煤炭作为我国的主要能源和基础原料，在国民经济中占有举足轻重的地位。在煤炭行业，安全、高效生产是永恒的主题，煤矿智能化生产是煤炭工业发展的必然趋势。
目前在煤炭开采过程中，巷道掘进与支护工作需要大量的辅助物料。多数情况下，受围岩应力影响，巷道变得狭窄，地面变得凹凸不平，因此小型设备和辅助物料的运输只能采用人拉肩扛的形式，工人劳动强度大，运输效率低，人工搬运工作在井下相对复杂、危险、繁重，搬运过程中容易发生人身伤害和机器故障等问题。
搬运机器人采用遥控驾驶技术、智能感知技术，具有大载荷、适用性强等特性。此外，搬运机器人作为现代制造业生产物流中的关键装备之一，具有作业范围广、无人化等优点，可以代替人工进行煤炭井下物料的运输作业，有助于实现减员增效的目标，保障人员的安全性。
文章来源：《智能矿山》2023年第11期“神东煤炭集团智能化建设成果专栏”专栏
作者简介：王占飞，高级工程师，硕士，现任国能神东煤炭集团有限责任公司寸草塔二矿机电副总工程师
作者单位：国能神东煤炭集团有限责任公司寸草塔 二矿
引用格式：王占飞，刘生江，于明航，等.搬运机器人在寸草塔二矿的应用[J].智能矿山，2023，4（11）：49-53.
搬运机器人的发展可分为以下4个阶段：
（1）20世纪50年代，在工业机器人技术的基础上，搬运机器人首次开始被投入研发，但由于当时技术水平有限，搬运机器人的稳定性和安全性较差，并没有得到广泛应用。
（2）20世纪70年代，日本率先研制出行走式移动搬运机器人，随后日本发展成为全球最重要的机器人生产和消费市场之一；同时，以美国为代表的发达国家相继开始研发具有自主导航、定位、避障及多任务同时操作能力的搬运机器人，并取得了较大突破。
（3）20世纪80年代以来，以德国和日本为代表的国家开始在煤炭行业应用搬运机器人，实现了搬运机器人产品在煤矿的商业化运营。
（4）21世纪初，随着人工智能技术的飞速发展，以中国、印度、巴西等为代表的发展中国家开始将人工智能技术应用于搬运机器人领域。
煤矿搬运机器人主要用于采煤工作面和掘进工作面巷道内的小型物料的搬运工作，包括：在采煤及掘进工作面的狭窄巷道内完成锚杆锚索等物料运输及装卸，也可作为巷道内设备安装的辅助吊装工具。
目前应用于煤矿井下的搬运机器人根据其行走方式主要分3类：履带式、轮式、巡线式。履带式搬运机器人以大功率防爆柴油机为动力源，配备液压马达和独立液压制动装置（图1），在煤矿的应用比较广泛。该类机器人的工作制动由闭式静液压系统完成，停车及紧急停车制动依靠液压马达自身制动器实现，制动形式为失效安全型。履带式搬运机器人的主要工作是采掘工作面物料与设备的运输、狭窄空间的支护支架搬运、散装物料的集装箱化运输和中小型物料的运输等。该类机器人操作系统的全部功能均可遥控操作，通过多种工装配合，实现物料装卸机械化；采用手动先导和遥控方式操作，满足井下使用需求。
图1 履带式搬运机器人
轮式搬运机器人是以驱动轮驱动行走的（图2）。虽然其运动稳定性与路面的状况有很大关系，但由于其自重轻、承载大、驱动相对简单，因此在煤矿井下也有广泛的应用。轮式机器人对使用环境有一定的要求，适用于变电所、水泵房等环境较好、作业空间不大的场所，同时要求路面平整、无障碍物。
图2 轮式搬运机器人底盘
巡线式搬运机器人在巷道上方或下方铺设的轨道上从事巡检、搬运工作，其工作稳定性只受轨道是否畅通影响。巷道巡线式机器人多在巷道上方工作，工作面巡线机器人多在工作面底部工作。由于巡线式机器人需要专门在巷道铺设轨道，既影响巷道内电缆和水管布置，又限制其巡检范围。此外，巡线机器人一方面轨道铺设成本较高，另一方面同时维护轨道和设备的成本较高，因此其搬运功能的应用也没有轮式、履带式机器人广泛。在实际生产工作中，巡线式机器人因其稳定性好，适用于主运大巷、辅运大巷等长期服务的巷道，因而多被用于从事巡检工作（图3）。
图3 巡线式机器人
与传统人工搬运方式相比，煤矿搬运机器人具有以下优势：
（1）可在更加复杂多变的作业环境工作。煤炭行业生产环境相对复杂，如矿井内巷道较为狭窄，且巷道内有大量煤炭、矸石等杂物堆放。搬运机器人由于机身小巧、动力强劲，对于非硬化路面、狭窄巷道的适应性更强，而且通过遥控可有效减少人工操作所带来的安全隐患。
（2）作业效率大幅提高。随着煤炭行业自动化水平的不断提高和化的普及应用，搬运机器人在煤矿生产中可以代替人工进行物料的运输及装卸，显著提高生产效率，降低生产成本，提高企业经济效益。
（3）搬运机器人替代人工搬运，可大幅降低工人劳动强度。该类机器人以防爆柴油发动机为动力，燃料充足；无需拖拽风管、电缆等物；操作简单，省去了繁重的辅助操作。搬运机器人的应用符合“机械化换人、自动化减人、智能化无人”的发展理念。
搬运机器人设备体型小巧，可通过狭小空间，解决了搬运车辆因外形尺寸大、对行走地面条件要求高而运输环境受限的问题，特别适用于准备巷道、掘进巷道等非硬化地面的施工中各种辅助物料的运输，解决了井下运输的“最后一公里”难题。
目前，搬运机器人已在国能神东煤炭集团有限责任公司寸草塔二矿（简称寸草塔二矿）投入使用（图4）。
图4 寸草塔二矿井下搬运机器人
寸草塔二矿的搬运机器人具备以下技术特点：
（1）采用隔爆型电磁启动装置，安全系数高；整机出现异常时自动保护装置会发出声光报警，并在1min内自动切断油路停机；配有小时计数器，空气滤清器，配置发动机故障声光报警系统。
（2）发动机采用四冲程、涡轮增压中冷供气系统；使用了德国进口高压共轨电喷供油系统，采用CM2880型ECM全新电控系统，动态响应性能优异，高原适应性强，经济性高；智能匹配燃油/空气比，以保证排放达标。
（3）设备行走、转弯、吊装等所有操作均通过遥控控制，遥控距离可达50m；遥控器配有停机按钮，可快速停机，也具备自动关机保护功能，如果20min内没有操作按键按下，遥控器会自动关机，同时设备停机。
（4）设备配备起吊装置，可360°旋转；吊钩具备升降功能和过载报警功能，可实时显示吊装质量。
（5）设备前后设有矿用本安型超声波雷达，可在行驶过程中人员靠近5m时报警提示，在人员靠近0.15m时立即停车。
（6）可使用现有井下4G网络、WiFi进行通信，配备了无线通信模组，可用于后期网络升级。
结合生产实际情况来看，煤矿搬运机器人未来在寸草塔二矿将主要应用在以下领域：
（1）煤矿辅助运输系统：巷道掘进、移架、采煤、运煤等工作面的设备物资搬运工作。
（2）煤矿辅助作业系统：矿井巷道清理、支护、维修、安装支架等作业。
（3）火区工作场所：巷道清理、火区照明和监控等工作。
（4）井下安全监控系统：巡检等工作。
（5）采煤机自控系统：设备更换、巷道清理等工作。
（6）其他场景：搬运机器人还将应用于煤矿井下通风除尘系统的升级改造，煤炭开采巷道内的支护、掘进机械与运输设备的升级改造等领域。
此外，搬运机器人已在鄂尔多斯市昊华红庆梁矿业有限公司、内蒙古双欣矿业有限公司成功应用，运行时间超过6个月，解决了掘进工作面各种辅助物料运输过程中工人劳动强度大、运输时间长、物料运输量小的问题。
煤矿搬运机器人想要得到更好的发展，需要在以下5个领域取得关键性突破：设备防爆、行走机构适应性、网络通信、智能感知与自主行走、设备标准化。
（1）设备防爆
搬运机器人作为煤矿用机电设备，必须做好防爆。搬运机器人工作环境特殊，体积不能过于庞大，但又要保证其动力、续航性能，那么其防爆结构就必须进行轻量化设计，需要研究质量轻、强度高的防爆材料。
（2）行走机构适应性
搬运机器人所处工作环境复杂，其行走机构的适应性尤为关键。针对煤矿井下地形复杂、障碍多的情况，需要研发地形适应性好、越障能力强的机器人行走机构。
（3）网络通信
搬运机器人在井下作业，需要依靠网络通信来传输数据和图像信息，而煤矿巷道纵横交错，加上巷道煤岩对信号有强力的吸收作用，使得煤矿井下通信十分困难。因此，网络通信是需要解决的另一个关键技术问题。
（4）智能感知与自主行走
智能感知与自主行走是搬运机器人的重要能力，但在地形复杂、照度低、无GPS以及存在信号屏蔽干扰的井下环境中，要实现自主或部分自主感知、决策、执行都是非常困难的。因此，自主性是该类机器人研发应用中最具挑战性的关键技术问题。煤矿井巷地图构建、机器人精确定位、路径规划与避障、机器人运动精确控制是解决煤矿搬运机器人自主行走的有效技术途径。须通过不断研发，提高该类机器人的自主能力。
（5）设备标准化
搬运机器人属于煤炭生产中的高新技术装备，在研发应用中必然会遇到设备标准化的问题：通过确定该类机器人的通用技术条件来设计机器人，确定该类机器人的检测方法来评价机器人。因此，在搬运机器人的研发应用中，必须重视和加快煤矿搬运机器人标准的制定。
随着煤矿智能化水平的提高，未来搬运机器人将逐渐代替人工完成井下搬运任务。搬运机器人将会不断向无人化、远程化、标准化等方向发展。随着市场需求的不断提高，煤矿搬运机器人的以下关键领域将得到进一步发展：①长续航高能量密度的机器人动力技术；②受限环境下的自主精准定位导航技术；③防爆安全技术、设计理念及方法；④高可靠性、抗干扰的通信技术；⑤智能感知与险情识别技术；⑥自感知、自决策和自学习等人工智能技术，分通用类和专用类；⑦多接口物联网、大数据、云计算技术；⑧多机协同与智能工艺优化技术；⑨机器人集成技术和集群化作业技术；⑩大负载技术。
寸草塔二矿利用搬运机器人低成本和高可靠性等优点，将其广泛应用于采掘、运输等多种作业场景，提高了井下运输工作的工作效率，实现了减人增效的目标。机器人制造技术作为煤矿智能化建设的关键组成部分，是煤矿智能化发展的重要体现。未来，需要加大煤矿搬运机器人的研发力度，进一步解决该类机器人智能感知和协同作业等技术难题。
