煤礦危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人研發(fā)與應(yīng)用

研發(fā)起止時(shí)間：2014.01～2020.12

完成單位：晉能控股集團(tuán)有限公司、中國礦業(yè)大學(xué)（北京）、中國礦業(yè)大學(xué)、中信重工開誠智能裝備有限公司和晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司

獲獎(jiǎng)及評價(jià)：國際先進(jìn)

大力推動(dòng)煤礦機(jī)器人研發(fā)應(yīng)用，是貫徹落實(shí)黨中央、國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)同志關(guān)于安全生產(chǎn)工作有關(guān)重要指示批示精神的具體措施，有利于提高煤礦生產(chǎn)效率、減輕礦工勞動(dòng)強(qiáng)度、降低安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)、解決煤礦招工難等問題，對推動(dòng)煤炭開采技術(shù)革命、實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、保障國家能源安全供應(yīng)具有重要意義。

煤炭行業(yè)較早就提出了煤礦機(jī)器人的概念，然而煤礦機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用一直是特種機(jī)器人領(lǐng)域中技術(shù)難度最大的種類之一。煤礦井下的爆炸性氣體環(huán)境、非結(jié)構(gòu)化動(dòng)態(tài)地形、封閉受限空間、GPS拒止場景等均給此類機(jī)器人的研發(fā)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，目前的地面其他行業(yè)較為成熟的通用機(jī)器人技術(shù)難以直接應(yīng)用到煤礦井下，從而導(dǎo)致煤礦機(jī)器人研發(fā)整體難度大、研發(fā)周期長，煤礦企業(yè)用戶對煤礦機(jī)器人產(chǎn)品的穩(wěn)定性及安全性要求極高，因此需要針對煤礦井下特殊生產(chǎn)環(huán)境開展煤礦機(jī)器人的系統(tǒng)性研究，構(gòu)建相對完善的煤礦機(jī)器人技術(shù)體系，根據(jù)企業(yè)現(xiàn)場需要，研發(fā)適用于我國煤礦生產(chǎn)、安全等作業(yè)需求的機(jī)器人裝備。

2019年1月份，國家煤礦安監(jiān)局發(fā)布了《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》，旨在引導(dǎo)煤炭企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、機(jī)器人制造企業(yè)重點(diǎn)研發(fā)應(yīng)用安控、掘進(jìn)、采煤、運(yùn)輸和救援5 大類38 種煤礦機(jī)器人，其分類體系架構(gòu)如圖1 所示。其中安控大類的“危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人”是國內(nèi)較早開始研發(fā)的一種煤礦機(jī)器人，但受限于我國煤礦井工開采的復(fù)雜和惡劣作業(yè)環(huán)境，部分單位所研發(fā)的巡檢機(jī)器人樣機(jī)距離煤礦現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離。為加快煤礦機(jī)器人的推廣應(yīng)用整體進(jìn)程，以此類煤礦巡檢機(jī)器人研發(fā)為突破口，通過產(chǎn)學(xué)研合作科技攻關(guān)解決若干“卡脖子”技術(shù)難題，盡早實(shí)現(xiàn)煤礦巡檢作業(yè)的機(jī)器人化，為煤礦智能化和無人化開采提供高端裝備支撐。

目前晉能控股集團(tuán)有限公司所屬煤礦井下危險(xiǎn)區(qū)域環(huán)境探測主要依賴人工，特別是在井下掘進(jìn)巷道探測、巷道貫通、密閉啟封、老空區(qū)揭露、舊井巷修復(fù)等作業(yè)過程中，均需要派瓦檢員和救護(hù)隊(duì)員進(jìn)行危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)域的環(huán)境探測，然而此類人工探測面臨危險(xiǎn)性高、效率低下等諸多問題，成為制約煤礦減員、增安、提效的瓶頸。為提升煤礦安控智能化水平，解決井下危險(xiǎn)區(qū)域環(huán)境探測難題，需要研發(fā)一種適應(yīng)井下巷道環(huán)境的危險(xiǎn)區(qū)域環(huán)境探測機(jī)器人。具備較高的移動(dòng)和越障能力，可通過遙控深入巷道危險(xiǎn)區(qū)域，代替人工探測各類環(huán)境參數(shù)信息，同時(shí)也可用于礦井瓦斯、火災(zāi)等災(zāi)后危險(xiǎn)區(qū)域環(huán)境偵察，為礦井事故救援決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 主要研究內(nèi)容

（1）開展深入調(diào)研獲得井下巷道危險(xiǎn)區(qū)域的地形和環(huán)境參數(shù)特征，研究梳理井下危險(xiǎn)區(qū)域環(huán)境探測功能需求，形成適合煤礦現(xiàn)場應(yīng)用的危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人細(xì)化設(shè)計(jì)指標(biāo)，優(yōu)化形成適應(yīng)于各類危險(xiǎn)區(qū)域和工況的煤礦危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，滿足煤礦井下一線人員的安全作業(yè)需求。

（2）研究煤礦危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)高機(jī)動(dòng)性移動(dòng)底盤滿足機(jī)器人越障要求，研發(fā)高效率機(jī)器人傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提升機(jī)器人續(xù)航能力，研究井下封閉空間內(nèi)機(jī)器人通訊和高可靠性機(jī)器人控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人遙操作，研發(fā)適用于煤礦機(jī)器人平臺的井下環(huán)境感知技術(shù)，研制煤礦危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人樣機(jī)。

（3）在典型礦井進(jìn)行煤礦井下危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人工業(yè)性試驗(yàn)，驗(yàn)證該機(jī)器人的各項(xiàng)性能，并通過巡檢機(jī)器人的應(yīng)用，協(xié)助建立基于煤礦機(jī)器人的井下危險(xiǎn)區(qū)域環(huán)境探測新機(jī)制。同時(shí)通過本項(xiàng)目所研發(fā)的煤礦機(jī)器人樣機(jī)的試用，研究論證煤礦巡檢機(jī)器人巡檢帶來的減人、增安效果，總結(jié)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)為煤礦巡檢機(jī)器人的推廣應(yīng)用提供決策參考。

2 技術(shù)性能指標(biāo)

參數(shù)名稱：參數(shù)指標(biāo)

產(chǎn)品名稱：煤礦危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人

適用領(lǐng)域：主要適用于煤礦井下危險(xiǎn)環(huán)境的偵察作業(yè)

防爆形式：Exd[ib]ⅠMb

外形尺寸：長1550 mm×寬840 mm×高750 mm

整備重量：500 kg

行走機(jī)構(gòu)：全地形高強(qiáng)度履帶，內(nèi)部全金屬骨架

牽引力：4200 N

行走速度：1.6 m/s

越障高度：250 mm

側(cè)傾穩(wěn)定角：30°

爬坡能力：84%（40°）

轉(zhuǎn)向直徑：1 600 mm

控制方式：無線遙控

避震系統(tǒng)：油壓阻尼減震器

連續(xù)行走時(shí)間：2 h

工作時(shí)間：10 h

通訊距離：300 m（受煤礦井下環(huán)境、地形等因素影響）

涉水深度：350 mm

防護(hù)等級：IP65

現(xiàn)場環(huán)境探測

檢測類型：甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧氣、溫度、濕度、差壓

音視頻采集配置參數(shù)

紅外攝像機(jī)：1 臺，圖像解析度700TVL

拾音器 ：監(jiān)聽范圍0～5 m，頻率范圍20 Hz～20 kHz，靈敏度40 dB

礦用隔爆型云臺攝像儀：

型號：KBA75

工作電壓：DC18～75V

工作溫度（℃）：-10～65 ℃具有預(yù)加熱功能

外形尺寸：長513 mm×寬275 mm×高343 mm（±50mm）

重量（kg）：30 kg

功耗：35 W，最大84 W

可見光攝像機(jī)：30 倍光學(xué)變焦，200 萬像素，支持網(wǎng)絡(luò)+模擬視頻輸出接口

紅外熱像儀：具備網(wǎng)絡(luò)+模擬視頻接口

云臺水平旋轉(zhuǎn)角度：360°

云臺垂直旋轉(zhuǎn)角度：-90°至90°

補(bǔ)光燈：2個(gè)，最大24 W×2

3 創(chuàng)新成果

（1）研制了國內(nèi)外首臺實(shí)用化的煤礦危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人，取得了煤礦安全標(biāo)志認(rèn)證。

（2）設(shè)計(jì)了彈簧履帶式機(jī)器人行走底盤，開發(fā)了便攜式通訊中繼裝置及礦用本安型手持遙控終端，機(jī)器人井下最大行走速度1.6 m/s，最大越障高度250 mm，最大涉水深度350 mm。

（3）發(fā)明了機(jī)器人井下光纖釋放、視覺系統(tǒng)自清潔除塵等裝置，實(shí)現(xiàn)平直巷道環(huán)境中有效無線通訊距離大于300 m，機(jī)器人配備多參數(shù)環(huán)境傳感器，可探測回傳甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧氣、溫度、濕度、壓差、圖像等信息。

（4）研究了煤礦危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人井下探測適用范圍，創(chuàng)新了基于煤礦機(jī)器人的井下盲巷探測、密閉啟封等巡檢作業(yè)模式。

4 應(yīng)用效果

本項(xiàng)目通過產(chǎn)學(xué)研多部門聯(lián)合攻關(guān)突破了煤礦機(jī)器人移動(dòng)平臺的若干關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了井下狹窄巷道空間內(nèi)的無線通訊和環(huán)境信息探測功能，取得了礦用產(chǎn)品安標(biāo)證書，具備了下井列裝和應(yīng)用的條件，并在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山礦進(jìn)行了示范應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明：該機(jī)器人地形適應(yīng)性好，行走能力強(qiáng)，可靠性好，沒有發(fā)生卡堵或掉履帶的情況，機(jī)器人適應(yīng)井下各種復(fù)雜地形；機(jī)器人的通訊效果好，通訊無線中繼方式，可實(shí)現(xiàn)300 m以上距離的通訊遙控；機(jī)器人能探測并回傳井巷中的甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧氣、溫度、濕度、壓差等環(huán)境信息，能在機(jī)器人操控終端看到井巷場景，視覺效果好。