0 引言
国际能源署(IEA)报告预测，到2040年，中国对煤炭的需求将占全球煤炭需求的50%，全球煤炭需求将增加15%。中国能源研究会发布的《中国能源展望2030》预测2020、2030年煤炭占比分别为60%和49%[1]。在未来相当长时期内，煤炭作为我国主体能源的地位不会改变[2-4]。
随着煤矿机械化、自动化、信息化、智能化建设加快推进，我国煤矿安全生产达到了中等发达国家水平，安全生产环境得到了很大改善[5]，但仍有很多危险岗位威胁着煤矿工人的安全。煤矿井下破碎、钻锚、喷涂、调高、卧底等巷道修复及物料搬运、管道安装等作业，具有装备自重和装机功率大、劳动强度高、作业人员多、危险系数高等特点，属于煤矿井下重载作业。受煤矿井下机械设备自动化与智能化水平限制，上述高危作业仍需煤矿工人完成，效率低且危害人身安全。亟需研发煤矿重载作业机器人，将煤矿工人从高危繁重的岗位上替换出来，保障生产安全，提高作业效率。
美、日、韩及欧洲各国在机器人领域的研究起步较早，方向和技术优势有所分化。我国非常重视机器人研究，在相关研究领域重点部署了一系列国家高技术研究发展计划(863计划)、自然科学基金、科技重大专项资助项目。国际机器人联合会(IFR)统计的全球主要国家、地区工业机器人销售数据显示，2013年以来我国已成为工业机器人的第一大消费市场[6]。由于煤矿井下复杂的作业环境，煤矿重载作业机器人发展相对缓慢，其智能化水平还需要进一步提升。
2019年初，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具体要求，在政策层面为煤矿机器人研发应用做出了有力倡导，明确了煤矿机器人重点研发方向和战略目标，提出了技术路径，引起业界广泛关注[7]。
本文总结了重载工业机器人的现状，以煤矿巷道修复重载作业机器人为例，基于煤矿巷道修复装备的发展历史及存在的主要问题，提出了煤矿巷道修复重载作业机器人的概念和功能定位，分析了煤矿巷道修复重载作业机器人亟待解决的关键技术问题及发展趋势，以期为其研制提供借鉴，为煤矿井下重载作业装备的智能化发展添砖加瓦。
1 重载工业机器人
高速重载工业机器人是指末端载荷100 kg以上、末端运行线速度最大值1 m/s以上的工业机器人，广泛应用于喷涂、焊接、物流搬运、码垛及重型制造业的自动化生产行业[8]。当前，世界上重载工业机器人60%～80%市场份额被ABB、KUKA、FANUC、安川电机等外国公司占据[9-10]。我国重载工业机器人研究起步较晚，但发展迅速，技术渐趋成熟，智能化水平逐渐达到世界先进水平。国内工业机器人公司主要有沈阳新松机器人自动化股份有限公司、安川首钢机器人有限公司、埃夫特智能装备股份有限公司、南京埃斯顿自动化股份有限公司等。国内外重载工业机器人见表1。
表1 国内外重载工业机器人
Table 1 Heavy-duty operation robots at home and abroad
型号厂家特点实物IRB 8700六轴重载搬运机器人[11]ABB负载能力800 kg;重复精度±0.05 mm;作业半径3 200 mm;自身质量4 525 kgKR 1000 Titan六轴重载机器人[12]KUKA负载能力1 300 kg;作业半径3 202 mm;重复精度≤±0.10 mm;自身质量4 690 kg;主要用于包装、码垛、物料搬运、上下料M-900/M-2000i A[13]FANUC负载能力1 200 kg;重复精度±0.30 mm;作业半径3 734 mm;自身质量8 600 kgMPL800四轴重载机器人[14]安川电机公司负载能力800 kg;重复精度±0.05 mm;作业半径3 159 mm;自身质量2 550 kgSR500A系列重载搬运机器人沈阳新松机器人自动化股份有限公司采用刚性手臂设计;水平搬运载荷500 kg;作业半径约2 525 mm;重复精度±0.5 mm;主要用于搬运、上下料、铸造、锻造、磨削、装配等[15]GP600六轴垂直多关节重载机器人[16]安川首钢机器人有限公司采用并联结构设计;负载能力600 kg;垂直运动半径2 898 mm;水平运动半径2 942 mm;重复精度±0.3 mm;自身质量3 035 kgER400L-C20六轴重载工业机器人埃夫特智能装备股份有限公司负载能力400 kg;重复精度±0.3 mm;主要用于电焊、打磨、搬运、码垛等[17]ER450-4-3200 四轴重载搬运机器人南京埃斯顿自动化股份有限公司负载能力450 kg;作业半径3 200 mm;重复精度±0.5 mm;工作范围360°;主要用于搬运、码垛[18]
重载工业机器人发展迅速，智能化程度较高，但受井下作业环境高温、潮湿、煤尘、有害气体等限制，难以在煤矿井下应用，且重载工业机器人在固定岗位上定点作业，无法满足煤矿井下移动式作业需求。因此研制煤矿重载作业机器人面临较多困难，需要科技工作者联合攻关。
2 煤矿巷道修复装备
巷道修复装备是一种集破、扒、装、运为一体的新型煤矿机电设备[19]，可实现对煤矿井下巷道起鼓、顶底板和两帮的破碎与快速装运，提高巷道治理的机械化程度及安全性。
2005年，我国开始推进煤矿井下巷道修复装备研制[20-21]。2013年，中煤科工集团西安研究院有限公司率先研发成功WPZ-55/50L型煤矿用巷道修复机，如图1所示。该装备主要用于巷道底板修复治理，兼顾侧帮和顶板修复施工[22]。整机质量为10 t，挖掘宽度、距离、高度、深度分别为3.45，1.6，3.5，0.67 m，破碎锤冲击频率为10～18 Hz，爬坡能力为±15°，工作臂回转角度为±38°。
图1 WPZ-55/50L 型煤矿用巷道修复机
Fig.1 WPZ-55/50L coal mine roadway repair machine
2014年，沈阳天安科技股份有限公司研制了WPZ-4/80型矿用破碎转载卧底机[23]，如图2所示。该装备额定功率为22 kW，最大卧底深度为420 mm，最大卸载高度为1 400 mm，破碎锤冲击功率为4 kW，外形尺寸为4 400 mm×800 mm×1 100 mm(长×宽×高)，可遥控作业，保障作业人员安全。
(a) 卧底机
(b) 无线遥控器
图2 WPZ-4/80 型矿用破碎转载卧底机
Fig.2 WPZ-4/80 coal mine crushing and transshipment floor excavator
2014年，石家庄煤矿机械有限责任公司研发了WPZ-30/400型煤矿用巷道修复机，如图3所示。该装备的工作臂可沿车身轴线旋转±180°，同时配有前推铲，满足挖掘、侧掏、翻转、破岩、装车、起吊等动作要求，实现挖掘毛水沟、卧底、破岩、清理浮煤、清理带式输送机底煤、平整巷道及小型配件吊装等功能。该装置还可选配铲斗和破碎锤快换装置[23-24]。
图3 WPZ-30/400 型煤矿用巷道修复机
Fig.3 WPZ-30/400 coal mine roadway repair machine
在WPZ-30/400型煤矿用巷道修复机基础上，石家庄煤矿机械有限责任公司研制了一款高效率WPZ-60/400型煤矿用多功能卧底机，如图4所示。该装备标配卷缆装置，增强了作业灵活性，减轻了工人工作强度。其铲斗容量为0.6 m3，装载宽度为4 400 mm，卸载高度为2 800 mm，卧底深度为330 mm，爬坡能力为±20°，整机质量为8 000 kg。
图4 WPZ-60/400 型煤矿用多功能卧底机
Fig.4 WPZ-60/400 multifunctional coal mine floor excavator
2016年，安华工程机械有限公司研制了WPZ型煤矿用巷道修复机，如图5所示。该装备适用于煤矿巷道修顶、刷帮、卧底，以及水利工程、地下工程、公路和铁路隧道施工与修复等[24]。整机质量为8 569～9 010 kg，最大挖掘高度为4 200 mm，最大挖掘宽度为4 770 mm，破碎冲击能不大于1 000 J，冲击频率为10～18 Hz，最大卧底深度为1 150 mm，行走速度为21 km/h，爬坡能力为±16°，装载能力为50 m3/h。
图5 WPZ型煤矿用巷道修复机
Fig.5 WPZ coal mine roadway repair machine
文献[25]介绍了WPZ-75/350 L型全工况模块化巷道修复机。该装备增加了机载临时支护装置和可升降工作平台，可满足巷道掘进顶板临时支护及修复锚固作业需求。整机质量为19 t，总功率为75 kW，挖装范围为2.5 m×6 m×5.5 m(长×宽×高)，牵引力为180 kN，挖掘力不小于25 kN，挖臂回转角度为±180°，爬坡能力为±16°，破碎冲击能为350 J，破碎锤打击频率为500～1 000次/min，液压剪破断力为320 kN，最大剪断直径为25 mm。
文献[26]介绍了一款经济型巷道修复机，如图6所示。整机质量为6.8 t，电动机功率为45 kW，爬坡能力为20°，挖掘/破碎宽度为3 553 mm，挖掘/破碎高度为3 580 mm，挖掘/破碎距离为1 500～3 550 mm，挖掘深度为550 mm，破碎锤冲击能为600 J，工作臂摆动角度为±35°。
图6 经济型巷道修复机
Fig.6 Economical roadway repair machine
文献[27]介绍了一种多功能快换式巷道修复机。整机质量为10.2 t，装机功率为55 kW，装载能力为50 m3/h，挖掘宽度为3 770 mm，挖掘高度为5 000 mm，卸载高度为3 200 mm，破碎深度为1 900 mm，通过快换装置可实现连续井下作业。
江西鑫通机械制造有限公司研制了WPZ-37/600型煤矿用巷道修复机[28]，如图7所示。整机功率为37 kW，破碎冲击能为600 J，冲击频率为7.5～16 Hz，工作臂可沿车身轴线360°转动，左右摆动角度为±35°(摆动幅度不小于5 000 mm)，上下移动距离为350 mm，工作臂可最低限度贴地面横向侧掏作业，配备矿用隔爆型电缆卷筒，能自动收放电缆，安全性和自动化程度更高、灵活性更好。
图7 WPZ-37/600型煤矿用巷道修复机
Fig.7 WPZ-37/600 coal mine roadway repair machine
2014年至今，煤矿用巷道修复装备外形没有太大改进，大多在功能上进行改善，技术参数有所提高，见表2。
表2 当前巷道修复装备能达到的技术指标
Table 2 Achieved technical indexes of current roadway repair equipment
指标数值指标数值最大整机质量/t19最大冲击能/J1 000最大额定功率/kW75最大工作摆角/(°)±180最大卸载高度/mm3 200最大爬坡能力/(°)±22最大挖掘/破碎宽度/mm3 770破碎冲击频率/Hz8～18最大挖掘/破碎高度/mm5 000最大挖掘力/kN25最大挖掘深度/mm1 500最大破断力/kN320最大破碎深度/mm1 900
巷道修复装备目前仅实现了遥控和自动卷缆，智能化水平普遍不高，亟需在满足卧底、扩帮、侧掏、破碎、剪切等巷道修复、物料搬运与装载等作业功能之外，进一步提高其智能化程度，研发煤矿巷道修复重载作业机器人，使其具有自主定位与导航、自主路径规划和避障、作业目标自动识别、作业轨迹自主规划和自适应作业、作业效果和质量自主评价等智能化要素，代替人工在煤矿井下进行作业，以保障井下作业安全，提高煤矿生产效率。
3 煤矿巷道修复重载作业机器人
参考重载工业机器人，煤矿井下重载作业机器人应具有负载范围大、运动速度快、自重负载比小、重复定位精度高等特点。结合煤矿巷道修复装备现状，定义煤矿巷道修复重载作业机器人为具有一定自主或可编程能力，能够完成调高、卧底、扩帮、侧掏、破碎、剪切等巷道修复与清理作业的智能装备。其功能定位包括：① 末端有效载荷大于1 000 kg，末端挖掘力不小于25 kN，末端破断力不小于320 kN，作业半径不小于5 m，爬坡能力不小于22°。② 具有自主定位与导航、自主行走路径规划与避障功能。③ 具有一定的作业目标自主识别能力。④ 具有作业轨迹自主规划和作业载荷自适应能力。⑤ 具有一定的作业质量自主评价能力。
煤矿巷道修复重载作业机器人的研究应基于当前巷道修复装备，充分利用机器人、人工智能和自动控制技术，针对其作业类型多样、作业环境复杂和作业空间狭长等特点，研究其底盘结构、动力系统、作业机构及与行走、作业相关的智能感知与控制方法。
4 煤矿巷道修复重载作业机器人关键技术问题
因煤矿井下巷道空间狭促、分布错综复杂、环境复杂多变，重载作业机器人在狭长封闭巷道空间内位姿精确感知、行走路径规划与行走控制、作业轨迹规划与运动控制等基础科学问题[29]尚未有效解决，限制了其在煤炭智能开采中的应用。
4.1 狭长封闭巷道空间内位姿精确感知
煤矿井下巷道分布错综复杂，空间狭长封闭，没有GPS信号。当前煤矿井下定位系统多为区间定位，无法精确实时感知煤矿巷道修复重载作业机器人等矿用机器人的位置和航向信息，不能为其自主行走提供导航信息。因此，构建煤矿井下定位与导航系统，为井下移动设备和人员提供实时准确的位置和姿态信息，是实现煤矿重载作业机器人自主移动和作业的前提和基础。
从目前的技术发展情况看，基于UWB(Ultra Wide Band，超宽带)和惯导技术的定位与导航系统可实现局部封闭空间的位置和航向信息的实时感知，精度可达数十毫米级别，已在一些领域得到应用，是非常有潜力承担“井下北斗”重任的技术。但要达到煤矿巷道修复重载作业机器人自主移动的导航要求，还需解决基于UWB技术的TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间)模型算法角定位精度较差、NLOS(Non Line of Signal，非视距信号)误差大等问题，并研究与惯导技术的融合算法，提出适用于煤矿巷道重载作业机器人的改进定位算法，实现精确感知重载作业机器人在煤矿巷道空间中的位姿，从而进行有效的行走路径规划和作业轨迹规划，并为其行走和作业智能导控提供参考基准。5G技术在煤矿井下的应用越来越受到煤炭行业的关注，其低延时、高带宽、广连接的特性可满足煤矿井下对延时和带宽的高要求。把5G技术和定位导航系统进行有机结合，探索适用于煤矿井下定位与导航系统的方法与途径，有助于实现煤矿巷道修复重载作业机器人行走与作业。
4.2 行走路径规划与行走控制
煤矿井下巷道地理信息数据是已知的，但由于空间狭促，又有随机出现的行人、车辆与设备物料等不确定性，要实现煤矿巷道修复重载作业机器人自主行走与控制，不仅要考虑成形巷道的确定性，还要考虑移动环境动态变化的不确定性，需在已知煤矿巷道地理信息系统基础上，完成全局路径规划，同时实时感知机器人所处位置的动态环境信息，以实现避障等局部路径规划。这就需要建立含障碍物区域和自由移动区域环境地图模型及适用于煤矿巷道动态多变环境障碍搜索算法，以便实现快速、实时的全局及局部路径规划。将三维激光SLAM(Simultaneous Localization and Mapping，同步定位与地图绘制)与毫米波雷达应用到巷道地图构建技术中，基于改进LOAM(Laser Odometry and Mapping，激光里程计与地图绘制)算法、滤波算法实现环境适应性更高的环境感知算法，以此建立复杂巷道空间模型及得到障碍物检测信息，结合Dijkstra算法、A*算法等实现煤矿巷道修复重载作业机器人行走路径规划及避障，进一步实现整机行走控制。
4.3 作业轨迹规划与运动控制
煤矿巷道修复重载作业机器人作业空间小、负载量大、作业环境恶劣，决定了其作业臂要具有足够的自由度与刚度。研究有限空间中重载作业机器人作业机构是高质量、高效率完成作业要求的重要保证；建立典型巷道修复作业目标识别数据库，研究基于PnP(Perspective-n-Point，透视n点)算法的2D RGB图像与3D物体间对应关系，从而获得作业对象6D位姿的作业目标识别方法；根据巷道修复作业工艺，研究基于机器视觉和机器学习的从初始运动状态到目标状态作业轨迹规划问题，使其在运动过程中平滑稳定；采用基于强化学习的自适应控制算法，研究机械臂的高效、精准智能导控，以期实现煤矿巷道修复重载作业机器人智能作业要求。
5 煤矿巷道修复重载作业机器人发展趋势
针对我国煤矿巷道修复重载作业机器人发展现状与面临的问题，煤矿巷道修复重载作业机器人的发展将集中体现在可靠性、智能化和工艺适应性等方面[30]。
(1) 提高煤矿巷道修复重载作业机器人的可靠性和稳定性。重载作业机器人在封闭狭长巷道中作业面临作业空间局促、作业环境复杂多变等难题，且重载作业具有装备功率大、劳动强度高、作业人员多、危险系数高等特点，因此，要求重载作业机器人在结构尺寸尽可能小的情况下，其自身结构和控制系统具有足够的可靠性和稳定性。
(2) 提高煤矿巷道修复重载作业机器人智能化水平。重载作业机器人主要是在狭长变形巷道中施工作业，井下环境存在诸多不可预测性，因此需要进一步提高重载作业机器人的智能化水平，完善其安全监测功能。未来发展趋势是重载作业机器人能在巷道中实时获取自身位置和姿态，时刻感知周围环境信息，实时分析接收数据，控制整机自主行走与安全避障，使作业机构精准完成作业，并能对作业质量进行自主评估与提升。
(3) 加强煤矿巷道修复重载作业机器人与其他机器人施工工艺匹配。我国煤矿资源分布广泛，地质条件复杂，巷道条件不同，井下装备类型多样，随着煤矿机器人的发展和普及，要求煤矿巷道修复及其他类型重载作业机器人与运输机器人、喷涂机器人、巡检机器人等进行交互，从而更好地发挥重载作业机器人作业能力，提高作业效率。
6 结语
煤矿生产系统庞大，作业环境复杂多变，亟需突破当前技术限制，研发煤矿重载作业机器人代替工人完成繁重、高危作业，提高作业效率。目前煤矿巷道修复重载作业机器人研制进展缓慢，尚处于自动化初级阶段，智能化程度普遍不高，面临位姿精确感知、路径规划与避障、智能化作业等亟待解决的关键技术问题。提高煤矿巷道修复重载作业机器人结构和控制系统的可靠性、智能化水平和工艺适配性是其发展方向。
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