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  • 仿人机器人现状

    2020-03-06 16:12:55
    国际现状 从机械结构与控制系统上说,世界范围内可以分为两个主要的研究方向,也是极具代表性的两种仿人机器人类型。一种是以日本本田公司研发的ASIMO为代表的位置控制仿人机器人,其特点是机械机构以u型架、板件...

    引言

    仿人机器人是仿照人类运动和智能行为在形式和功能上的一种统一仿生机电自动化系统,由于类人运动和功能的多样性、复杂性以及高维度性,所以仿人机器人是一个非常具有挑战性的研究方向。

    国际现状

    从机械结构与控制系统上说,世界范围内可以分为两个主要的研究方向,也是极具代表性的两种仿人机器人类型。一种是以日本本田公司研发的ASIMO为代表的位置控制仿人机器人,其特点是机械机构以u型架、板件支撑、宽大的平脚板组成,控制系统以工业控制计算机、大功率伺服控制器、直流电机、大减速比谐波构成,控制方法为位置控制。这种机器人的特点是控制精度高,系统稳定不易发散,但突出问题就是刚度冗余,对外部扰动的抵抗能力差,采用的控制算法复杂,以来传感器的反馈等。而ASIMO机器人采用先进的稳定控制方法,已经能够完成跑、跳、不平整地面行走等基本运动,高级功能如语音及识别、自动检测环境等也有不俗表现。另一种是以波士顿动力公司研发的ATLAS为代表的力矩控制机器人,其特点是拥有质量高度集中的躯干和轻盈修长的腿脚结构,关节采用液压驱动,采取在线规划控制策略。这种机器人的特点非常突出,动力强劲有力可以完成空翻、远距离跨越、连续蹦跳等运动,抗扰动能力也非常高。迄今为止该机器人代表着仿人机器人领域的最高技术水平,让前景浮现出一片光明!

    国内现状

    总的来说,我国的仿人机器人研究进展是缓慢的。与其他国家仿人机器人相比,我国起步较晚,总体研究方向以北京理工大学机器人研究所研发的BHR系列仿人机器人为代表。而BHR系列本质上也是属于ASIMO这类位置控制的机器人类型,外形别无二样。但现阶段仍然无法达到ASIMO机器人的稳定运动能力,这不仅是控制算法的落后,基本组成部件如驱动器、伺服电机、传感器和减速器等的研发能力也有很大差距。据我所知在实验室研究阶段还是通过进口国外公司器件进行研究,成本高也是这项技术不能转化成果的原因之一。随着近期机器人行业的发展,我国也涌现出诸如优必选、钢铁侠等以仿人机器人为主要产品的创业公司,然而由于专业性和人才匮乏等原因,技术不足以支撑其成为国内国际上行业的领军者,也只是靠一点没有实质性技术突破的卖点艰难生存。整个行业也在寻求生存的方式,但由于如今仿人机器人技术的不完善,让人们不能在实际应用中找到它的应用环境,所以该项技术在国内还只是技术储备,在实验室研究的阶段。

    未来展望

    2019年,本田公司宣布ASIMO停止研发,转向开发更加实用的服务机器人领域。而波士顿动力公司也宣布将于2019年正式将四足仿生狗商业化,并开源部分Atlas代码推进行业的发展。正在此时,华为5G的出现也将信息传输的速度提升数百倍,在将来必将影响云计算、互联网和物联网的发展和应用。智能家居、智能穿戴的理想目标也将出现转机,仿人机器人发展也会出现新的应用领域,从物联网的角度出发,这个行业也将吸引更多人的关注和资金的推动。当然,仿人机器人还需要完善基础功能,其实更复杂的动作在仿真中都已经有所研究,并可以完美的复现人体的灵活性如跳舞、跑酷等。但在实物研制方面受到驱动和结构的限制,所以未来在能源供应方面、关节驱动形式上需要多个领域的共同努力。当在机械和驱动方面释放限制后,诸如视觉、触觉、情感和自我学习的研究才能够实质性应用在仿人机器人身上,到那时将实现所有研究人员共同的理想目标,而仿人机器人也将趋于完美,融入人们的生活,带来便利,带来新科技。

    上述言论属一家之言,如有不妥请批评指正。

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  • 结合矿难救援机器人在煤矿事故的工作环境,分析现有的救援机器人研究现状,针对矿难事故后的狭小救援空间提出采用双功率流可以实现原地转向机构,减小救援机器人的转向半径,使其移动性灵活,降低故障率,提高救援机器人...
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  • 随着人口老龄化来袭,劳动人口数量下降,人口红利将逐渐消失,利用机器人替代人工的需求将越来越强烈,尤其在智能配送行业。2020年初疫情的爆发及新基建政策的推进,让无人智能配送机器人行业迎来新的发展机遇。 在...

    随着人口老龄化来袭,劳动人口数量下降,人口红利将逐渐消失,利用机器人替代人工的需求将越来越强烈,尤其在智能配送行业。2020年初疫情的爆发及新基建政策的推进,让无人智能配送机器人行业迎来新的发展机遇。

    在过去一两年,整个配送机器人行业还极为低调,处于0-1的发展阶段,疫情爆发后,无人配送机器人快速成为多个服务业的刚需,为疫情防控筑起了坚实防线。

    目前,无人配送领域主要分为室外配送和室内配送两大模式。室外配送主要涉及非封闭环境下的配送,大多以社区、住宅小区、校园、园区等配送为主,而室内配送则应用于楼宇、酒店、商城、餐厅、医院、机场等地。受制于技术限制,相较于室外配送,室内配送机器人商业化落地更快。

    无人智能配送机器人的分类

    现下,室内配送机器人已跨出试验阶段,初步进入市场推广阶段,尤其是在餐饮行业,配送机器人已有大量落地应用。我们所熟知的海底捞、呷哺呷哺、巴奴、西贝莜面村等多家餐饮门店中均有送餐机器人的身影。

    智能配送机器人的发展历程回顾

    回顾近几年来配送机器人的发展历程,大致可分为以下四大阶段:

    1、探索期(2016年以前)

    在2016年以前,配送机器人相关核心硬件及关键技术还不够成熟,下游应用较窄,餐饮配送机器人发展仍处于早期探索阶段。激光雷达等核心传感器大多依赖于进口,成本较为昂贵,SLAM等关键技术发展水平有限,餐饮配送机器人定位导航精度、稳定性有待提升。

    2、起步期(2016-2018年)

    配送机器人上游供应链更加完善,优质整机厂商开始入场,应用市场教育程度有待提升。激光雷达、深度相机等核心零部件国产厂商自研能力不断提升,成本开始逐步下降。

    3、成长期(2018-2020年)

    国产核心零部件进程提速,各项技术更加成熟,应用端巨头开始入局,推动餐饮配送机器人行业发展提速。为配送机器人整机成本控制提供良机;算法提升、关键技术迭代,机器人性价比更高;很多头部餐饮企业开始规模化使用送餐机器人,对市场有着直接的拉动作用。

    4、爆发期(2020年后)

    产业链生态逐步完善,疫情加速餐饮配送机器人参透率提升。疫情防控中,配送服务机器人助力防疫工作高效展开,减少了人员接触带来的风险,有效保障用户和货品安全,随着防疫工作的常态化,对于餐饮配送机器人的需求仍将持续一段时间。长久来看,疫情加速培养了用户的使用习惯,从而推动行业的进一步发展。此外,疫情之下,餐饮配送机器人价值凸显,市场认可度不断提升,行业有望迎来高速发展阶段。

     

    以餐饮业为代表的配送机器人迎来大规模发展

    据餐饮大数据研究服务机构NCBD 2020年统计分析数据显示,2017年,我国送餐机器人市场规模只有0.2亿元,2019年增长至2.2亿元。受疫情影响,2020年送餐机器人迎来了发展高潮,市场规模已达到11.6亿元,远超往年规模。据专业人士预测,2025年我国送餐机器人市场将增长至150亿元。在整个服务机器人中,送餐机器人的市场占比,从2019年的1%左右上升至10%左右。

    无人智能配送机器人市场规模

    据国家统计局数据显示,仅2020年12月,我国餐饮收入就达到4950亿元,增长0.4%。而全年餐饮收入达到了39527亿元,在门店数目上,33%的企业门店与去年持平;30%的企业门店同比减少10%-50%,与此相对应的是63%的企业员工人数同比有所减少,这些数据表明,目前已有很大一部分餐厅开始使用配送机器人进行基础的送餐工作。

     

    市场需求爆发,多家企业抢占配送机器人肥肉

    目前在配送机器人赛道已有普渡、擎朗、穿山甲、优地科技等多家企业入局。

    无人智能配送机器人布局企业

    这些企业的成立时间均在2010-2019年范围内,大部分机器人企业成立时间相对较短,且主要以提供综合类服务机器人为主。除了配送机器人领域,这些企业中还同时布局了导引导览、消毒、巡逻等类型的服务机器人。

    从配送机器人技术实现上来看,机器人底盘是其最底层也是最重要的硬件模块,再往上就是业务系统和云平台。其中底盘部分包含了移动特性和定位导航算法,定位导航算法大致又包括了机器人环境感知、定位建图、路径规划及避障几大部分。

    四五年前,送餐机器人还需要将磁条导轨贴在天花板上,引导机器人在预设地图上进行送餐。但近两年来,随着配送机器人产业链上游核心零部件和中游产业链技术模块和本体制造技术都在提升,现在的配送机器人无论从外观设计还是行走上都更具实用性。

     

    入局配送机器人赛道 思岚提供一站式智能配送解决方案

    提到思岚科技,相信业内人士并不陌生,作为业内领先的机器人定位导航技术提供商,思岚科技想凭借自身在实现机器人智能行走的领先优势上,为配送机器人行业带来一站式完整解决方案,帮助企业降本增效。

    思岚科技一站式无人智能配送机器人解决方案

    思岚科技提供的深度可定制化配送机器人解决方案,能根据客户需求提供定制化服务,采用思岚科技自主研发的高性能定位导航技术,可使机器人在复杂多样的商用环境中实现智能移动,做到物资的点对点配送。在配送过程中无需人为控制,并支持自主上下电梯,实现多楼层任务的配送。

    该解决方案目前主要包括自主定位导航、电梯控制、及机身硬件设计制作,当然也可定制化的提供语音交互,业务使用流程及无人值守等。能满足用户的个性化定制需求,对于一些想快速实现配送机器人搭建的企业来说,选择思岚科技的完整化配送机器人解决方案无疑是最好的选择。

    在实现机器人智能行走技术上,思岚科技提供的机器人定位导航解决方案目前已在餐厅、医院、银行等多个公共场所中实现落地。如疫情防疫中基于思岚科技移动底盘的医护助理机器人pepper,采用思岚科技自主定位导航方案的塔米天使医护机器人V5-Angel,以及基于思岚定位导航方案的小笨智能消毒机器人,这些机器人的出现减少了前线工作人员的感染风险。

    随着机器人相关核心技术的不断进步,目前,市面上的配送机器人已很少有使用磁条导轨设计行进路线的机器人了,采用定位导航技术的配送机器人无论在狭窄区域内,还是在人群较多的场所,其都能更灵活的实现自主移动。

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  • 中国机器人发展现状

    千次阅读 2019-07-25 09:01:56
    综合分析了全球和我国机器人产业发展趋势及特征,围绕产业规模效益、结构水平、创新能力、集聚情况和发展环境等方面,分析了我国长三角、珠三角、京津冀、东北、中部和西部六大区域的机器人产业发展现状及水平。...

    https://www.toutiao.com/a6716856624419439112/

     

    在2018世界机器人大会上,中国电子学会发布《中国机器人产业发展报告2018》,综合分析了全球和我国机器人产业发展趋势及特征,围绕产业规模效益、结构水平、创新能力、集聚情况和发展环境等方面,分析了我国长三角、珠三角、京津冀、东北、中部和西部六大区域的机器人产业发展现状及水平。

    中国机器人发展现状

     

    该报告预测,2018年我国机器人市场规模将达87.4亿美元。其中,工业机器人62.3亿美元、服务机器人18.4亿美元、特种机器人6.7亿美元。2013年到2018年,我国机器人市场的平均增长率将达29.7%。

    在工业机器人领域,我国约占全球市场份额的三分之一,是全球第一大工业机器人应用市场。2017年,我国工业机器人保持高速增长,销量同比增长30%。按照应用类型分,2017年国内市场的搬运上下料机器人占比最高,达65%。

    中国机器人发展现状

     

    该报告分析认为,由于人口老龄化趋势加快,以及医疗、教育需求的持续旺盛,我国在服务机器人领域存在巨大市场潜力和发展空间。该报告预测,2018年我国服务机器人市场规模有望达到18.4亿美元,同比增长约43.9%,高于全球服务机器人市场增速。而到2020年,随着停车机器人、超市机器人等新兴应用场景机器人的快速发展,我国服务机器人市场规模有望突破40亿美元。

    特种机器人由于可以替代人类在更多复杂环境中从事消防、救灾、安防等工作而取得了快速发展。该报告认为,当前特种机器人已具备一定水平的自主智能,通过综合运用视觉、压力等传感器,以及不断优化控制算法,可以完成定位、导航、避障、跟踪等任务。该报告预测,2018年我国特种机器人市场规模将达6.7亿美元,增速将达23.2%,高于全球水平。其中,军事应用机器人、极限作业机器人和应急救援机器人市场规模预计分别为4.7亿美元、1.5亿美元和0.5亿美元。到2020年,特种机器人的国内市场需求规模有望达到10.7亿美元。

    中国机器人发展现状

     

    该报告也指出,尽管当前我国机器人产业发展总体向好,并在多元应用场景下催生了一部分细分市场的“小巨人”企业出现,在减速机、伺服控制、伺服电机等关键核心零部件领域也有一些突破,但同时应该注意到,我国机器人产业仍存在围绕系统集成的价格竞争较为普遍、自主品牌发展面临性价比与资金供应的现实挑战、资本的收益性与风险性并存、工业机器人人才培养重研发轻应用等问题,需要引起从业者与主管部门的高度重视。

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  • 随着科技的不断进步和对机器人代替人类工作的不断需求,人工智能在煤矿的研究和应用得到了快速发展。《中国制造2025》发展规划提出,要实现关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能控制以及建设重点领域...

    随着科技的不断进步和对机器人代替人类工作的不断需求,人工智能在煤矿的研究和应用得到了快速发展。《中国制造2025》发展规划提出,要实现关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能控制以及建设重点领域智能工厂,未来的煤矿将实现生产设备网络化和生产现场无人化,这为智能煤矿发展提供了借鉴性指导。在我国《能源技术革命创新行动计划》中,明确了要提升煤炭开发效率和智能化水平,研发高效建井、快速掘进、智能化工作面等技术,重点煤矿区基本实现工作面无人化,全国采煤机械化程度达到95%以上。

    煤矿机器人是依靠自身动力和控制能力来完成各种采矿操作任务的机器。评判煤矿机器人的性能水平包含3个因素,一是智能因素,是指记忆、运算、比较、判断、决策、学习和逻辑推理等感知能力;二是机能因素,是指变通性、通用性或空间占有性等运动能力;三是物理能因素,是指力、速度、可靠性和寿命等负载能力。

    根据控制能力的自主程度,煤矿机器人可分为一般煤矿机器人和智能煤矿机器人。一般煤矿机器人是仅有一般编程能力和操作功能的机器人,可认为是一种针对特定采矿任务而有可编程动作的特殊机器。智能煤矿机器人是自控机器人,它具有较为齐全和可靠的传感器和执行器,能够像矿工一样自主完成各类采矿作业任务,它应具备3个要素,即感知要素、反应要素和决策要素。

    1 机器人将开创智能采矿新时代

    通常把机器人技术发展分为三代。第一代机器人指只有操作器(手)的机器人,以可编程序或示教再现方式工作,不具有对外界信息的反馈能力。第二代机器人指装备各种传感器(如力觉、触觉、视觉等)的机器人,在一定程度上能感知客观环境的变化及动作的结果,即具有对外部信息的反馈能力,能适应客观环境的变化。第三代机器人指智能机器人。智能机器人装有丰富的传感器,并将人工智能技术与机器人相结合,使机器人不仅能够感知环境,而且能够建立并适时修正环境模型,然后根据确定的任务,以实时模型为基础进行问题求解,作出决策及制订规划,并且具有一定的学习功能,它具有高度的自适应性及自治功能。

    按照替代功能和应用领域划分,机器人大致可分为工业机器人、服务机器人和特种机器人3类。工业机器人指具有焊接、切割、搬运、涂装、包装和码垛等功能的机器人;服务机器人包括能够为人类提供家政服务、医疗服务和公共服务的机器人;特种机器人则是指在军事、救灾、极地、高危作业以及采矿等领域所使用的机器人。

    在采矿业中,机器人将逐渐代替矿工的劳动,从几千年前的人工挖煤,到100多年前的动力助人采煤,再到几十年前的机械化替人采煤,发展到今天的自动化减人开采,而且最终采矿业会实现无人智能化开采。随着自动化程度的提高,生产效率得到了极大的提高。采矿工具发展历程如图1所示。

    图1 采矿工具发展历程

    采矿行业中有很多岗位是高危岗位,如果机器人能够替代矿工去完成这些高危作业,将从根源上解决煤炭行业的安全生产问题。煤矿事故死亡人数占比较高的危险岗位主要分布在掘进、采煤、运输、电气、检修、巡检等作业地点。这些危险岗位的井下矿工人数占到近60%,而事故死亡人数高达85%。如果这些高危岗位被机器人所替代,那么将会在提高生产效率的同时,极大程度地降低因煤矿生产事故而死亡的人数。

    2019年1月,为了推动工业机器人、智能装备在危险工序和环节替代应用,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、38种煤矿机器人,并对每种机器人的功能提出了基本要求。

    掘进类机器人包括掘进工作面机器人群、掘进机器人、全断面立井盾构机器人、临时支护机器人、钻锚机器人、喷浆机器人、探水钻孔机器人、防突钻孔机器人、防冲钻孔机器人;采煤类机器人包括采煤工作面机器人群、采煤机机器人、超前支护机器人、充填支护机器人和露天矿穿孔爆破机器人;运输类机器人包括搬运机器人、破碎机器人、车场推车机器人、巷道清理机器人、煤仓清理机器人、水仓清理机器人、选矸机器人、巷道冲尘机器人、井下无人驾驶运输车、露天矿电铲智能远程控制自动装载系统、露天矿卡车无人驾驶系统;安控类机器人包括工作面巡检机器人、管道巡检机器人、通风监测机器人、危险气体巡检机器人、自动排水机器人、密闭砌筑机器人、管道安装机器人、皮带机巡检机器人、井筒安全智能巡检机器人、巷道巡检机器人;救援类机器人包括井下抢险作业机器人、矿井救援机器人、灾后搜救水陆两栖机器人。

    2 煤矿机器人研发、应用现状与发展方向

    2.1 掘进类机器人

    2.1.1 掘进工作面机器人群

    掘进工作面机器人群属于掘、支、锚、运一体化智能机组,它由截割系统、临时支护系统、锚固系统、装运系统、行走系统组成,具有掘锚平行作业、多臂钻锚支护、连续破碎运输、长压短抽通风和远程操控等特点。掘进工作面机器人群具有掘进机位姿自动检测、掘进机截割轨迹优化、自适应截割、自主纠偏等特点,能实现自移式掘进-支护-锚固-运输联合机组的自动作业。

    图2 掘进工作面机器人群示意图

    中国矿业大学主持的国家973计划项目创新设计的掘进工作面机器人群如图2所示。这是针对在现有综掘巷道掘、支、锚的串行作业中存在的支护时间远大于掘进时间以及支锚作业安全隐患大等难题,基于机器人化掘、支、锚联合作业提出的机器人化掘支锚并行作业新工艺,它突破了支护时间过长的技术瓶颈,可实现掘进、支护、锚固并行作业的无人化操作,掘支时间比例从原 1∶2或1∶3缩减到1∶0.4,支护效率提高了5倍以上,掘支总效率提高约2.5倍以上。

    2.1.2 掘进机器人

    掘进机器人是在掘进机上安装有激光测距仪、激光标靶、线激光发射器、扇面激光发射器和双轴倾角传感器等传感装置,具备定位导航、纠偏、多参数感知、状态监测与故障预判、远程干预等功能。掘进机器人示意图如图3所示,它作为国家863重点项目研究成果,已在石家庄煤机公司批量制造。

    图3 掘进机器人示意图

    在掘锚机器人方面,连续采煤机加装掘锚一体化功能,配有4台顶锚杆机和2台帮锚杆机,成巷速度可提高65%以上,施工循环时间在30 min以内,正常的日进尺为40~50 m,月进尺1000~1200 m。 还有一种悬臂掘进机的掘锚一体机,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、安全地锚杆支护,提高掘进效率,减轻工人劳动强度。

    盾构隧道掘进机也可认为是一种巷道盾构机器人,它在隧道施工中比较常见,现阶段也被应用在煤矿的掘进施工中。巷道盾构机器人具有切削土体、输送土碴、拼装衬砌、导向纠偏等自动化作业功能。国家能源集团新疆涝坝湾煤矿副井采用了这种盾构机器人,盾构长度为5845 m;新街台阁庙1#矿的斜井盾构长度为6553 m,最大埋深为390 m;神东补连塔煤矿斜井盾构长度为2745 m,坡度为-5.5°,最大埋深为280 m,开挖直径为7.62 m,井筒净直径为6.6 m;澳大利亚Anglo-American煤矿井下斜巷盾构施工长度为300 m。

    2.1.3 钻锚机器人

    瑞典Atlas Copco公司研制的Boomer钻孔机器人钻进速度可以达到1.6 m/min,是常用的人工气腿式凿岩机的10倍;日本东洋公司生产的钻孔机器人的定位误差能够达到小于50 mm的水平,定位时间为25~40 s;法国的Montabert公司生产的钻孔机器人定位误差仅为10 mm,钻壁一次定位时间约10 s。

    法国Secoma公司研发生产的钻装台车,锚支能力可达到每班60~80根锚杆;瑞典Atlas Copco公司研制的锚杆钻装台车,钻装能力为15~30根/h;澳大利亚HYDRAMATIC公司四钻臂锚杆钻机具有支护速度快的特点,能够满足快速掘进的支护要求。同时,我国三一重工集团和石家庄煤机公司也生产国产钻装机。

    2.1.4 喷浆机器人

    喷浆机器人可替代人工喷浆操作,能解决湿喷台车操控复杂、操控技能要求高、机手劳动强度大的问题。喷浆机器人的覆盖宽度为2.5 m、高度为3.2 m,无死角,施工效率高,喷嘴末端轨迹跟踪误差<12 cm,位置感知误差<2%。山东科技大学研制出了喷浆机器人,中联重工研制出了混凝土湿喷台车。

    2.2 采煤类机器人

    2.2.1 采煤工作面机器人群

    采煤工作面机器人群由机器人化截割、机器人化支护、机器人化导运和机器人化转运四大机组构成。采煤工作面机器人群实现智能化无人操作,除了要具备采煤机、液压支架、刮板输送机的单机智能运行之外,还要实现采煤机、刮板输送机和液压支架之间的智能协同控制;其次,还要实现智能破碎机、智能转载机、智能带式输送机的自适应调控及其与机群的自协同调控;最后是设备状态、故障的地面监控远程感知。采煤工作面机器人群示意图如图4所示,采煤工作面机器人群控制系统如图5所示。

    图4 采煤工作面机器人群示意图

    2.2.2 采煤机器人

    当前的采煤机器人主要是智能化采煤机,它处于示教和简单感知的后二代机器人水平,具有记忆割煤功能以及恒功率、恒扭矩、恒转速等截割方式,采煤机行走与截割联动控制,能够实现远程化、网络化控制。国内生产厂家主要有太重煤机、西安重装和天地科技等公司;国外生产厂家主要有久益、艾柯夫和DBT等公司。目前,采煤机器人远程监控替代了综采机组人工控制,实现了综采作业远程控制,地面远程控制距离可达10 km,井下硐室监控距离能够达到1 km,采取手持遥控距离为0.5 km。

    中国矿业大学主持的国家973计划项目,研制出具有5种调控功能的第四代采煤机器人,它以大功率永磁直联电机作为驱动,能够智能识别截割的煤岩界面,具有自主调高、自主调速、自主推进、自主调直和自主纠偏等智能运行能力。第四代采煤机器人五调控示意图如图6所示。

    2.2.3 支护机器人

    液压支架属于一种程序化控制的承载连杆机械臂,目前已达到一般机器人的水平,它能够自动跟随采煤机移动位置而根据预设的动作参数实现自动拉架、推溜、收打护帮板等动作。目前,国内有天地玛珂和郑州煤机可生产此类支护机器人或控制器,国外生产厂家有德国MARCO公司、EEP公司、蒂芬巴赫公司和美国JOY公司。

    图5 采煤工作面机器人群控制系统

    图6 第四代采煤机器人五调控示意图

    由于煤矿深部开采的围岩具有高应力、强采动和复杂地质条件的特点,智能支护机器人需根据地质条件与矿压规律变化,实现最佳支护状态和姿态的自适应调控。以地质条件、开采技术条件、设备工况、支架工作阻力及围岩变形量等实测数据为基础,建立多信息融合的围岩稳定性监测预警海量数据中心,实现矿压监测信息与液压支架动作信息的实时共享。由此,实现支护机器人的自适应群组协同控制。

    支护机器人姿态与围岩、顶煤实现智能耦合,才能实现支架姿态智能调整。布置在顶梁、底座、掩护梁的倾角传感器检测支架顶梁、底座和掩护梁的倾角,布置在立柱和平衡千斤顶内的压力传感器检测支架立柱和平衡千斤顶的受力值。将上述信息传递给液压支架姿态运算处理器,可自动算出该姿态支架的合力作用点的位置, 将运算结果发送到液压支架参数设定比较转换装置,由支架控制器执行立柱自动补偿, 实现液支架顶梁与顶板的智能耦合。支护机器人与顶板智能耦合示意图如图7所示。

    图7 支护机器人与顶板智能耦合示意图

    2.3 运输类机器人

    智能运输系统(ITS: Intellegent Transportation System)是将先进的信息技术、数据通讯技术、电子控制技术、计算机技术等有效地综合运用于运输装备及其运行管理,从而建立起的一个实时、准确、高效、安全的综合运输系统。采矿智能运输系统(MITS: Mining Intellegent Transportation System)是基于感知矿山、物联网、可靠性、无人驾驶、远程监测、自适应调度等先进技术于一体的安全高效、无人化的运载系统。

    煤矿智能开采需要实现机器人化无人驾驶的矿井“两车三机”(即电机车、运输车、提升机、带式输送机、刮板输送机)系统。煤矿运输可有两种无人驾驶方式:一种是完全无人驾驶方式(Manless);另一种是有人但不参与驾驶方式(Driveless),当运输机器出现故障或因救援而需要人工驾驶时,人工承担驾驶职能。煤矿智能化无人驾驶系统示意图如图8所示。

    图8 煤矿智能化无人驾驶系统示意图

    2.3.1 机器人化矿井提升机

    大型矿井提升机属于弱约束摩擦驱动、大变形的强振动系统,要实现无人驾驶自动化运行,必须具备很多智能机器人的操作功能,例如智能摩擦驱动轮(犹如人的鞋底对摩擦稳定性的调控)、智能制动器(犹如手指拿捏物体时的摩擦力调控)、智能防坠机械臂(犹如人的手臂托举重物时的缓冲力调控)、推车机器人(犹如人力推进车辆时的速度力量协调控制)、托罐机械手(犹如人抬举工件对接时的空间位置调控)。深井提升系统的智能机器人功能示意图如图9所示。

    大同煤矿集团麻家梁煤矿的矿井提升系统开创了国内大功率、千万吨级矿井全自动无人驾控提升系统建设先例:

    (1)电气控制实现了整个提升系统的全自动化操作。提升电机采用直接转矩控制技术,具有伺服调控性能,实现快速且稳定的力矩控制;

    (2)主井箕斗提升的带式输送机、给煤机、定量斗、卸载闸门的操作全自动化完成;副井罐笼提升的罐笼门、承接装置、装车系统的操作也可全自动化完成;

    (3)智能制动采用恒减速度制动控制方式,每个制动单元设置传感器对闸瓦间隙、闸衬磨损和弹簧状况在线监测,所有制动器均为并联冗余储备,控制管路均为双路;

    (4)安全监控具有绝缘监视设备、提升速度和位置判断、上过卷和下过卷保护、过速保护、提升机闭锁回路、旁路保护和连锁保护等安全保护控制回路。

    上述技术使矿井提升机进入不驾驶方式(Driveless)阶段,提升机司机主要负责设备巡检和运行监视等工作。

    2.3.2 机器人化主运带式输送机

    井下大型带式输送机的机器人化控制是基于带式输送机自适应控制系统,体现为启动自适应、张紧自适应、负载自适应、驱动自均衡、故障自诊断5个方面。中国矿业大学与北京百正创源公司联合研发出机器人化带式输送机系统,滚筒驱动采用永磁电机直接驱动技术,张紧系统采用永磁变频张紧技术,整个系统通过综合控制装置执行驱动系统的智能感知控制策略。该系统具有智能全工况调速控制、智能多点多机动态负载调配与平衡控制、智能力矩调节和输送带打滑抑制、智能张力控制及张紧驱动预测前馈控制、智能化运行状态监控与驱动系统协调控制等功能。超长运距输送带运输系统的驱动及张紧运行无需人为干预,实现了无人化操作。该系统已在伊泰集团红庆河矿井的可伸缩带式输送机投入运行,运输距离为5060 m,运量为3000 t/h。永磁智能张紧与滚筒永磁直驱成套控制系统已在昊华精煤高家梁矿投入运行。

    图9 深井提升系统的智能机器人功能示意图

    2.3.3 机器人化刮板输送机

    刮板输送机在采煤工作面起着举足轻重的作用,它既承担转运回采煤炭的运载任务,还具有采煤机行进导轨的作用,以及牵引液压支架移步的功能。因此,刮板输送机智能化水平不仅影响本机自主运行而且决定采煤机和液压支架的智能控制。

    综采工作面“三机”协同控制是指工作面的采煤机、刮板输送机和液压支架相互交换信息,根据三者当前的状态相互配合并紧密协同工作,其原理如图10所示。

    图10 刮板输送机智能控制及“三机”协同控制原理图

    “三机”协同控制器包括以下4个模块:

    (1)“三机”传感信息集成模块,通过多传感信息的融合和集成,实现对“三机”工作状态的正确判断和故障诊断;

    (2)“三机”工作参数匹配模块,基于对“三机”工作状态和环境参数的实时准确感知,实现采煤机、液压支架和刮板输送机的运行参数优化匹配设置;

    (3)“三机”协调控制决策模块,实现“三机”协调作业的自适应调控;

    (4)工作面环境参数集成模块,实现工作面环境和“三机”关键参数的实时显示、存储、设置故障状态预警参数以及实时报警等。

    2.3.4 无人驾驶矿用运输车

    无人驾驶汽车是一种智能汽车,属于轮式移动机器人,主要依靠车内以计算机系统为主的智能驾驶仪来实现无人驾驶。井下无轨胶轮运输车的自动驾驶技术必须具有自主定位导航、自主测速、智能识别控制信号、智能避障控制以及自适应巡航控制等功能。井下胶轮车定位导航技术系统示意图如图11所示。

    图11 井下胶轮车定位导航技术系统示意图

    目前,瑞典沃尔沃公司已研发出金属矿的井下FMX无人驾驶运输卡车,在瑞典Boliden矿井(深1.32 km)测试行驶7 km。我国北京矿冶研究院和中信重工也在从事相关技术研发,北京矿冶研究总院研发的地下无人驾驶铲运车能够实现对地下铲运车的实时定位,还可以确定铲运车的行驶姿态,以人工示教方式得到自主导航期望路径,同步记录下司机的加减油门、加减档、方向盘转向角度和转向速度等操作技巧,实现智能化导航控制。

    相对于无人驾驶乘用车,无人驾驶矿车在露天矿的发展速度更快。目前,国外多家公司已初步实现L4级别的无人驾驶矿车,率先在露天矿投入运营。2008年日本小松公司将无人驾驶自卸车用于澳大利亚铁矿,可实现1.5 km之外的远程监管无人驾驶运输,只需为每辆车设定运输目的地,车辆便以低于60 km/h速度自动运输作业,至今已累计运输近20亿t矿石。

    2019年1月,我国北方重工业集团研制出一台NTE120AT无人驾驶电动轮矿车,车长为10 m、宽为5.5 m、高为5.7 m,载重为110 t,可完成倒车入位、停靠、自动倾卸、轨迹运行、自主避障等自动驾驶任务。2019年4月,新一代无人驾驶框架运输车在梅山钢铁公司运行,这是全球第一台自然导航无人驾驶冶金框架运输车。该车最大载重量可达180 t,定位精度可达1 cm,车辆在道路上的横向/纵向位置精度可达20 cm,空间坐标控制精度可达2 cm,在无卫星导航信号环境下,车辆仍可实现自动驾驶导航定位。2019年5月,中国移动与包头钢铁集团在包钢白云鄂博铁矿建设全球首个基于5G网络支持的无人驾驶矿车工程应用项目,无人驾驶矿车高为6.8 m,载重为170 t,能够实现车辆远程操控、车路融合定位、精准停靠、自主避障等功能。

    此外,我国井下轨道电机车也实现了无人驾驶。据报道,湘电重型装备公司研发的65 t无人驾驶电机车,在云南普朗铜矿运行,牵引重量超过600 t,提高了4倍生产效率;2018年5月,无人驾驶电机车在金川集团龙首矿1703水平运行,运行效率提高35%,每班运量增加超过300 t,电机车司机减少8人。

    2.4 安控类机器人

    2.4.1 工作面巡检机器人

    在生产巡检方面,黄陵一号煤矿应用的综采工作面巡检机器人将高清摄像仪和高分辨率的红外热成像摄像仪合为一体,替代井下巡检人员;神南柠条塔矿业公司的带式输送机巡检机器人能够将现场声音、温度、图像等数据记录、分析并实时上传,这两项应用都达到了自动化减人和提高检测准确率的目的。

    2.4.2 井巷巡检机器人

    井筒安全智能巡检机器人的基本要求为:研发井筒安全智能巡检机器人,具备自主井壁爬行、环境参数检测、支护缺陷与危险源识别、井壁裂纹等状态评估和预警,提升建设期及服役期井筒的安全保障能力。在巷道巡检方面,目前也有相应机器人的研发,同样也是将巷道现场图像、温度等数据记录、分析并实时上传。

    2.5 救援类机器人

    2.5.1 井下抢险作业机器人

    井下抢险作业机器人在巷道塌方、堵塞等狭小空间进行快速抢险救援作业,应具备自主行走、精确定位、井下环境识别、挖掘、钻扩、运送、远程遥控等功能,实现抢险作业无人化。井下抢险作业机器人的主要作用就是代替人工去清堵、清淤、清道。瑞典Brokk公司制造出小尺寸破拆机器人,作业效率是手持风镐的8倍,可用于煤仓清堵作业。

    2.5.2 矿井救援机器人

    矿井救援机器人主要用于煤矿井下发生水灾、火灾及瓦斯灾害之后的救援行动,应具备自主行走、导航定位、被困人员生命探测、音视频交互、紧急救护物资输送等功能,实现害后的恶劣环境被困人员自主搜寻。1998年美国研发出世界上第一台井下救援机器人,2006年中国矿业大学研制出中国第一台矿山救援机器人。目前,我国取得MA标志的井下探测机器人有唐山开诚集团研制的KQR48矿用侦测机器人(如图12所示)和中国矿业大学研制的ZR矿用探测机器人(如图13所示)。

    近年来,国内外对救援机器人研究十分活跃。根据事故类型的不同,救援机器人可以分为消防救援机器人、地震救援机器人、矿山救援机器人、核事故救援机器人和水下救援机器人。美国、德国等西方发达国家对于消防机器人的研究已经取得了一些成果,例如德国的LUF60消防机器人得到了实际应用。我国从1997年开始对消防机器人进行研发,2002年上海强师消防装备有限公司成功研制我国第一台消防灭火机器人。最近,中国中信重工开诚智能装备有限公司研制的消防机器人可拖动2条60 m长充满水的80型水带行走,能够远程控制消防炮回转、俯仰,具有大流量、高射程、多种喷射方式,具有互联网功能、远程诊断功能、环境探测功能、热眼检测功能、声音采集功能、图像采集功能、自主避障功能等。

    图12 KQR48矿用侦测机器人

    图13 ZR矿用探测机器人

    3 结语

    机器人将开创煤矿智能发展的美好未来。我国制造业规模大、市场广、门类多、需求紧,在劳动力成本逐渐减弱的现实状况下,面对诸多环境恶劣、劳动强度大的工作环境,市场对工业机器人技术的需求将日渐变得紧迫。在庞大的市场需求的推动下,国产机器人水平正在迅速提升,在已有良好的基础上,我国机器人产业正面临一个快速发展和提升的关键期。

    煤炭在我国经济发展中占有举足轻重的地位,一切事物都始于采矿,煤炭开采在机器人应用方面也同样拥有较大的需求和市场,未来的煤矿生产将逐步趋于机器人化,成为一个人工智能非常强大的工业领域。在未来的煤矿,我们将不再看到满面煤灰的煤矿工人们,替代他们的将是一批智能化的机器人矿工。到那时,我国煤矿生产将最大限度地解除各类安全隐患,节省成本,提高效率。

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