煤矿危险气体巡检机器人研发与应用

研发起止时间：2014.01～2020.12

完成单位：晋能控股集团有限公司、中国矿业大学（北京）、中国矿业大学、中信重工开诚智能装备有限公司和晋能控股山西科学技术研究院有限公司

获奖及评价：国际先进

大力推动煤矿机器人研发应用，是贯彻落实党中央、国务院领导同志关于安全生产工作有关重要指示批示精神的具体措施，有利于提高煤矿生产效率、减轻矿工劳动强度、降低安全生产风险、解决煤矿招工难等问题，对推动煤炭开采技术革命、实现煤炭工业高质量发展、保障国家能源安全供应具有重要意义。

煤炭行业较早就提出了煤矿机器人的概念，然而煤矿机器人的研发应用一直是特种机器人领域中技术难度最大的种类之一。煤矿井下的爆炸性气体环境、非结构化动态地形、封闭受限空间、GPS拒止场景等均给此类机器人的研发带来了严峻挑战，目前的地面其他行业较为成熟的通用机器人技术难以直接应用到煤矿井下，从而导致煤矿机器人研发整体难度大、研发周期长，煤矿企业用户对煤矿机器人产品的稳定性及安全性要求极高，因此需要针对煤矿井下特殊生产环境开展煤矿机器人的系统性研究，构建相对完善的煤矿机器人技术体系，根据企业现场需要，研发适用于我国煤矿生产、安全等作业需求的机器人装备。

2019年1月份，国家煤矿安监局发布了《煤矿机器人重点研发目录》，旨在引导煤炭企业、科研机构、机器人制造企业重点研发应用安控、掘进、采煤、运输和救援5 大类38 种煤矿机器人，其分类体系架构如图1 所示。其中安控大类的“危险气体巡检机器人”是国内较早开始研发的一种煤矿机器人，但受限于我国煤矿井工开采的复杂和恶劣作业环境，部分单位所研发的巡检机器人样机距离煤矿现场实际应用还有一定的距离。为加快煤矿机器人的推广应用整体进程，以此类煤矿巡检机器人研发为突破口，通过产学研合作科技攻关解决若干“卡脖子”技术难题，尽早实现煤矿巡检作业的机器人化，为煤矿智能化和无人化开采提供高端装备支撑。

目前晋能控股集团有限公司所属煤矿井下危险区域环境探测主要依赖人工，特别是在井下掘进巷道探测、巷道贯通、密闭启封、老空区揭露、旧井巷修复等作业过程中，均需要派瓦检员和救护队员进行危险作业区域的环境探测，然而此类人工探测面临危险性高、效率低下等诸多问题，成为制约煤矿减员、增安、提效的瓶颈。为提升煤矿安控智能化水平，解决井下危险区域环境探测难题，需要研发一种适应井下巷道环境的危险区域环境探测机器人。具备较高的移动和越障能力，可通过遥控深入巷道危险区域，代替人工探测各类环境参数信息，同时也可用于矿井瓦斯、火灾等灾后危险区域环境侦察，为矿井事故救援决策提供科学依据。

1 主要研究内容

（1）开展深入调研获得井下巷道危险区域的地形和环境参数特征，研究梳理井下危险区域环境探测功能需求，形成适合煤矿现场应用的危险气体巡检机器人细化设计指标，优化形成适应于各类危险区域和工况的煤矿危险气体巡检机器人设计方案，满足煤矿井下一线人员的安全作业需求。

（2）研究煤矿危险气体巡检机器人关键技术，优化设计高机动性移动底盘满足机器人越障要求，研发高效率机器人传动、驱动系统提升机器人续航能力，研究井下封闭空间内机器人通讯和高可靠性机器人控制技术实现机器人遥操作，研发适用于煤矿机器人平台的井下环境感知技术，研制煤矿危险气体巡检机器人样机。

（3）在典型矿井进行煤矿井下危险气体巡检机器人工业性试验，验证该机器人的各项性能，并通过巡检机器人的应用，协助建立基于煤矿机器人的井下危险区域环境探测新机制。同时通过本项目所研发的煤矿机器人样机的试用，研究论证煤矿巡检机器人巡检带来的减人、增安效果，总结先进经验为煤矿巡检机器人的推广应用提供决策参考。

2 技术性能指标

参数名称：参数指标

产品名称：煤矿危险气体巡检机器人

适用领域：主要适用于煤矿井下危险环境的侦察作业

防爆形式：Exd[ib]ⅠMb

外形尺寸：长1550 mm×宽840 mm×高750 mm

整备重量：500 kg

行走机构：全地形高强度履带，内部全金属骨架

牵引力：4200 N

行走速度：1.6 m/s

越障高度：250 mm

侧倾稳定角：30°

爬坡能力：84%（40°）

转向直径：1 600 mm

控制方式：无线遥控

避震系统：油压阻尼减震器

连续行走时间：2 h

工作时间：10 h

通讯距离：300 m（受煤矿井下环境、地形等因素影响）

涉水深度：350 mm

防护等级：IP65

现场环境探测

检测类型：甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧气、温度、湿度、差压

音视频采集配置参数

红外摄像机：1 台，图像解析度700TVL

拾音器 ：监听范围0～5 m，频率范围20 Hz～20 kHz，灵敏度40 dB

矿用隔爆型云台摄像仪：

型号：KBA75

工作电压：DC18～75V

工作温度（℃）：-10～65 ℃具有预加热功能

外形尺寸：长513 mm×宽275 mm×高343 mm（±50mm）

重量（kg）：30 kg

功耗：35 W，最大84 W

可见光摄像机：30 倍光学变焦，200 万像素，支持网络+模拟视频输出接口

红外热像仪：具备网络+模拟视频接口

云台水平旋转角度：360°

云台垂直旋转角度：-90°至90°

补光灯：2个，最大24 W×2

3 创新成果

（1）研制了国内外首台实用化的煤矿危险气体巡检机器人，取得了煤矿安全标志认证。

（2）设计了弹簧履带式机器人行走底盘，开发了便携式通讯中继装置及矿用本安型手持遥控终端，机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）发明了机器人井下光纤释放、视觉系统自清洁除尘等装置，实现平直巷道环境中有效无线通讯距离大于300 m，机器人配备多参数环境传感器，可探测回传甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧气、温度、湿度、压差、图像等信息。

（4）研究了煤矿危险气体巡检机器人井下探测适用范围，创新了基于煤矿机器人的井下盲巷探测、密闭启封等巡检作业模式。

4 应用效果

本项目通过产学研多部门联合攻关突破了煤矿机器人移动平台的若干关键技术，实现了井下狭窄巷道空间内的无线通讯和环境信息探测功能，取得了矿用产品安标证书，具备了下井列装和应用的条件，并在晋能控股煤业集团塔山矿进行了示范应用。应用结果表明：该机器人地形适应性好，行走能力强，可靠性好，没有发生卡堵或掉履带的情况，机器人适应井下各种复杂地形；机器人的通讯效果好，通讯无线中继方式，可实现300 m以上距离的通讯遥控；机器人能探测并回传井巷中的甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧气、温度、湿度、压差等环境信息，能在机器人操控终端看到井巷场景，视觉效果好。