煤矿机器人技术的发展与应用

煤矿机器人技术的发展与应用

由于中国矿产区自然条件较差，技术和管理不足，近年来国家对教育资源的需求不断增长，中国的矿产区存在许多问题。比如生产效率低下、能耗浪费严重、采出率低,特别是矿井灾害事故频繁发生严重制约着煤炭工业的健康发展。改变这种状况需要采取多方位多层次的综合治理,而提高煤矿生产自动化程度是有效解决以上问题的关键方法之一。结合自动化发展的方向来看,21世纪的前20年,将是非制造业自动化发展的时期,这些行业的共同特点是非结构化,而矿井的生产环境是典型的非结构化环境,对于如何使生产工具适应非结构化的工作环境,机器人技术无疑是当今世界的热点课题。作为20世纪人类最伟大的发明之一,机器人自60年代初问世以来,经历40余年的发展已取得长足的进步。开发适应非结构环境下工作的机器人将是工业发展的一个长远方向。因此,将机器人技术应用于我国的煤矿生产必将产生巨大的社会效益和经济效益。1井下机器人煤矿机器人属于非制造环境下的特种机器人,是一种典型的机电一体化产品,许多国家都十分重视煤矿机器人的研究。例如美国、英国研究的无人工作面,其设备均实现机器人化,日本研究的带式输送机巡检机器人,我国研究的喷浆机器人和凿岩机器人等。鉴于我国煤矿的发展水平,研究开发井下机器人是可行的。从20世纪70年代初以来,我国的采掘机械化水平有了很大发展,出现了一大批现代化矿井。为了提高劳动生产率和保障安全,人们普遍有提高这些机械的自动化水平的要求和愿望。另外,对于目前的煤炭工程机械行业而言,我国的大多数产品都面临着更新换代。机器人技术即机电液讯一体化技术是提升工程机械技术水平和产品档次的重要手段。2精密控制和可靠性是监狱机器人发展的基本前提由于煤矿井下环境恶劣,煤矿机器人除了应具有一般机器人很多共同点外,还应具备以下特点:(1)由于矿井多有瓦斯、粉尘、淋水等,要求机器人应有防爆、防尘、防潮、抗腐蚀等功能。(2)机器人从尺寸、结构和控制上都应能够适应作业空间狭小、路面崎岖等非结构化环境。(3)机器人有可能发生与岩壁的碰撞,因而要求机器人的结构牢固。(4)井下的电器不允许现场带电检修,若运上地面,则花费很多时间,会严重影响生产。此外,由于井口离作业点很远,且提升机的停开一般都有规定时间,即使是小的故障,维修人员不能及时赶往现场,机器人将难以得到及时修复。所以,在可靠性方面比一般工业机器人要求更高。(5)作业场所可能随着掘进深度的增加而经常移动,要求必须跟随作业场所工作的机器人有良好的移动性。(6)要适应大部分矿工文化程度较低的现状,机器人的操作系统应直观、简便。从以上分析可以看出,煤矿机器人的特点有些是矛盾的,如特点(1)、(3)必将使机器人的质量增加,而特点(2)、(5)又要求机器人轻便、灵巧;通过精密的控制可以弥补机械部分的不足,使情况(3)尽可能不发生,但这在目前国情下,不能靠增加大量的机器智能来解决,否则将会因价格昂贵和可靠性差,与特点(4)也不相符。这要求在设计的过程中就应权衡利弊,做出选择。3采矿上的机器人采煤业是一种劳动条件相当恶劣的生产行业,其主要表现为振动、粉尘、煤尘、瓦斯、冒顶、火灾、水灾等不安全因素的大量存在。这些不安全因素极大地威胁井下工人的安全。因此,煤矿迫切要求开发各种不同用途的机器人以取代人类从事的各种有毒,有害及危险环境下的工作。此外,采掘工艺一般比较复杂,这种复杂工作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。从根本上讲,机器人在煤矿生产中的应用实际上是把已经成熟的机器人技术移植到生产机器上,形成“机器人化的机器”。机器人移植到矿山机械上并根据井下特殊环境的要求加以改进和完善后,就能开发出具有煤矿特色的工业机器人或机器人化的矿山机械。世界上许多发达国家也都先后开始研制了各种煤矿机器人。根据井下作业的特殊条件和特点,机器人的应用主要有以下几个方面:3.1嘴唇下机器人开采目前,一般都用综合机械化采煤机采煤,但对于薄煤层这样一类的特殊情况,运用综合机械化采煤机就很难完成。如果用人去采,作业又十分艰苦和危险,如果舍弃不用,又造成资源的极大浪费。因此,采用遥控机器人进行特殊煤层的采掘是最佳的方法。这种采掘机器人应该能拿起各种工具,比如高速转机,电动机和其他采爆器械等,并且能操作这些工具。这种机器人的肩部应装有强光源和视觉传感器,这样能及时将采区前方的情况传送给操作人员。特殊煤层采掘机器人复杂程度很大,在国外已有产品问世,国内同类产品正在加紧研究中。3.2大、难点二:液压削岩设备巷道掘进是现代煤矿大规模基础设施建设中的一项难度大、耗资耗时多、劳动条件差但又十分重要的施工作业。隧道开挖一般采用掘进法和钻爆法。前者采用庞大复杂的掘进机,用类似机械切削的方法一次将整个隧道断面成型。这种施工方法特点是掘进速度快、安全,但是该方法使用的全断面掘进机价格昂贵。钻爆法的施工则比较灵活,断面适应性好,设备费用相对低廉得多,但劳动强度比较大。凿岩设备是钻爆法施工中用到的主要设备之一。早期的液压凿岩设备完全由人工操作,操作人员熟练程度稍差就会导致“超挖”或“欠挖”,对工程的成本和工期都会产生不利影响。为了提高巷道开挖水平,几乎在液压凿岩钻车实用化的同时,国外许多厂商都将计算机技术和自动控制技术引入新型液压凿岩设备。随后,几乎所有先进采煤国都推出了具有机器人特征的半自动计算机辅助凿岩钻车和全自动凿岩钻车,也称为凿岩机器人。由于这类凿岩机器人主要用于隧道的开挖,称为巷道凿岩机器人。这种机器人可以利用传感器来确定巷道的上缘,这样就可以自动瞄准巷道缝,然后把钻头按规定的间隔布置好,钻孔过程用微机控制,随时根据岩石硬度调整钻头的转速和力的大小以及钻孔的形状,这样可以大大提高生产率,人只要在安全的地方监视整个作业过程就行了。中南大学成功的研发隧道凿岩机器人是双臂型机器人,2只铁臂上各有一个6m长的钻头,可以在任何坚硬的岩石上打出所需炮眼。操作者在电脑上输入工作界面面积和炮眼数目,机器人便自动设计钻孔的疏密布局并予以执行。它的工作界面最大可以达到90m2,主要应用于铁路、公路、矿山、水电等基本建设领域的隧道开挖。3.3井下喷浆和喷浆的关系喷浆就是喷射混凝土。喷浆支护是国内大力推广应用的一种巷道支护新工艺。我国有大中型煤矿500多个,每个矿都有掘进队5～6个,其巷道开挖总量比铁路还多。与传统的木材、钢梁支护方法相比,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。但喷浆支护也存在一些需要解决的问题,如人工喷浆时,回弹造成的飞沙走石使工人不敢抬头睁眼,致使无法保持喷枪与受喷面垂直,也无法使喷枪口与受喷面保持最佳距离。这样,不仅混凝土的回弹率高(30%～50%),浪费材料,而且混凝土结构疏密不一,不能保证喷层的质量。另外对大断面隧道,人工喷浆需要搭脚手架,影响施工进度,且费工费料。井下喷浆作业是一项很繁重并且危害人体健康的作业,目前这种作业主要由人操作机械装置来完成,这种方法的缺陷很多。喷浆机器人可用于一切需要喷浆的工程中。采用喷浆机器人不仅可以提高喷涂质量,也可以将人从恶劣和繁重的作业环境中解放出来。目前国内外已有井下喷浆机器人问世,如山东科技大学机器人研究中心的喷浆机器人有8个自由度,即:腰部转动、大臂俯仰、大臂伸缩、小臂俯仰、小臂伸缩、小臂摆动、手腕转动、喷枪姿态调整,外加一个喷嘴自动划圆局部自由度。因采用了独特的设计结构和控制方式,当大臂俯仰时,既能保证其末端基本是沿一条铅垂线运动,又能保证其前端的小臂自动端平,同时喷嘴姿态不变;当腰部转动时,既能保证小臂自动与受喷面平行,也能保证喷嘴姿态不变。与一般关节型机械手相比,完成同样的位姿变化,能减少2～3个操作动作,可以极大地缓解操作人员的紧张程度,可广泛用于铁路公路隧道、水电水利建设、地铁、矿山巷道、军事设施、边坡和各种地下建筑等工程的喷射混凝土的施工中。3.4采用第二代煤液扩增传感器,及时发现事故突发的麻黄瓦斯和冲击地压是井下作业中的两个重要的不安全自然因素,一旦发生突然事故是相当危险和严重的。但瓦斯和冲击地压在形成突发事故之前,都会表现出种种迹象,如岩石破裂等。采用带有专用新型传感器的移动式巡检机器人,连续监视采矿状态,就可以及早发现事故突发的先兆,采取相应的预防措施。代替带式输送机巡检员的带式输送机巡检机器人已在日本研发成功,并在多个煤矿实施。3.5现场急救指挥人员煤矿救灾机器人采用自主避障和遥控引导相结合的行走控制方式,能够深入事故矿井探测前方的火灾温度、瓦斯浓度、灾害场景、呼救声讯等信息,并实时回传现场信息和图像,为救灾指挥人员提供重要的现场灾害信息。同时,搜救机器人上携带了急救药品、食物、生命维持液和简易自救工具,以协助被困人员实施自救和逃生。中国矿业大学已研究成功类似的履带式煤矿救灾抢险机器人。4煤矿机器人及设备随着机器人研究的不断深入和发展,煤矿机器人的应用领域会越来越宽,经济效益和社会效益也会越来越显著。煤矿生产实现机械化之后的主要任务和必然趋势是煤矿生产自动化。人们有理由相信,煤矿机器人的研究和应