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煤矿井下巡检机器人的应用与探讨

2024-12-27 53 上传者：管理员

摘要：随着巡检机器人在煤矿井下的应用逐渐增多，问题也逐渐显现，引发了对煤矿井下机器人化作业可持续性的质疑。从产品技术发展的角度出发，结合当前巡检机器人在使用中的问题，对国内煤矿井下机器人作业进行了深入的分析与探讨。通过论证煤矿井下机器人应用的前景与技术发展趋势，为煤矿行业的转型升级提供理论支撑与实践指导。

关键词：
传感器
感知
机器人
监测
视频识别
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在煤矿行业,安全始终是一个不容忽视的议题｡随着科技的迅猛发展,机器人技术为煤矿安全带来了新的希望｡在这一背景下,国家煤矿安全监察局于 2019 年公布了《煤矿机器人重点研发目录》,为煤矿机器人的研发和应用指明了清晰的方向｡《煤矿机器人重点研发目录》的发布,是基于对当前煤矿生产安全状况的全面分析和深入研究的结果｡该目录不仅详细列出了煤矿机器人研发的重点领域,如采掘､运输､通风､排水等关键环节,还明确了技术路线和研发目标｡这一举措无疑为煤矿机器人的研发和应用提供了强有力的政策支持和指导[1] ｡

1、煤矿井下巡检机器人的应用现状与问题分析

目前机器人在煤矿井下应用处于初级阶段､尚不成熟,机器人系统的各个部分功能发展还不协调, 构成机器人的主要功能中有结构､能源､数据采集､执行机构､控制系统等部分｡对于数据采集研究的相对比较多,对于执行机构行走功能的路径规划､机械臂方面做了初步研究,而其他的功能,例如能量补给､动作执行､自主决策等方面还研究不够,对于传感器的功能部分只有机器视觉开始了研究,但是其他传感器的研究应用未看到有成果出现｡

巡检机器人是当前在煤矿井下应用最多的一种机器人[2-4] ,其主要功能是完成对设备状态的日常巡检,一般来说巡检机器人能够完成所巡检区域内环境的温度､湿度检测,能够搭载摄像头､红外热成像等设备对巡检区域内的图像进行摄录,并将图像信息及时地进行传输､存储｡通过搭载的红外热成像传感器能够将巡检区域的设备表面温度进行采集､记录,当设备表面温度异常时能够及时发出报警信息｡而其他在《煤矿机器人重点研发目录》中所列出的机器人则很少有相关的成果问世,这种情况也反映出了机器人这一技术系统在煤矿行业的应用处于严重的子系统不均衡发展阶段｡

当前巡检机器人在煤矿井下应用的主要问题及解决方法:

(1)无线网络连接不稳定针对无线网络连接不稳定的问题,可以采用更先进的通信技术,例如采用多频段､多天线､自组织网络等技术,提高在复杂环境下的信号稳定性和覆盖范围｡同时,可以考虑引入基于无线网络的数据缓存和自主决策机制,使得机器人能够在失去网络连接时仍能够完成巡检任务,并在恢复连接后将数据上传至服务器｡

(2)巡检路径覆盖不全面可以采用智能化的路径规划算法,结合机器人的传感器数据和地图信息,动态调整巡检路径,确保覆盖范围更加全面和有效｡同时可以引入自适应巡检策略,根据不同区域的重要性和难易程度进行优先级排序,使得机器人能够更加智能地选择路径｡

(3)与人工作业不能进行合理分工可以通过人机合作的方式进行优化｡例如,将机器人视为人工的延伸,与工作人员共同完成巡检任务,利用机器人的自动化和高效性,配合矿工的专业知识和经验, 实现工作的高效分工与协作｡

(4)维护费时费力可以设计更加模块化和易维护的机器人结构,采用易于更换和维修的零部件, 同时配备远程监测和诊断系统,及时发现并解决故障｡此外,建立完善的维护记录和定期维护计划,有助于提高维护效率和降低维护成本｡

(5)难以适应复杂多变的工作环境可以加强机器人的环境感知和智能决策能力｡引入更多类型的传感器,增强机器人对环境的感知能力,同时不断优化机器人的智能决策算法,使其能够根据环境变化做出及时合理的响应和调整｡

2、巡检机器人技术发展与优化方向

(1)巡检机器人技术发展趋势在煤矿巡检机器人技术系统发展趋势方面,AI 视频识别技术､AI 语音技术及行走路径规划技术等系统子功能优化发展将在近些年来成为重点[5-7] ｡这些技术的发展将为巡检机器人的性能和功能提升提供重要支持｡

①AI 视频识别技术的发展将使得巡检机器人能够更准确地识别煤矿井下的各种安全隐患和异常情况｡通过深度学习和图像识别技术,巡检机器人可以实现对矿井内部环境的实时监测,及时发现诸如井下巷道内的变形､杂物堆积､人员异常姿态等安全隐患,并且对此进行记录､报警,提醒人员及时纠正可能存在的安全隐患｡

②AI 语音技术的应用也将为巡检机器人的操作和交互提供更加便捷的方式｡通过语音识别和自然语言处理技术,巡检机器人可以与井下工作人员进行语音交互､接收指令､汇报工作情况,从而提高人机交互的便捷性,使得机器人成为工作人员的得力助手,提高工作效率｡

③行走路径规划技术的优化将使得巡检机器人能够更智能地选择最优路径进行巡检｡结合实时数据和地图信息,机器人可以自主规划巡检路径,能够避开障碍物深入到人员不便进入的危险区域,更加快速地完成巡检任务,保证人员处于安全的工作环境中｡

除此以外,还有其他技术的发展也将对巡检机器人的性能和功能提升产生积极影响｡比如物联网技术的应用将使得机器人可以与各类传感器､设备实现无缝连接,实现数据的实时监测和分析;自主导航技术的发展将使得机器人可以更准确地定位自身位置,并且更灵活地应对复杂的矿井环境｡

(2)技术创新与应用优化策略

当前煤矿井下机器人采用渐进式技术创新模式是一种可行的方法, 特别是在解决当前技术系统中存在的不完善和无法满足实际工作需求的问题时｡这种模式强调逐步改进和优化现有技术,以实现更高效､更可靠的运行｡

针对现有技术系统中存在的各个子系统的不完善,可以采取渐进式改进的策略｡这意味着对每个子系统进行逐步分析,识别其中存在的问题和瓶颈, 并通过小规模的改进和优化来逐步解决这些问题｡例如, 针对巡检机器人的传感器系统可能存在灵敏度不足或者误差较大的情况, 可以通过更新传感器技术､改进数据处理算法等方式来提升系统的性能｡

针对不能满足实际工作需求的情况, 可以采取渐进式的功能扩展和升级｡通过持续地与用户进行沟通和反馈,了解实际工作中遇到的问题和需求,并根据这些反馈逐步优化机器人的功能和性能｡例如,根据煤矿工作环境的特点和实际巡检需求,不断优化机器人的导航系统､自主决策能力等,以确保其能够在复杂的地下环境中稳定可靠地运行｡

渐进式技术创新模式还强调了持续的技术迭代和更新｡随着科技的不断发展和进步,新的技术和方法不断涌现,因此需要及时地将这些新技术引入到巡检机器人系统中,以保持其在技术上的竞争优势和领先地位｡例如,随着人工智能和机器学习等领域的快速发展,可以考虑将这些先进技术应用到巡检机器人中,以提升其智能化水平和适应能力｡

(3)技术集成与升级方案

机器人的技术集成与升级方案可利用子系统的发展不均衡法则,通过对其中某几种功能进行升级优化,在不需要全面替换整个系统的情况下,有效地提升机器人的性能和功能[8] ｡

举例来说,针对测量巷道形变功能可以考虑巡检机器人搭载其他传感设备,如激光雷达或者视觉传感器,来实现更精准和实时的巷道形变监测｡通过摄像机采集巷道图像,并结合图像处理技术,可以非接触式地获取监测点的三维坐标,进而计算出其变化量,从而直观地评估巷道的形变情况｡整个处理流程通常包括以下关键步骤:

①图像采集摄像机被安装在适当的位置,以能够捕捉到巷道内部的关键区域｡摄像机实时拍摄巷道的图像,并将这些图像传输给计算机进行处理｡

②图像预处理接收到的图像进行一些预处理以改善图像质量,如去噪､增强对比度､调整亮度等｡这些步骤有助于后续的图像处理和分析｡

③特征提取在预处理后的图像中,计算机需要识别出用于监测的特定点或特征｡这些特征点通常是巷道中的固定标志､特定的纹理或几何形状等, 通过图像处理技术,如边缘检测､角点检测､模板匹配等,可以自动或半自动地提取这些特征点｡

④三维坐标重建一旦特征点被提取出来,计算机需要利用这些点的图像坐标和摄像机的内外参数(如焦距､位置､姿态等),通过立体视觉或结构光等三维重建技术,计算出这些点在三维空间中的坐标｡

⑤形变计算在连续的时间序列中,计算机会重复上述步骤以获取监测点在不同时间点的三维坐标｡通过比较这些坐标的变化,可以计算出监测点的位移向量和形变量｡这些变化量可以用来评估巷道的形变情况｡

⑥对形变数据进行进一步的分析和处理计算形变速度､绘制形变图等可以更及时地发现和处理潜在的安全隐患,并采取相应的措施来确保安全｡

另外,结合其他传感器进行煤矿井下的 CH4 浓度监测是另一个升级方案｡除了原有的 CH4 传感器外,还可以引入气体传感器网络,通过多个传感器的协同作用来实现对 CH4 浓度的更全面和精确的监测｡通过实时监测 CH4 浓度,可以有效地预防煤矿井下的火灾和爆炸事故,保障作业人员的安全｡

此外,巷道压力巡检记录也是非常重要的功能之一｡除了传统的压力传感器外,可以考虑引入温湿度传感器､振动传感器等其他类型的传感器,以实现对巷道压力变化的全面监测｡这样可以及时发现巷道异常情况,预防巷道塌方和地质灾害的发生,保障矿工的生命安全｡

3、煤矿井下机器人化作业的发展方向

(1)便携性巡检机器人需要具备较高的便携性,以便在狭窄､复杂的矿井环境中自由移动｡因此,未来的巡检机器人将采用轻量化､紧凑型的设计,以便于在煤矿井下复杂环境下工作,保证机器人在矿井巷道中的灵活性和可靠性｡

(2)节能型节能是煤矿行业关注的重要议题之一｡未来的巡检机器人将借助先进的节能技术,如低功耗芯片､高效能动力系统等降低能源消耗,延长机器人的工作时间和续航能力,提高其在矿井中的使用效率｡

(3)易操作巡检机器人需要具备简单易操作的特点｡未来的巡检机器人将采用直观的用户界面和智能化的控制系统,使得井下作业人员可以通过简单的操作指令就能够控制机器人完成巡检任务｡

(4)低成本控制成本是煤矿企业关注的重要问题｡未来的巡检机器人将不断优化生产制造工艺,采用成本更低的材料和技术,以降低制造成本, 并且采用更长寿命的部件,降低后期维护成本,从而提高机器人的性价比｡

(5)增加附加功能除了基本的巡检功能外, 未来的巡检机器人还将增加各种附加功能,以满足不同的需求｡例如,可以增加可调节高度的摄像头､多功能传感器､自动化报警系统等,以提升机器人的多功能性和适应性｡

(6)强化附加功能随着技术的不断发展,巡检机器人的附加功能也将不断强化和完善｡例如,可以加强对数据的实时监测和分析能力,实现对矿井环境的智能感知和预警｡强化对通信网络的支持, 实现与井下作业人员､中控室的实时数据交互和远程控制等功能｡

4、结语

随着科技水平的不断发展与进步,煤矿井下机器人的应用越来越多､越来越重要｡从技术系统发展的角度来看,当前机器人在煤矿的应用还处于初期阶段,产品的功能尚不完善､成本还较高,在应用中出现的问题还未能有效地解决,产品的快速普及遇到较大的阻力｡但是从长远来看机器人在煤矿的应用将会在不远的将来迎来快速的增长阶段｡

参考文献:

[1]李森,王峰,刘帅,等. 综采工作面巡检机器人关键技术研究[J]. 煤炭科学技术,2020,48(7):218-225.

[2]白怡明. 智能矿用井下机器人巡检系统在曹家滩煤矿中的应用 [J]. 煤矿机电,2020,41(6):85-88.

[3]潘祥生,陈晓晶. 矿用智能巡检机器人关键技术研究[J]. 工矿自动化,2020,46(10):43-48.

[4]葛世荣. 煤矿机器人现状及发展方向[J]. 中国煤炭,2019,45(7): 18-27.

[5]张士海. 矿用巡检机器人在煤矿中的应用[J]. 煤矿机电,2016(5): 76-79.

[6]代卫卫,韩鹏程,冯伟斌,等. 矿用智能巡检机器人设计[J]. 煤矿机械,2023,44(3):1-3.

[7]邱栋. 基于 DSP 的矿用巡检机器人控制系统设计[J]. 煤矿机械, 2020,41(11):12-15.

[8]林福严,李凌风,张晓如,等. 煤矿带式输送机故障分析[J]. 煤矿机械,2011,32(2):261-263.

文章来源:王文晖,杨健,张泽江,等.煤矿井下巡检机器人的应用与探讨[J].煤矿机械,2025,46(01):86-88.