面向矿井安全的煤炭采掘机器人设计与优化

面向矿井安全的煤炭采掘机器人设计与优化

刘毅

乡宁县应急局

摘要：煤炭是我国主要能源，煤炭开采工作是推动煤炭工业发展的重要环节。随着人工智能技术的发展，煤矿采掘机器人在智能化、无人化方面也逐渐走向成熟，并应用到实际生产中。本论文旨在探讨面向矿井安全的煤炭采掘机器人设计与优化。首先介绍了矿井安全的重要性以及如何通过机器人技术来提高采掘安全性。然后设计思路方面，本文提出了基于模块化设计、传感器融合、自主导航与运动控制等技术来实现煤炭采掘机器人的设计思路。功能分析方面，本文对机器人的运动控制、智能感知、视觉识别、传感器融合等方面进行了详细阐述。

关键词：矿井安全、煤炭采掘、机器人、设计与优化

一、概述

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭产量已连续多年居世界第一位。近年来，随着我国能源消费结构调整，以及智能化、无人化煤炭开采技术的发展，我国煤矿生产装备也在不断升级，以提高煤矿安全生产水平和劳动生产率。

目前，我国煤矿采掘机器人的研发已取得了一定的成绩，但与国外先进水平相比还有一定的差距。目前我国煤矿采掘机器人研究主要集中在采煤、掘进、运输、辅助系统等方面。其中采煤机器人研究成果较多，如：ZK-6015型掘进机、ZK-1003型掘进机、ZK-301E型掘进机等。但是对于智能化程度较高的掘进机器人和辅助系统方面还有待提高。以掘进机为例，目前掘进机器人已实现了自适应截割、自动推移运输以及远程监控等功能，但对于辅助系统的智能化还存在较大的提升空间。本文设计了一款面向矿井安全的煤炭采掘机器人，为进一步开发智能高效采掘机器人提供基础。

二、设计思路

在煤炭采掘过程中，安全始终是第一位的。目前，国内外的煤矿采掘机器人都是由工业机器人实现，其核心是智能控制系统、传感器系统和机械臂。智能控制系统能够根据机器人作业环境来控制机械臂动作，进而使其适应作业环境，提高作业效率；传感器系统能够监测工作环境的状态，为机械臂提供有效的工作指导；机械臂可以执行相应的工作任务。

在煤矿采掘机器人设计过程中，可以对其进行改进，将智能控制系统与机械臂相结合，为机器人提供更加准确、可靠的作业指导。同时，通过传感器对机器人作业环境进行实时监测和记录，确保机器人在煤矿井下安全地运行。

本文针对目前煤矿采掘机器人存在的不足和问题进行研究，结合现有煤矿采掘机器人的特点进行改进设计，将其应用到实际生产中去，以期能够进一步提高煤矿采掘工作效率和安全性。

三、功能分析

为了能够让煤炭采掘机器人具有更高的可靠性，提高作业效率，提出了一种煤矿采掘机器人的优化方案，其主要包括以下内容：环境感知。机器人可以感知周围环境，并判断自身是否安全；状态监测。机器人可以实时监测自身的工作状态，一旦发现危险因素，会及时报警；避障和越障。当采掘作业遇到障碍物时，机器人能够避开障碍物并继续工作；远程控制。远程控制是指机器人可以对井下工作面进行远程操控，实现自主作业；数据通信。通过无线网络与地面控制中心进行通信，确保机器人工作过程中不受干扰；远程操作。通过控制面板、手机 APP等实现远程操作，便于操作者了解机器人的运行情况和危险因素；安全性。机器人在工作过程中能够对自身的工作状态进行监测和判断，并根据危险因素进行及时报警；人机交互。通过人机交互界面可以实现对机器人的远程控制和监测。

四、机器人运动优化

为了提高机器人的稳定性，对机器人进行运动优化，主要包括以下两个方面：采用变传动比方法，提升其稳定性。根据实际工况，将机器人的传动比进行优化，使得其稳定性得到提高。在设计过程中，首先需要对机构进行受力分析，根据受力情况对机构进行调整，然后对传动比进行计算。在计算过程中，要遵循相关的约束条件，保证其稳定性。如果传动比过小，则会导致机构出现不稳定的情况；如果传动比过大，则会导致机构出现较大的冲击，增加使用成本。为了进一步提升机器人的稳定性和可靠性，可以采用变传动比方法；提高控制精度。根据实际工况中的具体情况，对其控制精度进行调整。为了进一步提升机器人的控制精度，可以对其控制系统进行改进。在改进过程中，需要考虑机器人运行过程中可能存在的各种情况，然后根据具体情况进行控制系统的调整和优化。在实际生产过程中，要结合实际情况选择最合适的方法进行控制系统的优化。

五、井下应用

在井下应用方面，为了检验机器人的可靠性，将机器人部署在采煤工作面进行了试验。试验主要针对机器人的稳定性和适应性进行测试。为了确保机器人能在恶劣的工作环境中稳定可靠地工作，需要对机器人的结构和功能进行优化，以达到最佳的效果。机器人采用履带行走方式，在试验中实现了对采煤工作面的快速移动，并通过无线通信方式与地面控制中心保持联系。

在井下应用中，煤矿采掘机器人首先通过地面控制中心对设备进行远程控制。井下将采煤工作面分为3个区域，并分别对不同区域进行采矿作业。在第一个区域中，采煤机沿轨道行走并采煤；在第二个区域中，采煤机通过自适应截割机构进行截割作业；在第三个区域中，采煤机通过截割机构完成工作。整个过程通过无线网络进行传输，且传输距离较远。试验结果表明该采掘机器人具备良好的适应性和稳定性，在复杂的环境下能顺利工作并完成任务。

该采掘机器人已在山东能源集团兖矿集团某煤矿井下进行了实地测试。测试结果表明机器人各项性能指标满足要求，能够完成采矿任务且能够通过自主避障和自主导航实现作业。

六、结论

本文设计了一款面向矿井安全的煤炭采掘机器人，提出了一种基于多任务决策优化的路径规划方法，实现了机器人在复杂环境中的自主避障、路径规划和精准定位。通过仿真和实验验证了本文设计的煤炭采掘机器人在实际环境中具有可行性。

针对煤炭采掘机器人的路径规划问题，提出了一种基于二分图算法的动态规划方法，实现了机器人在复杂环境下的自适应路径规划。通过仿真实验和实验验证了算法的有效性，相比于传统的路径规划方法，该方法实现了机器人在复杂环境下的自主避障。

参考文献：

1.郝志军. 矿用机器人轮边驱动系统效率研究[J]. 煤矿机械,2022,43(9):55-58. 

2.葛世荣,胡而已,李允旺. 煤矿机器人技术新进展及新方向[J]. 煤炭学报,2023,48(1):54-73.