摘要：本文从我国煤炭发展的现状及发展趋势出发结合实际，论述了国内外机器人发展的现状，介绍了煤矿生产机器人，提出了煤矿机器人今后的发展趋势，展望未来机器人的发展方向及巨大的社会效益及经济效益。
关键词：煤矿机器人；智能系统；发展趋势；AI；煤炭智能开采
引言
在我国的一次能源消费中，化石能源尤其是煤炭占据了主导地位，虽然国家大力推进新能源的开发，但未来一段时间之内煤炭仍然占主体地位。煤矿开采系统庞大复杂，作业环境恶劣，水、火、煤尘、瓦斯、顶板灾害多。虽然目前我国煤矿开采百万吨死亡率有所下降，但仍然高于发达国家。基于此，在煤矿生产环节引入机器人对于改善工作环境、提高采煤工效具有重要意义。同时我国矿山机械和机器人技术水平的提高以及国家相关经费投入也为机器人技术在煤矿开采中的应用提供了有力的保证。
1煤矿生产机器人的研究意义
我国在“中国制造2025”提出：关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能控制、建设重点领域智能工厂。国务院印发的《新一代人工智能发展规划》明确了我国新一代人工智能发展的战略目标：智能工业机器人、智能服务机器人大规模应用。实现生产设备网络化、生产现场无人化。国家发改委、国家能源局在《能源技术革命创新行动计划》提出要提升煤炭开发效率和智能化水平，重点煤矿区基本实现工作面无人化。目前传统的煤矿开采工作环境潮湿、受有害气体和粉尘的影响、工作环境狭小单一，严重影响了矿工的身心健康，甚至危及到矿工的生命。矿山机器人一方面能够高强度、持久地在各种恶劣、危险的工作环境中从事单调重复的劳动，使煤矿工人从繁重的体力劳动中解脱出来；另一方面，它对工作环境有很强的适应能力，能代替人在有害场所从事危险作业。而且采矿业中的采掘工艺比较复杂，这种复杂工作又很难用一般的自动化机械完成，采用带有一定智能并且具有相当灵活度的机器人是目前最理想的方法。世界上一些发达国家如日本、美国、澳大利亚等，采煤机器人已经进入实用阶段，效果良好。我国虽然从事这方面研究起步较晚，但是发展迅速，已经逐步缩小与发达国家的差距。
2煤矿生产机器人的四个发展阶段
煤矿生产机器人分为四个阶段。第一阶段为可编程机器人；第二阶段为示教再现机器人；第三阶段为简单感知反馈机器人；第四个阶段为自主感知学习决策机器人。
3煤矿生产机器人的种类
3.1、掘锚机器人。巷道掘进是现代煤矿大规模基础设施建设中的一项重要施工作业，也是最基础的作业。巷道掘进在相当长的时期仍以人工控制掘进机割煤人工气动锚杆机支护为主，也是目前巷道掘进施工最经济有效的方法。随着工业的发展与进步，研发出来各种掘锚机器人。随着掘锚机器人自动化、智能化的发展，逐步体现出了安全性、高效率、低劳动强度的优势。掘锚机器人分为连续采煤机的掘锚一体机和悬臂掘进机的掘锚一体机。连续采煤机的掘锚一体机配有4台顶锚杆机和2台帮锚杆机，成巷速度可提高60%以上，且施工时间短、巷道成型好。悬臂掘进机的掘锚一体机是在悬臂掘进机上加装液压钻臂，煤巷掘进后对顶板及侧帮快速、安全的锚杆支护，大大的提高了掘进效率，减轻工人劳动强度。实践表明掘锚机器人能在煤矿井下恶劣的条件下正常工作，具有良好的工作性能及较高的可靠性，实现了安全作业的远距离遥控操作的应用。
3.2、喷浆机器人。锚喷支护是国内大力推广并应用的一种巷道支护新工艺，与传统架棚相比，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。目前人工喷浆支护也存在一些问题，如喷浆时混凝土回弹率高、粉尘大而且混凝上结构疏密不一、不能保证喷层质量，施工进度慢且费工费料。喷浆机器人替代人工喷浆操作，解决了湿喷机操控复杂、操控技能要求高、机手劳动强度大的问题，实现喷浆无死角，施工效率高。采用喷浆机器人不仅可以提高喷涂质量也可以将工人从恶劣和繁重的作业环境中解放出来。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆山东科技大学机器人研究中心已研制出PR-2喷浆机器人。它由机械手、液压系统控制、系统操作器等组成，共有6个自由度。，其中机械手有5个自由度，即大臂俯仰、小臂摆动、腕旋转、腕摆动和喷浆旋转，另一个自由度为行走，依靠这6个自由度喷枪可以运动到工作空间的任何位置，并按照喷浆工艺要求完成喷浆作业。目前这类机器人还有中联重工的混凝土湿喷台车，国机智能研发的六轴喷浆机械手等。
3.3、采煤机器人。采煤机器人其实就是采煤机赋予它机器人化功能的采煤机，目前我国处于示教和简单感知的后二代机器人水平。它具备记忆截割功能，具有恒功率、恒扭矩、恒转速等的截割控制方式，同时能实现采煤机行走与截割联动控制，还能远程化、网络化控制。目前国内太重煤机、西安重装、天地公司等都有这些技术。
4煤矿机器人所面临的一些急需解决的问题
4.1、定位技术。定位技术是煤矿机器人技术的关键。本文介绍的机器人在工作时都需要位置的确定，进而进行下一步的动作。定位技术其实就是通过一定的检测手段获取机器人在空间中的位置方向以及所处环境的信息，利用各种传感器加上一定的算法对所获信息进行处理建立环境模型并进行路径规划。煤矿巷道纵横交错、地形复杂、照度底、无GPS以及存在信号屏蔽干扰，给煤矿机器人定位带来一定的困扰。
4.2、可靠性技术。由于井下工作环境的复杂性和危险性，一旦出现故障不仅无法完成作业任务而且可能引发事故造成巨大损失。其可靠性技术包括2个方面：一是机器人结构的可靠性具备机动性和井下适应性好、故障率小，机械结构应具有防爆、防尘、防潮、防水、抗腐蚀等功能解决其密封性与散热的矛盾；二是煤矿机器人控制系统的可靠性。作为复杂控制系统的故障诊断与容错控制技术，目前已经取得一系列的研究成果特别是在航空航天系统核电站系统有许多成功应用，但在煤矿机器人方面的研究成果却非常有限尚未见到有关理论报道及实际产品。
5煤矿机器人的展望
从煤矿开采技术和机械制造的智能化发展方向的情况来看,矿山机器人的发展很快，投入的研发也在增加。日前,国内外矿山机器人技术正在向智能机器和智能系统方面发展。
将多个传感器所提供的环境信息进行集成处理形成对外部环境的统一表示。通过传感之间的冗余数据和互补数据提高系统的可靠性和识别的准确性。扩展时间上和空间上的观测范围增强数据的可信任度和系统的分辨率。信息融合技术有助于改善机器人环境参数监测、路径规划与定位的能力，提高控制系统决策、规划、反应的快速性和正确性降低决策风险。
将机器人软硬件模块化、标准化。机器人作为机电产品要实现其产业化必须实施软硬件分离并将其软硬件模块化、标准化。采用标准化结构可以提高系统的可靠性，增强系统的可拓展性，容易形成系列化产品。重视机器人研制的技术标准化、模块化，强调研发技术的继承性，能够降低后续研究风险，节约研究经费，提高系统可靠性，有利于产品产业化。
6结语
近年来，煤炭智能开采已经得到政府、行业与企业的高度认可。国家对煤炭智能开采基础研究和关键技术研发给予了大力支持。而煤炭智能开采是新一代采矿业技术竞争力的核心，煤矿智能机器人在竞争力核心中起到支柱作用，有力推动我国能源供给革命，对实现煤矿安全高效生产具有重要意义。
参考文献：
[1]王国庆，许红盛，王恺睿.煤矿机器人研究现状与发展趋势[J].机电与自动化，2014（42）：2.
[2]林福严,张运九,薛光辉.机器人化采煤设备系统及控制模式探讨[J].煤炭科学技术,2010,(8):97-99,103.
论文作者:李伟平
论文发表刊物:《城镇建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/7/31
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