专题

“煤矿机器人智能化技术”专题

煤矿生产系统庞大而复杂，作业环境恶劣，灾害重、风险大、下井人员多、危险岗位多，在煤矿生产的部分环节中引入机器人技术对减少井下作业人数、降低安全风险、提高生产效率、减轻矿工劳动强度具有重要意义。2019年1月，国家煤矿安全监察局制定并发布了《煤矿机器人重点研发目录》，目录列出了针对采煤、掘进、运输、安控、救援等5类共38种煤矿井下机器人，对每种机器人的功能提出了具体要求，并要求大力研发应用煤矿机器人。煤矿机器人的研发，是实现煤炭高质量发展的必由之路。煤矿机器人的应用，是煤炭开采技术革命的重要标志，是推动煤炭工业高质量发展的强大动力。为探索机器人替代人工，加快机械化换人、自动化减人向智能化无人化迈进，交流探讨先进经验和技术，促进产学研用深度融合，推进煤矿机器人研发应用的高质量发展，本刊组织策划了“煤矿机器人智能化技术”专题，本专题报道的煤矿机器人技术涉及救援、掘进、巡检、选矸、防爆等煤矿生产的各个方面。

矿山钻孔救援探测机器人设计

马宏伟，姚阳，赵昊，梁林，马琨，田海波

基于矿山钻孔救援探测需求，针对现有探测机器人信息探测范围窄、探测距离较短、功能单一、无越障能力等问题，设计了一种矿山钻孔救援探测机器人。该机器人能够通过φ225 mm救援钻孔到达煤矿井下，利用携带的传感器和摄像头获取灾变区域的环境信息和被困人员信息，并将信息实时传到地面；以NI myRIO作为控制核心，采用LabVIEW图形化编程构建控制系统，利用有线通信方式实现机器人在灾变区域内的数据远程控制。该机器人运动性能良好，具有体积小、质量轻、越障能力强等特点,可顺利通过救援孔，能够对井下环境信息进行实时检测和传输，为地面救援指挥中心决策提供了第一手资料。

煤矿救援机器人研究现状及发展趋势

郑学召，赵炬，张铎，郭军

介绍了煤矿救援机器人动力系统、防爆设计、多参数监测及通信系统等的国内外研究现状及应用情况，指出煤矿救灾机器人存在续航能力有限、行走控制距离短、防爆材料质量大、信息处理与传输可靠性差等问题。展望了煤矿救灾机器人的发展趋势：研发适用于煤矿领域的新能源电池是煤矿救援机器人动力电源的发展趋势之一；研发具有自主行走、定位与路径规划的智能化机器人是未来煤矿救援机器人发展的趋势；防爆材料轻量化、多源信息智能融合、无线加有线的通信方式也将是煤矿救援机器人智能多元化发展的方向。

煤矿救灾机器人防爆技术研究

郑学召，闫兴，郭军，张铎

介绍了煤矿救灾机器人防爆技术的概况，阐述了煤矿救灾机器人防爆技术的国内外研究现状及应用情况，指出煤矿救灾机器人防爆技术已取得一定进展，尤其在防爆电动机、防爆外壳及动力电源等方面，但防爆材料应用技术、能源动力技术、本安控制技术、故障诊断与容错控制技术等仍存在问题，需要在加工材料轻便化、动力电源高效化、防爆技术本安化、控制系统智能化等方面不断完善，从而确保煤矿救灾机器人各个构件的防爆技术更加成熟。

煤矿巡检机器人同步定位与地图构建方法研究

杨林，马宏伟，王岩 ，王川伟，张珍珍

研究了基于Fast-SLAM的巡检机器人同步定位与地图构建方法，通过激光雷达获取实时环境信息，并进行多特征匹配来达到定位和减小定位误差的目的，同时构建出机器人周围的环境地图。通过对Fast-SLAM算法进行优化，减少了粒子数量，缓解了粒子耗散,提高了地图构建的精确性。该方法是针对巡检机器人在煤矿井下无GPS情况下实现自主定位的最佳解决方案。

基于迭代最近点的井下无人机实时位姿估计

王岩，马宏伟，王星，杨林

实时自主导航功能是衡量煤矿井下无人机自动化、智能化作业能力的重要指标。无人机实时运行过程中6自由度位置与姿态解算是解决无人机自主导航时定位问题的关键。针对煤矿井下无GPS信号、低照度、结构化环境等特点，提出了基于ICP（Iterative Closest Point，迭代最近点）的井下无人机实时位姿估计方法。采用三维激光雷达作为四旋翼无人机机载环境测量传感器，通过对2个时刻的点云数据进行扫描和匹配解算，得到2帧点云数据之间的相对变换矩阵，经过迭代求解连续关键帧点云数据，得到煤矿井下四旋翼无人机实时位姿估计结果。

煤田火灾无人机监测关键技术研究

贾勇骁，郑学召，崔嘉明，郭军，费金彪

煤田火灾分布面积广，火源位置和趋于燃烧的高温位置隐蔽且分散，通常不易发现。热红外遥感技术，尤其是以无人机挂载红外热成像仪的低空遥感技术，以其灵活、轻便、操作简单、成本低、反应速度快等优势，在煤田火灾监测领域占据着重要地位。但该技术仍存在无人机续航时间短、数据采集周期较长、红外热图像精确度不高、数据传输和处理速度慢等问题。针对上述问题，设计了无人机多站多机集群飞行方式，通过航线规划和独立控制实现对大面积煤田区域的快速监测；采用红外双视热成像仪进行数据采集，无人机在等间距航点处悬停时触发红外双视热成像仪拍照采集红外热图像和可见光图像；以4G网络作为信号传输渠道，依靠数据采集前端和数据处理软件的协同作用，实现数据采集、传输和处理的同步。

矿山救援机器人群设计

文虎，刘洋，郑学召，郭军

近年来煤矿机器人的发展突飞猛进，在事故救援中取得了一些成绩，但是机器人在煤矿应用过程中依然存在着机动性差、通信能力弱、适应性差等问题。针对上述问题，设计了矿山救援机器人群，该机器人群主要包括通信机器人、搜救机器人、辅助救援机器人和数据处理中心。通信机器人搭载超宽带（Ultra Wideband，UWB）雷达和中继设备，负责大区域生命探测与通信；搜救机器人搭载摄像头、灯光及各类传感器，负责传回音频、视频、井下环境信息；辅助救援机器人包括负责打通救援路径的清障机器人和为被困人员输送救援物品的物资运送机器人；数据处理中心根据被困人员位置信息，通过GIS规划搜救机器人的搜救路线，并根据井下实时信息进行路径修正。通过机器人群的协作救援，可大大提高煤矿救援效率，增加救援成功率。

悬臂式掘进机器人巷道成形智能截割控制系统研究

杨文娟，张旭辉，张超，赵建勋 ，马宏伟

针对目前煤矿井下掘进过程自动化程度低、掘进效率低、巷道成型质量差等问题，提出了一种悬臂式掘进机器人巷道成形智能截割控制系统。该系统结合巷道尺寸和截割工艺要求，基于三次多项式光滑函数的悬臂式掘进机器人关节空间轨迹规划方法，通过建立的悬臂式掘进机器人坐标系统及悬臂式掘进机器人运动学正问题与逆问题求解，确定轨迹规划光滑函数参数；规划好截割轨迹后，以视觉定位方法获得的悬臂式掘进机器人截割头位姿数据作为反馈量，基于反馈线性化积分滑模控制器的截割轨迹控制算法实时计算控制量，以规划轨迹点和视觉测量位姿点构建反馈控制系统，实现对悬臂式掘进机器人巷道成形截割过程的动态控制。

基于机器视觉的多机械臂煤矸石分拣机器人系统研究

王鹏，曹现刚，夏晶，吴旭东，马宏伟

现有煤矸石分拣方法主要是根据煤和岩石的纹理特征值，利用图像处理和模式识别技术对煤矸石进行识别分选，分选的煤矸石粒度为25～150 mm,而对于150 mm以上的煤矸石仍依靠人工进行分选。为了对大粒度煤矸石进行分拣，设计了一种基于机器视觉的多机械臂煤矸石分拣机器人系统。该系统采用机器视觉采集煤矸石信息，应用深度学习方法实现煤矸石识别和抓取特征提取；在获取煤矸石序列信息后，根据煤矸石位置进行排序工作，并通过多目标任务分配策略将抓取任务下达给相应机械臂控制器；机械臂获取任务后，根据获得的任务对目标进行动态监测，当目标进入机械臂工作空间后由视觉伺服系统驱动机械臂完成煤矸石分拣。试验结果表明，该系统可对粒度为50～260 mm的煤矸石进行高效、快速分拣，所采用的煤矸石识别方法和分拣策略在不同带速下具有良好的稳定性和准确性，煤矸识别与定位的综合准确率可达93%，验证了该系统的可行性。

双摇臂履带式矿山机器人结构优化设计

胡坤，张志远，李德永，王爽

目前摇臂式履带机器人研究趋向成熟，机器人越障能力已有很大提升，然而与此同时，其复杂程度也在提高，多摇臂、轮履复合式等复杂结构有时显得过于笨重。为此，需要根据机器人实际工作要求，提出合理的结构设计方案。针对双摇臂履带式矿山机器人结构设计中的多目标优化问题，提出了基于GA-PSO算法的双摇臂履带式矿山机器人结构优化设计方案。通过机器人越障过程的几何学和运动学分析，得出机器人越障最大高度和质心位置变换的影响因素；根据矿山机器人工作要求建立约束条件，得到多目标优化函数，通过引入权重系数，将多目标优化问题转换为单目标优化问题；利用GA-PSO算法对单目标优化问题进行求解，得到机器人最优结构参数。

《工矿自动化》

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