煤矿巷道修复重载作业机器人现状与发展趋势.pdf

第4 6 卷第9 期 工 矿自动化V 0 1 ．4 6N o ．9 2 0 2 0 年9 月 I n d u s t r ya n dM i n eA u t o m a t i o n S e p ．2 0 2 0 文章编号1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 2 0 0 9 0 0 0 8 0 7 D O I 1 0 ．1 3 2 7 2 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 2 5 l x ．1 7 6 5 8 煤矿巷道修复重载作业机器人现状与发展趋势 薛光辉，候称心，张云飞，吴淼 中国矿业大学 北京 机电与信息工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 扫码移动阅读 摘要煤矿重载作业机器人是替代高危岗位工人作业的智能装备，面临作业空间狭小局促、作业环境复 杂多变等挑战。总结了重载工业机器人现状及煤矿巷道修复装备的发展历史，指出目前煤矿巷道修复装备 仅实现了遥控和自动卷缆功能，智能化水平不高，需研发煤矿巷道修复重栽作业机器人；提出了煤矿巷道修 复重载作业机器人的概念及功能定位，指出煤矿巷道修复重载作业机器人研制面临狭长封闭巷道空间内位 姿精确感知、行走路径规划与行走控制。、作业轨迹规划与运动控制等关键技术问题；阐明了煤矿巷道修复重 载作业机器人发展方向为提高煤矿巷道修复重载作业机器人的可靠性、稳定性和智能化水平，加强与其他机 器人施工工艺的匹配。 关键词煤矿机器人；重栽作业机器人；巷道修复；位姿精确感知；行走路径规划；行走控制；作业轨 迹规划 中图分类号T D 4 2 1文献标志码A C u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do fh e a v y d u t yo p e r a t i o n r o b o tf o rc o a lm i n er o a d w a yr e p a i r X U E G u a n g h u i ，H O UC h e n x i n ， Z H A N GY u n f e i ，W UM i a o S c h o o lo fM e c h a n i c a lE l e c t r o n i ca n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t C o a lm i n eh e a v y d u t yo p e r a t i o nr o b o ti sa ni n t e l l i g e n te q u i p m e n tt or e p l a c ew o r k e r si nh i g h r i s kp o s i t i o n s ，w h i c hf a c e sc h a l l e n g e ss u c ha sn a r r o ww o r k i n gs p a c ea n dc o m p l e xa n dc h a n g e a b l ew o r k i n g e n v i r o n m e n t ．C u r r e n ts i t u a t i o n so fh e a v y d u t yi n d u s t r i a lr o b o t sw e r es u m m a r i z e da sw e l la sd e v e l o p m e n t h i s t o r yo fc o a lm i n er o a d w a yr e p a i re q u i p m e n t ．I tw a sp o i n t e do u tt h a te x i s t i n gc o a lm i n er o a d w a yr e p a i r e q u i p m e n tc o u l do n l yr e a l i z ef u n c t i o n so fr e m o t ec o n t r o la n da u t o m a t i cr o l l c a b l ew i t hl o wi n t e l l i g e n c e l e v e l ，a n dh e a v y d u t yo p e r a t i o nr o b o tf o rc o a lm i n er o a d w a yr e p a i rs h o u l db ed e v e l o p e d ．T h ec o n c e p ta n d f u n c t i o n a ll o c a l i z a t i o no fh e a v y d u t yo p e r a t i o nr o b o tf o rc o a lm i n er o a d w a yr e p a i rw e r ep u tf o r w a r d ，a n d m a n yk e yt e c h n i c a lp r o b l e m sw h i c hn e e d e dt ob es o l v e dw e r ep o i n t e do u t ，s u c ha sa c c u r a t ep o s i t i o na n d a t t i t u d ep e r c e p t i o ni nn a r r o wa n de n c l o s e dr o a d w a ys p a c e ，w a l k i n gp a t hp l a n n i n ga n dc o n t r o l ，o p e r a t i o n t r a je c t o r yp l a n n i n ga n dm o t i o nc o n t r 0 1 ．e t c ．D e v e l o p m e n td i r e c t i o n so fh e a v y d u t yo p e r a t i o nr o b o tf o rc o a l m i n er o a d w a yr e p a i rw e r ee x p o u n d e d ，w h i c hw e r ei m p r o v i n gi t sr e l i a b i l i t y ，s t a b i l i t ya n di n t e l l i g e n c el e v e l ， a n ds t r e n g t h e n i n gc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u em a t c h i n gw i t ho t h e rr o b o t s ． K e yw o r d s c o a lm i n er o b o t ；h e a v y d u t yo p e r a t i o nr o b o t ；r o a d w a yr e p a i r ；a c c u r a t ep o s i t i o na n d a t t i t u d ep e r c e p t i o n ；w a l k i n gp a t hp l a n n i n g ；w a l k i n gc o n t r o l ；o p e r a t i o nt r a j e c t o r yp l a n n i n g 收稿日期 基金项目 作者简介 引用格式 2 0 2 0 0 8 1 9 ；修回日期2 0 2 0 0 9 0 3 ；责任编辑李明。 国家重点基础研究发展计划 9 7 3 资助项目 2 0 1 4 C B 0 4 6 3 0 6 ；国家自然科学基金资助项目 5 1 8 7 4 3 0 8 。 薛光辉 1 9 7 7 一 ，男，河南汝州人，副教授，博士，主要研究方向为煤矿机器人、矿山装备自动化与智能化、设备状态监测与故障诊断、 无线传感器网络等，E m a i l x g h c u m t b ．e d u ．e n 。 薛光辉，候称心，张云飞，等．煤矿巷道修复重载作业机器人现状与发展趋势[ J ] ．工矿自动化，2 0 2 0 ．4 6 9 8 - 1 4 ． X U EG u a n g h u i ．H O UC h e n x i n ，Z H A N GY u n f e i ，e ta 1 ．C u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do fh e a v y d u t yo p e r a t i o nr o b o tf o rc o a I m i n er o a d w a yr e p a i r [ J ] ．I n d u s t r ya n dM i n eA u t o m a t i o n ，2 0 2 0 ，4 6 9 8 - 1 4 ． 万方数据 2 0 2 0 年第9 期薛光辉等煤矿巷道修复重载作业机器人现状与发展趋势 9 0 引言 国际能源署 I E A 报告预测，到2 0 4 0 年，中国 对煤炭的需求将占全球煤炭需求的5 0 ％，全球煤炭 需求将增加1 5 ％。中国能源研究会发布的中国能 源展望2 0 3 0 预测2 0 2 0 、2 0 3 0 年煤炭占比分别为 6 0 ％和4 9 ％[ 1 ] 。在未来相当长时期内，煤炭作为我 国主体能源的地位不会改变[ 2 。4 ] 。 随着煤矿机械化、自动化、信息化、智能化建设 加快推进，我国煤矿安全生产达到了中等发达国家 水平，安全生产环境得到了很大改善[ 5 ] ，但仍有很多 危险岗位威胁着煤矿工人的安全。煤矿井下破碎、 钻锚、喷涂、调高、卧底等巷道修复及物料搬运、管道 安装等作业，具有装备自重和装机功率大、劳动强度 高、作业人员多、危险系数高等特点，属于煤矿井下 重载作业。受煤矿井下机械设备自动化与智能化水 平限制，上述高危作业仍需煤矿工人完成，效率低且 危害人身安全。亟需研发煤矿重载作业机器人，将 煤矿工人从高危繁重的岗位上替换出来，保障生产 安全，提高作业效率。 美、日、韩及欧洲各国在机器人领域的研究起步 较早，方向和技术优势有所分化。我国非常重视机 器人研究，在相关研究领域重点部署了一系列国家 高技术研究发展计划 8 6 3 计划 、自然科学基金、科 技重大专项资助项目。国际机器人联合会 I F R 统 计的全球主要国家、地区工业机器人销售数据显示， 2 0 1 3 年以来我国已成为工业机器人的第一大消费 市场[ 6 ] 。由于煤矿井下复杂的作业环境，煤矿重载 作业机器人发展相对缓慢，其智能化水平还需要进 一步提升。 2 0 1 9 年初，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3 8 种 煤矿机器人，并对每种机器人的功能提出了具体要 求，在政策层面为煤矿机器人研发应用做出了有力 倡导，明确了煤矿机器人重点研发方向和战略目标， 提出了技术路径，引起业界广泛关注[ 7 ] 。 本文总结了重载工业机器人的现状，以煤矿巷 道修复重载作业机器人为例，基于煤矿巷道修复装 备的发展历史及存在的主要问题，提出了煤矿巷道 修复重载作业机器人的概念和功能定位，分析了煤 矿巷道修复重载作业机器人亟待解决的关键技术问 题及发展趋势，以期为其研制提供借鉴，为煤矿井下 重载作业装备的智能化发展添砖加瓦。 I 重载工业机器人 高速重载工业机器人是指末端载荷1 0 0k g 以 上、末端运行线速度最大值1m ／s 以上的工业机器 人，广泛应用于喷涂、焊接、物流搬运、码垛及重型制 造业的自动化生产行业[ 8 ] 。当前，世界上重载工业 机器人6 0 ％～8 0 ％市场份额被A B B 、K U K A 、 F A N U C 、安川电机等外国公司占据[ 9 _ 1 0 ] 。我国重载 工业机器人研究起步较晚，但发展迅速，技术渐趋成 熟，智能化水平逐渐达到世界先进水平。国内工业 机器人公司主要有沈阳新松机器人自动化股份有限 公司、安川首钢机器人有限公司、埃夫特智能装备股 份有限公司、南京埃斯顿自动化股份有限公司等。 国内外重载工业机器人见表1 。 表1国内外重载工业机器人 T a b l e1 H e a v y d u t yo p e r a t i o nr o b o t sa th o m ea n da b r o a d 犁号厂家特点实物 ⋯I R B8 ⋯7 0 0 六⋯。黹力8 0 0k O ．0 5m m ；g ；／r 乍嚣鬈、矽 嚣脚瓣⋯业未誓毒- 机器人n “ 45 2 5k g ’“7 。’’一≮蠢，4 ． ，K R1 ⋯0 0 0毳荸譬T 1 祟篓薯尝姜．一 蓍⋯A 嚣差0 负载能力12 0 0k g ；重复精‘一 M 。。。- 9 0 Ⅲ0 ／M 州- F A N u c 篡三m 自m ；姜糕点 86 0 0k g o 轴M P 重L 8 0 载0 震耄型电机呈翟0 力58 ⋯0 0k 麓警爹蓑 器人[ ] 公剐 31 5 9m m ；自身质量25 5 0k 裂SR蓁50雯OA搬运娄曩娄墨举蕈萎毳 辫G P 6 0 0 ] k 韩1 t 辫熏5 簇 E R 4 0 0 L 一埃 C 2 0 六轴重能 载T 业机份 器人公 E R 4 5 04 南 3 2 0 0 四轴顿 重载搬运机股 器人公 辩；篡群≤。_ 京埃斯负载能力4 5 0k g ；作业半径 }负 自动化3 2 0 0 m m ；重复精度●}／ ≯圭圣裟主篆黔。一J 喀 司主要用于搬运、码垛1 1 8 1 ●I - ．， ■ 毒 万方数据 1 0 工矿自动化第4 6 卷 重载工业机器人发展迅速，智能化程度较高，但 受井下作业环境高温、潮湿、煤尘、有害气体等限制， 难以在煤矿井下应用，且重载工业机器人在固定岗 位上定点作业，无法满足煤矿井下移动式作业需求。 因此研制煤矿重载作业机器人面临较多困难，需要 科技工作者联合攻关。 2 煤矿巷道修复装备 巷道修复装备是一种集破、扒、装、运为一体的 新型煤矿机电设备[ 19 | ，可实现对煤矿井下巷道起 鼓、顶底板和两帮的破碎与快速装运，提高巷道治理 的机械化程度及安全性。 2 0 0 5 年，我国开始推进煤矿井下巷道修复装备 研制口”2 1 ] 。2 0 1 3 年，中煤科工集团西安研究院有限 公司率先研发成功W P Z 一5 5 ／5 0 L 型煤矿用巷道修 复机，如图1 所示。该装备主要用于巷道底板修复 治理，兼顾侧帮和顶板修复施工[ 22 I 。整机质量为 1 0t ，挖掘宽度、距离、高度、深度分别为3 ．4 5 ，1 ．6 ， 3 ．5 ，0 ．6 7m ，破碎锤冲击频率为1 0 ～1 8H z ，爬坡能 力为1 5 。，工作臂回转角度为3 8 。。 分一。一 图1W P Z 一5 5 ／5 0 L 型煤矿用巷遭修复机 F i g ．1 W P Z 一5 5 ／5 0 Lc o a lm i n er o a d w a yr e p a i rm a c h i n e 2 0 1 4 年，沈阳天安科技股份有限公司研制了 W P Z 一4 ／8 0 型矿用破碎转载卧底机[ 23 I ，如图2 所 示。该装备额定功率为2 2k W ，最大卧底深度为 4 2 0m m ，最大卸载高度为14 0 0m m ，破碎锤冲击功 率为4k W ，外形尺寸为44 0 0m m x8 0 0I n m 11 0 0m m 长宽高 ，可遥控作业，保障作业人 员安全。 ≮舯～ 警 a 卧底机 b 无线遥控器 图2W P Z 一4 ／8 0 型矿用破碎转载卧底机 F i g ．2W P Z - 4 ／8 0c o a lm i n ec r u s h i n ga n dt r a n s s h i p m e n t f l o o re x c a v a t o r 2 0 1 4 年，石家庄煤矿机械有限责任公司研发了 W P Z 一3 0 ／4 0 0 型煤矿用巷道修复机，如图3 所示。 该装备的工作臂可沿车身轴线旋转1 8 0 。，同时配 有前推铲，满足挖掘、侧掏、翻转、破岩、装车、起吊等 动作要求，实现挖掘毛水沟、卧底、破岩、清理浮煤、 清理带式输送机底煤、平整巷道及小型配件吊装等 功能。该装置还可选配铲斗和破碎锤快换 装置‘2 3 。2 “。 快换破碎锤 图3W P Z 一3 0 ／4 0 0 型煤矿用巷道修复机 F i g ．3 W P Z 一3 0 ／4 0 0c o a lm i n er o a d w a yr e p a i rm a c h i n e 在W P Z 一3 0 ／4 0 0 型煤矿用巷道修复机基础上， 石家庄煤矿机械有限责任公司研制了一款高效率 W P Z 一6 0 ／4 0 0 型煤矿用多功能卧底机，如图4 所 示。该装备标配卷缆装置，增强了作业灵活性，减轻 了工人工作强度。其铲斗容量为0 ．6r n 3 ，装载宽度 为44 0 0m m ，卸载高度为28 0 0m i D _ ，卧底深度为 3 3 0m m ，爬坡能力为2 0 。，整机质量为80 0 0k g 。 图4W P Z 一6 0 ／4 0 0 型煤矿用多功能卧底机 F i g ．4 W P Z 一6 0 ／4 0 0m u l t i f u n c t i o n a lc o a lm i n e f l o o re x c a v a t o r 2 0 1 6 年，安华工程机械有限公司研制了W P Z 型煤矿用巷道修复机，如图5 所示。该装备适用于 煤矿巷道修顶、刷帮、卧底，以及水利工程、地下工 程、公路和铁路隧道施工与修复等[ 2 “。整机质量为 85 6 9 ～90 1 0k g ，最大挖掘高度为42 0 0m m ，最大 挖掘宽度为47 7 0m l T l ，破碎冲击能不大于10 0 0J ， 冲击频率为1 0 ～1 8H z ，最大卧底深度为11 5 0m m ， 行走速度为2 1k m ／h ，爬坡能力为1 6 。，装载能力 为5 0r n 3 ／h 。 图5w P Z 型煤矿用巷道修复机 F i g ．5W P Zc o a lm i n er o a d w a yr e p a i rm a c h i n e 万方数据 2 0 2 0 年第9 期薛光辉等煤矿巷道修复重载作业机器人现状与发展趋势 1 1 文献[ 2 5 ] 介绍了W P Z 一7 5 ／3 5 0L 型全工况模 块化巷道修复机。该装备增加了机载临时支护装置 和可升降工作平台，可满足巷道掘进顶板临时支护 及修复锚固作业需求。整机质量为1 9t ，总功率为 7 5k W ，挖装范围为2 ．5m 6m 5 ．5m 长宽 高 ，牵引力为1 8 0k N ，挖掘力不小于2 5k N ，挖臂 回转角度为1 8 0 。，爬坡能力为1 6 。，破碎冲击能 为3 5 0J ，破碎锤打击频率为5 0 0 ～10 0 0 次／m i n ，液 压剪破断力为3 2 0k N ，最大剪断直径为2 5m m 。 文献[ 2 6 ] 介绍了一款经济型巷道修复机，如 图6 所示。整机质量为6 ．8t ，电动机功率为4 5k W ， 爬坡能力为2 0 。，挖掘／破碎宽度为35 5 3m i l l ，挖掘／ 破碎高度为35 8 0I T l m ，挖掘／破碎距离为l5 0 0 ～ 35 5 0m m ，挖掘深度为5 5 0m m ，破碎锤冲击能为 6 0 0J ，工作臂摆动角度为3 5 。。 图6 经济型巷道修复机 F i g ．6 E c o n o m i c a lr o a d w a yr e p a i rm a c h i n e 文献[ 2 7 ] 介绍了一种多功能快换式巷道修复 机。整机质量为1 0 ．2t ，装机功率为5 5k w ，装载能 力为5 0m 3 ／h ，挖掘宽度为37 7 01 T i m ，挖掘高度为 50 0 0m m ，卸载高度为32 0 0m r r l ，破碎深度为 19 0 0m m ，通过快换装置可实现连续井下作业。 江西鑫通机械制造有限公司研制了W P Z 一3 7 ／ 6 0 0 型煤矿用巷道修复机阳引，如图7 所示。整机功 率为3 7k W ，破碎冲击能为6 0 0J ，冲击频率为7 ．5 ～ 1 6H z ，工作臂可沿车身轴线3 6 0 。转动，左右摆动角 度为3 5 。 摆动幅度不小于50 0 0m m ，上下移动 距离为3 5 0m m ，工作臂可最低限度贴地面横向侧掏 作业，配备矿用隔爆型电缆卷筒，能自动收放电缆， 安全性和自动化程度更高、灵活性更好。 鸹莓 图7w P Z3 7 ／6 0 0 型煤矿用巷道修复机 F i g ．7W P Z37 ／6 0 0c o a lm i n er o a d w a yr e p a i rm a c h i n e 2 0 1 4 年至今，煤矿用巷道修复装备外形没有太 大改进，大多在功能上进行改善，技术参数有所提 高，见表2 。 表2当前巷道修复装备能达到的技术指标 T a b l e2A c h i e v e dt e c h n i c a li n d e x e so fc u r r e n t r o a d w a yr e p a i re q u i p m e n t 指标数值指标数值 最大整机质量／t 1 9 最大冲击能／J 10 0 0 最大额定功率／k W 7 5 最大工作摆角／ 。 1 8 0 最大卸载高度／m m 32 0 0 最大爬坡能力／ 。2 2 最大挖掘／破碎宽度／m m 37 7 0 破碎冲击频率／H z 8 ～i 8 最大挖掘／破碎高度／m m 50 0 0 最大挖掘力／k N2 5 最大挖掘深度／m m 15 0 0 最大破断力／k N 3 2 0 最大破碎深度／m m 19 0 0 巷道修复装备目前仅实现了遥控和自动卷缆， 智能化水平普遍不高，亟需在满足卧底、扩帮、侧掏、 破碎、剪切等巷道修复、物料搬运与装载等作业功能 之外，进一步提高其智能化程度，研发煤矿巷道修复 重载作业机器人，使其具有自主定位与导航、自主路 径规划和避障、作业目标自动识别、作业轨迹自主规 划和自适应作业、作业效果和质量自主评价等智能 化要素，代替人工在煤矿井下进行作业，以保障井下 作业安全，提高煤矿生产效率。 3 煤矿巷道修复重载作业机器人 参考重载工业机器人，煤矿井下重载作业机器 人应具有负载范围大、运动速度快、自重负载比小、 重复定位精度高等特点。结合煤矿巷道修复装备现 状，定义煤矿巷道修复重载作业机器人为具有一定 自主或可编程能力，能够完成调高、卧底、扩帮、侧 掏、破碎、剪切等巷道修复与清理作业的智能装备。 其功能定位包括①末端有效载荷大于10 0 0k g ， 末端挖掘力不小于2 5k N ，末端破断力不小于 3 2 0k N ，作业半径不小于5m ，爬坡能力不小于2 2 。。 ②具有自主定位与导航、自主行走路径规划与避障 功能。③具有一定的作业目标自主识别能力。④具 有作业轨迹自主规划和作业载荷自适应能力。 ⑤具有一定的作业质量自主评价能力。 煤矿巷道修复重载作业机器人的研究应基于当 前巷道修复装备，充分利用机器人、人工智能和自动 控制技术，针对其作业类型多样、作业环境复杂和作 业空间狭长等特点，研究其底盘结构、动力系统、作 业机构及与行走、作业相关的智能感知与控制方法。 4 煤矿巷道修复重载作业机器人关键技术问题 因煤矿井下巷道空间狭促、分布错综复杂、环境 复杂多变，重载作业机器人在狭长封闭巷道空间内 位姿精确感知、行走路径规划与行走控制、作业轨迹 万方数据 1 2 工矿自动化第4 6 卷 规划与运动控制等基础科学问题[ 29 ] 尚未有效解决， 限制了其在煤炭智能开采中的应用。 4 ．1 狭长封闭巷道空间内位姿精确感知 煤矿井下巷道分布错综复杂，空间狭长封闭，没 有G P S 信号。当前煤矿井下定位系统多为区间定 位，无法精确实时感知煤矿巷道修复重载作业机器 人等矿用机器人的位置和航向信息，不能为其自主 行走提供导航信息。因此，构建煤矿井下定位与导 航系统，为井下移动设备和人员提供实时准确的位 置和姿态信息，是实现煤矿重载作业机器人自主移 动和作业的前提和基础。 从目前的技术发展情况看，基于U W B U l t r a W i d eB a n d ，超宽带 和惯导技术的定位与导航系统 可实现局部封闭空间的位置和航向信息的实时感 知，精度可达数十毫米级别，已在一些领域得到应 用，是非常有潜力承担“井下北斗”重任的技术。但 要达到煤矿巷道修复重载作业机器人自主移动的导 航要求，还需解决基于U W B 技术的T D O A T i m e D i f f e r e n c eo fA r r i v a l ，到达时间 模型算法角定位精 度较差、N L O S N o nL i n eo fS i g n a l ，非视距信号 误 差大等问题，并研究与惯导技术的融合算法，提出适 用于煤矿巷道重载作业机器人的改进定位算法，实 现精确感知重载作业机器人在煤矿巷道空间中的位 姿，从而进行有效的行走路径规划和作业轨迹规划， 并为其行走和作业智能导控提供参考基准。5 G 技 术在煤矿井下的应用越来越受到煤炭行业的关注， 其低延时、高带宽、广连接的特性可满足煤矿井下对 延时和带宽的高要求。把5 G 技术和定位导航系统 进行有机结合，探索适用于煤矿井下定位与导航系 统的方法与途径，有助于实现煤矿巷道修复重载作 业机器人行走与作业。 4 ．2 行走路径规划与行走控制 煤矿井下巷道地理信息数据是已知的，但由于 空间狭促，又有随机出现的行人、车辆与设备物料等 不确定性，要实现煤矿巷道修复重载作业机器人自 主行走与控制，不仅要考虑成形巷道的确定性，还要 考虑移动环境动态变化的不确定性，需在已知煤矿 巷道地理信息系统基础上，完成全局路径规划，同时 实时感知机器人所处位置的动态环境信息，以实现 避障等局部路径规划。这就需要建立含障碍物区域 和自由移动区域环境地图模型及适用于煤矿巷道动 态多变环境障碍搜索算法，以便实现快速、实时的全 局及局部路径规划。将三维激光S L A M S i m u l t a n e o u sL o c a l i z a t i o na n dM a p p i n g ，同步定位 与地图绘制 与毫米波雷达应用到巷道地图构建技 术中，基于改进L O A M L a s e rO d o m e t r ya n d M a p p i n g ，激光里程计与地图绘制 算法、滤波算法 实现环境适应性更高的环境感知算法，以此建立复 杂巷道空间模型及得到障碍物检测信息，结合 D i j k s t r a 算法、A ’算法等实现煤矿巷道修复重载作 业机器人行走路径规划及避障，进一步实现整机行 走控制。 4 ．3 作业轨迹规划与运动控制 煤矿巷道修复重载作业机器人作业空间小、负 载量大、作业环境恶劣，决定了其作业臂要具有足够 的自由度与刚度。研究有限空间中重载作业机器人 作业机构是高质量、高效率完成作业要求的重要保 证；建立典型巷道修复作业目标识别数据库，研究基 于P n P P e r s p e c t i v e n P o i n t ，透视n 点 算法的2 D R G B 图像与3 D 物体问对应关系，从而获得作业对 象6 D 位姿的作业目标识别方法；根据巷道修复作 业工艺，研究基于机器视觉和机器学习的从初始运 动状态到目标状态作业轨迹规划问题，使其在运动 过程中平滑稳定；采用基于强化学习的自适应控制 算法，研究机械臂的高效、精准智能导控，以期实现 煤矿巷道修复重载作业机器人智能作业要求。 5煤矿巷道修复重载作业机器人发展趋势 针对我国煤矿巷道修复重载作业机器人发展现 状与面临的问题，煤矿巷道修复重载作业机器人的 发展将集中体现在可靠性、智能化和工艺适应性等 方面‘3 ⋯。 1 提高煤矿巷道修复重载作业机器人的可靠 性和稳定性。重载作业机器人在封闭狭长巷道中作 业面临作业空间局促、作业环境复杂多变等难题，且 重载作业具有装备功率大、劳动强度高、作业人员 多、危险系数高等特点，因此，要求重载作业机器人 在结构尺寸尽可能小的情况下，其自身结构和控制 系统具有足够的可靠性和稳定性。 2 提高煤矿巷道修复重载作业机器人智能化 水平。重载作业机器人主要是在狭长变形巷道中施 工作业，井下环境存在诸多不可预测性，因此需要进 一步提高重载作业机器人的智能化水平，完善其安 全监测功能。未来发展趋势是重载作业机器人能在 巷道中实时获取自身位置和姿态，时刻感知周围环 境信息，实时分析接收数据，控制整机自主行走与安 全避障，使作业机构精准完成作业，并能对作业质量 进行自主评估与提升。 3 加强煤矿巷道修复重载作业机器人与其他 机器人施工工艺匹配。我国煤矿资源分布广泛，地 质条件复杂，巷道条件不同，井下装备类型多样，随 着煤矿机器人的发展和普及，要求煤矿巷道修复及 万方数据 2 0 2 0 年第9 期 薛光辉等煤矿巷道修复重载作业机器人现状与发展趋势 其他类型重载作业机器人与运输机器人、喷涂机器 人、巡检机器人等进行交互，从而更好地发挥重载作 业机器人作业能力，提高作业效率。 6 结语 煤矿生产系统庞大，作业环境复杂多变，亟需突 破当前技术限制，研发煤矿重载作业机器人代替工 人完成繁重、高危作业，提高作业效率。目前煤矿巷 道修复重载作业机器人研制进展缓慢，尚处于自动 化初级阶段，智能化程度普遍不高，面临位姿精确感 知、路径规划与避障、智能化作业等亟待解决的关键 技术问题。提高煤矿巷道修复重载作业机器人结构 和控制系统的可靠性、智能化水平和工艺适配性是 其发展方向。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]中国能源研究会．中国能源展望2 0 3 0 [ M ] ．北京经济 管理出版社，2 0 1 6 ． [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] C h i n aE n e r g yR e s e a r c hA s s o c i a t i o n ．C h 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