;综采设备;智能化
引言
近年来，国家大力推行自动化减人、机械化换人方针，机器人技术得到了飞速发展，越来越多的低成本、高效率、高可靠性的煤矿智能巡检机器人被研制出来，并应用于煤矿作业现场，替代人工巡检，有效地解决了人工巡检存在的不足。
1综采工作面机器人系统组成
按照联合国标准化组织（ISO）关于机器人的定义和一般分类，综采设备机器人化需要具备以下功能：（1）感知能力。煤机设备具有环境工况感知和设备状态感知的能力，能够在控制指令触发下，根据感知信息的变化，自适应调整运行，以适应不同工况的需求;（2）可编程执行能力。煤机设备接受开启控制指令，依据外部工况感知信息和内部运行状态感知信息，在控制器程序控制下能够自动运行执行采煤生产任务，并能够通过编程或计算机控制人工干预，对功能进行修改，以满足不同工艺需求;（3）协同交互能力。通过交互接口与第三方设备或集控系统互联，在集控系统控制指令、人工干预调整控制指令或第三方设备相关信息数据驱动下，自动选择性执行满足智能化开采协同运行的相关程序，完成工作面智能化开采。综采设备机器人化是在机电一体化基础上，在传感器或各种监测支持设备的信息数据支持下，通过编程控制，使设备具有一定的感知、学习、自主决策、自动执行和自主调整等能力，能够满足不同采煤工艺、不同变化工况条件需求而自动化生产。按功能组成划分，煤机设备机器人化可分成控制系统（控制器）、检测装置（传感器）、驱动装置（电机或液压系统）、执行机构（机械部分）。其中，检测装置和控制系统主要针对工况环境感知和智能化控制，是煤机设备机器人化的研究和技術开发重点。综采工作面机器人群建立在采煤机机器人、支护机器人、运输机器人等基础上，以各单机设备为子系统或执行机构，在巡检设备感知信息支持下，通过集控计算机程序的协同联动和数据交互，使成套设备具有自动化、智能化开采能力。
2煤矿辅助运输机器人的结构形式
与防爆无轨胶轮车传统的布置形式不同，煤矿辅助运输机器人采用无驾驶室的结构设计.煤矿辅助运输机器人以自动驾驶系统为控制中枢，以轮式防爆线控动力底盘为移动平台，通过可更换的多种上装载具，实现不同物料在井下运输的无人化。为满足井下运输作业需求，适应不同的巷道条件，机器人最大载质量为5000kg，最大整机宽度为2000mm，最大长度为5000mm，最大高度为1500mm，最高井下作业车速为20km/h。轮式动力底盘的行走、转向和制动等动作采用防爆线控技术，以实现自动驾驶系统对底盘运动的精确控制;同时，为解决防爆电驱平台长期存在的续航问题，该底盘具备动力电池快换功能，使机器人拥有连续作业能力。
3煤矿综采设备机器人化技术研究与设计
3.1采煤机机器人化
在接受启动指令后，能够根据控制工艺指令、煤层感知信息、设备运行状态感知信息，自动选择、适应、调整动作完成截割煤工作，并具有工况监测诊断功能。采煤机机器人核心功能是记忆截割，当前采煤机处于二代简单感知阶段，记忆截割是基于采煤机工作面位置-煤层厚度一维关系的控制模式，未来随着煤岩识别和透明工作面技术的突破，实现基于煤层厚度-采煤机三维空间姿态的自适应截割是机器人化开采的目标。在感知层，采煤机机器人配置轴编码器测量采煤机沿工作面走向精确位置和牵引速度;配置轴编码器或油缸位移传感器测量摇臂高度;配置倾角传感器测量机身俯仰采倾角等;另外还配置流量压力传感器、液温液位传感器、压差传感器、电气参数传感器等实现对运行工况监测。在控制层，采煤机机器人自动化程序基于工作面定位、倾角、牵引方向等参数实现对摇臂高度的记忆截割自动调整。为配合液压支架实现不同工艺段如机头截割三角煤、中部直刀、清浮煤等，记忆截割一般采用模块化的程序设计方式，通过采煤机位置、牵引方向等参数触发不同工艺段程序模块，组合实现不同的开采工艺。在交互层，采煤机将工况数据传输给集控计算机，为第三方设备如液压支架控制、采煤机电缆自动拖缆、刮板输送机闭锁等提供依据，并可通过集控计算机进行远程控制和人工干预。
3.2后台管理及诊断技术
煤矿智能巡检机器人在巡检过程中会采集到大量数据，这些庞大的数据若直接上传后台由人工进行分类管理及诊断，不仅增加了通信系统的传输压力，而且增加了人工处理的工作量，因此，煤矿智能巡检机器人必须具备后台管理和数据分析诊断功能。设计了基于GPS卫星定位的输电线路巡检管理系统，该系统需要依靠巡检人员携带手持机进行巡检工作，实现了巡检工作的数字化管理，但无法用于巡检机器人的数字化管理。针对巡检路径的特点，提出了融合巡检图像分类管理、巡检任务管理、分析诊断、数据传输及局域网于一体的后台管理与诊断系统的体系架构，实现了对采集数据的实时分析处理。目前煤矿巡检机器人受供电、传输技术等因素的影响，无法对采集的数据进行实时处理或上传，需要进一步研制出更加高效的后台管理及在线故障诊断系统。
3.3巡检机器人驱动系统
目前，可应用于巡检机器人驱动的方式包括有轮式驱动结构、履带式驱动结构、悬线式驱动结构以及轨道式驱动结构。鉴于煤矿带式输送机所需巡检的距离较长、巡检目标相对单一且巡检路线固定。本文采用轨道式驱动结构实现对巡检机器人的驱动控制，具体可通过钢丝绳拖拽驱动和齿轮齿条驱动方式。其中，钢丝绳拖拽驱动结构具有控制简单、维修方便的优势，但鉴于煤矿温差较大在寒冷季节容易出现结冰和积水情况影响巡检机器人的驱动，且钢丝绳拖拽方式不适用于长距离路线的铺设。自驱动式齿条齿轮驱动方式具有可靠性高、环境适应性好、结构紧凑等优势。因此，选择自驱动式齿轮齿条驱动方式实现对巡检机器人的驱动控制。此外，对于自驱动式齿轮齿条的驱动方式可将齿条安装于侧面或底部，而将齿条安装于侧面的稳定性较差且装配工艺较差，齿条安装于底部对系统的装配要求高。
结语
未来，智能化技术是煤炭开采的必由之路，利用智能感知、人工智能、物联网等技术，针对煤机设备开展机器人化技术开发，能够提高自动化生产能力，提升煤炭工人的岗位价值认同感，推进煤矿安全、智能、高效、绿色发展新模式。
参考文献
[1]王国法，赵国瑞，任怀伟.智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析[J].煤炭学报，2019，44（1）：34-41.
[2]葛世荣，胡而已，裴文良.煤矿机器人体系及关键技术[J].煤炭学报，2020，45（1）：455-463.
卧龙电气集团辽宁荣信电气传动有限公司，辽宁鞍山 114038