煤矿巷道智能掘进机器人系统关键技术研究

按照国家“加快煤矿智能化发展”的战略部署,贯彻“采掘并重,掘进先行”方针,针对煤矿巷道掘进存在地质条件复杂、工艺装备落后、作业人员偏多、操作环境恶劣、安全风险严竣、采快掘慢失衡等问题,深入总结分析国内外煤矿巷道智能掘进技术的研究动态,指出存在的不足和亟待解决的问题。针对煤矿复杂地质条件下的巷道掘进难题,研发了一种全新的集截割、临时支护、钻锚和锚网运输等并行智能协同的煤矿巷道掘进机器人系统。通过研究进展分析、理论方法探索以及研发实践,提出构建煤矿巷道智能掘进机器人系统的3大关键技术问题及其研究内涵,创建解决关键技术问题的研究体系架构:煤矿巷道掘进机器人系统建模与围岩耦合机理;煤矿巷道掘进机器人系统智能协同控制技术,提出数字孪生驱动的虚拟现实远程智能控制方法;煤矿巷道快速掘进机器人系统精确定位定向和定形技术,提出机器人系统全局和局部精准定位定向及断面截割精准定形控制方法。破解复杂地质条件下的煤矿巷道智能掘进机器人系统关键技术难题,对于研发高质量、高可靠、高效率、高智能的煤矿巷道智能掘进机器人系统,从根本上改善掘进工作面环境,解放生产力,全面提高煤矿巷道掘进效率和质量。

煤矿掘进机器人虚拟仿真与远程控制系统

针对现有掘进机视频监控和遥测遥控等监控方式存在图像不清晰、无法真实反映掘进机位姿和工况状态等问题,提出了一种煤矿掘进机器人虚拟仿真与远程控制系统,介绍了系统方案设计,对掘进机器人改进设计、虚拟仿真远程监控平台、掘进机器人控制模型等关键技术进行了研究。该系统利用虚拟现实技术有机整合井下操作人员、掘进机器人和井下环境信息,以掘进机器人自动掘进和远程人工干预为目的,实现了掘进过程的运动控制和巷道成型掘进控制功能。实验结果验证了该系统的有效性和良好的控制性能。

煤矿掘进机器人系统智能并行协同控制方法

煤矿巷道掘进长期存在的“采快掘慢”“掘快支慢”顽症,尤其是掘进工作面装备成套化、自动化、智能化程度偏低、顺序作业工艺技术落后等问题,严重影响生产接续和安全高效开采。对此,研发了护盾推移式煤矿巷道掘进机器人系统成套装备,提出了一种煤矿巷道掘进机器人系统智能并行协同控制方法。首先,结合掘进机器人系统与巷道的耦合关系,分析了掘进机器人系统中各个子系统之间的相关性以及多任务之间的相互影响机理,得出了决定掘进效率的关键因素在于截割机器人和钻锚机器人的并行协同控制;其次,针对钻锚机器人各钻机之间的时空关系,构建了多钻机多任务协同钻锚作业数学模型,获得了钻机布置排距、排数及其各排钻锚任务数,同时使用优化组合的方法进行求解,并对计算结果通过安全距离最大原则进行优化,获得了钻锚机器人各排钻机最佳时空匹配策略;最后,通过钻锚机器人系统并行协同控制仿真和实验,证明了该方法的有效性;通过对掘进机器人工作时截割机器人与钻锚机器人的时序分析,得出优化后的钻锚机器人工作时间能够与截割机器人工作时间有效匹配,2者能够并行协同的完成截割和钻锚任务。该方法已经应用在团队研发的煤矿智能掘进机器人系统上,实现了多机器人系统的智能并行协同控制。具有智能并行协同控制的掘进机器人系统已经在大断面(6.50 m×4.25 m)、夹矸与片帮共存的巷道运行近10个月,经受了夹矸厚度达2.1 m、硬度f=5-7的严酷考验,日进尺突破50 m。

煤矿巷道掘进锚网运输机器人结构设计及运动规划

目前煤矿巷道永久支护作业中锚网运输与布放主要依靠工人操作完成,存在工作效率低、劳动强度大,危险系数高等问题。在团队研发的煤矿智能掘进机器人系统的基础上,提出一种自动取网、送网、布网的锚网运输机器人系统。研究设计了锚网运输机器人机械结构,利用Solidworks建立三维模型,对取网机械臂结构进行力学分析;建立系统作业机制,基于D-H法构建机械臂的运动学模型,并进行其工作空间分析,基于五次多项式插值,求解末端运动轨迹。结果表明锚网运输机器人取网单元结构设计合理,可靠性强,稳定性高,具有较高的运输及布放效率。

煤矿巷道机器人管线视觉辅助定位与导航方法研究

在煤矿巷道安全巡检以及灾变环境应急救援等工作中通常需要使用到智能机器人。目前智能机器人的自主导航与避障技术已经比较成熟,但是主要应用场景都是有卫星定位(GPS、北斗导航系统等)的室外环境或者特定室内环境。由于煤矿巷道存在环境复杂,光照不均匀,空间狭窄等难点,智能机器人在煤矿巷道的自主导航方法还需要进一步研究。常用的传统惯性导航是使用惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)的加速度与角速度来推算物体在三维空间的位置信息,但是误差累积问题比较严重。煤矿巷道存在大量管线,结构化特征显著,通过机载摄像头获取井下巷道图像,使用机器视觉算法来定位巷道图像中的管线,并且通过解算机器人与管线之间的偏航角来辅助机器人的视觉导航。针对巷道中管线的颜色鲜明、几何形状特征明显的特点,结合颜色与几何特征,采用将原始图像纵向分割成多个独立子图像的方法,减小环境噪声对图像中管线分割带来的影响,然后从每个子图像中获取候选管线轮廓,并判断是否属于同一根管线进行轮廓分组,从每组候选轮廓中根据管线轮廓所拟合直线的平行程度进一步筛选出较为鲁棒和稳定的管线轮廓。结合相机针孔模型和偏航角解算模型,进而获得机器人当前的偏航角度。试验表明:上述方法不仅快速,而且计算的偏航角准确可靠,能够满足煤矿巷道机器人视觉辅助定位与导航需求。

我国煤矿坑道钻探装备技术进展与展望

煤矿坑道钻探装备技术在发展过程中受到诸多不利条件的限制,导致新技术发展滞后,随着我国煤矿大力推进智能化建设,给煤矿坑道钻探装备技术带来了革命性的发展机遇。通过分析国外坑道钻探装备的技术特点和发展状况,以及国内坑道钻探装备技术的3个阶段发展,包括初级阶段的分体式钻机与稳定组合钻具轨迹控制方法,蓬勃发展阶段的履带式钻机、定向钻进装备技术及松软煤层钻进技术,新发展阶段的自动化和智能化装备技术,提出了今后我国煤矿智能化发展阶段钻探装备技术需要解决的关键问题,为推进钻探装备技术智能化水平的提高提供支撑。

机器人技术在煤矿中的应用及发展趋势

煤矿机器人作为煤矿运营管理体系的重要组成部分,在生产作业、矿难事故、安全救援等方面发挥着关键性作用,探讨了国内煤矿掘进机器人、采煤机器人和救援机器人的发展和研究现状,最后针对存在的问题展望了其发展趋势,为煤矿机器人技术发展提供参考。