《煤田地质与勘探》“煤矿机器人技术与应用” 虚拟专题

来源：煤田地质与勘探

2024年4月，国家矿山安全监察局、国家发改委等七个部门联合发布了《关于深入推进矿山智能化建设促进矿山安全发展的指导意见》。煤矿机器人有助于提高矿井安全和生产效率，减少事故风险，实现“机器换人”的目标。编辑部现整理出近年刊发的煤矿机器人相关的智能设备优秀成果，供大家参考学习。

行业视野: 智能化
类别; 52个
关键词; 41位
专家; 11篇
论文; 3470IP
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矿用钻孔机器人加卸钻杆的避障轨迹规划研究

作者(Author)：姚亚峰, 姚宁平, 彭涛, 梁春苗, 彭光宇

摘要：矿用钻孔机器人加卸钻杆位置会随主机的调姿而变化，同时在加卸钻杆路径中还存在障碍物。因此，钻孔的加卸钻杆过程存在变目标的避障轨迹规划问题。根据防爆六自由度机械手的性能参数建立DH参数表，并提出三自由度主机调姿前后加卸钻杆位置变化的函数关系。利用凸包络体结合简单几何体的包络法建立了加卸钻杆系统的碰撞检测模型，可通过欧氏距离判断是否发生碰撞。提出了三段式的加卸钻杆避障轨迹规划策略，第一段和第三段在笛卡尔空间下采用直线规划，第二段在关节空间下采用多项式插值算法进行规划，并可通过增加过渡点解决避障问题。开展了基于七次多项式插值的最小冲击避障轨迹规划算法研究，由仿真分析可知，关节角度、角速度、角加速度和角加加速度都是连续的，但绝对值峰值很大且路径较长。进一步开展了基于改进双树RRT算法、B样条路径优化及七次多项式插值的冲击优化避障轨迹规划算法研究，由仿真分析可知，不仅可保证关节角度、角速度、角加速度和角加加速度的连续性，且路径较短，角加加速度的绝对值峰值降低了98.2%。通过示教试验验证了冲击优化避障轨迹规划方法在避障、加杆轨迹规划等的可行性，机械手各关节运行曲线及运动路径与仿真结果具有较高的相似度。研究结果可为钻孔机器人加卸钻杆系统控制程序提供借鉴，对钻机智能化提升具有重要意义。

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煤田地质与勘探

2023年第11期

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基于等价输入干扰方法的钻孔机器人给进力跟踪控制

作者(Author)：李旺年, 陆承达, 张幼振, 宋海涛, 田盛楠, 黄恒宇, 陈略峰, 吴敏

摘要：煤矿井下施工瓦斯抽采孔作业过程中，钻孔机器人给进系统用于钻进过程加压、减压和给进。针对复杂地层不确定性扰动影响钻孔机器人工作性能和钻孔施工质量及效率的问题，首先分析钻孔机器人的结构组成和钻进施工工艺，根据其给进系统的工作原理，建立了减压阀控制数学模型，获得了控制输入量电磁铁电流与控制输出量减压阀出口压力的映射关系，并在明确给进力驱动方式的基础上对整个给进系统进行控制建模。随后设计了钻孔机器人给进力跟踪控制系统，使用Luenburger全维状态观测器重构被控对象状态，建立基于等价输入干扰估计(EID)与补偿的控制结构，设计了状态反馈控制器、状态观测器和干扰估计器增益矩阵，实现给进力闭环控制系统稳定的同时具有满意的跟踪与扰动抑制性能。最后利用Matlab软件搭建数值仿真模型，以某煤矿井下实际钻进施工时给进系统的实测钻进数据信号为例进行仿真研究，以给进力为控制目标，实测减压阀输出压力波动为依据设计外部扰动信号，分别采用所提EID控制方法和PID控制方法进行了对比仿真。结果表明：所提方法获得了比PID方法更小的稳态跟踪误差峰峰值，且跟踪误差更小，保证了给进系统稳定运行，具有较好的跟踪与扰动抑制性能。研究结果对提高钻孔机器人适应复杂煤层负载变化，保证其工作性能和安全高效施工提供了控制理论基础。

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煤田地质与勘探

2023年第09期

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煤矿用钻孔机器人钻臂定位误差补偿研究

作者(Author)：梁春苗, 姚宁平, 姚亚峰, 彭涛

摘要：目前钻孔机器人位姿调节多采用手动遥控调节与人工复测结合，未实现全自动调节，开环控制精度低、自动化能力低、无法实现煤矿用探放水、防突和防冲钻孔机器人精确开孔定位与孔群全自动施工。通过分析钻孔机器人钻臂结构和动作，建立了钻臂运动学模型；通过对加工误差、机身变形、装配间隙等影响因素分析，发现采用回转减速器蜗轮蜗杆结构间隙会引起倾角和方位角误差放大，并在机身平时会引起倾角和方位角误差最大达0.85°；为消除误差，首先采用传统钻臂运动学误差补偿方法建立了钻臂静、动态误差补偿模型，利用全站仪测试关节间隙和变形量，基于补偿模型和RBF神经网络法求逆解得到误差补偿量，钻臂期望位姿与实际位姿误差的x方向平均误差为9.6 mm，y方向平均误差为18.2 mm，z方向平均误差为16 mm，满足工程应用要求；其次为解决传统全站仪试验测量的方法的复杂性和非实时性问题，提出了一种通过激光测距仪和高精度开孔定向仪组合获得位姿误差检测的方法，通过测距实时计算实际和理论倾角、方位角差值，作为误差补偿后的新倾角和方位角的控制输入量，对钻臂进行实时误差检测与补偿；最后利用传统全站仪精度检测方法对激光测距组合位姿误差补偿模型进行验证。试验表明：激光测距组合定位误差检测法最大误差差值在±0.5°以内，方位角最大误差在±0.5°以内，比未采用误差补偿前分别提高了41.1%和37.5%，满足了钻孔机器人开孔定位误差要求。在煤炭行业开展了钻孔机器人钻臂在线精确定位与误差补偿研究，对钻孔机器人精确自动开孔定位及孔群全自动施工具有重要的借鉴和指导意义。

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煤田地质与勘探

2024年第03期

164

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