基于远程操作的无人采煤机器人研制_刘晓宾.pdf

煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.2023050170引言目前我国的煤矿开采严重依赖体力劳动，效率低、风险性高。煤矿工人暴露在高温（高于30）、高湿度（90%100%）、噪声和灰尘的恶劣工作环境中。同时工人可能会因爆炸或机械事故等而受伤，也可能被困在地下数百米的倒塌矿井中。另外，煤矿工人的数量也在减少，而矿工的平均年龄却在逐年增加。因此，开发了无人采煤机器人，以减轻矿工的工作量，同时提高生产效率。1采煤机器人系统（1）机器人总体设计采煤机器人系统由机械部分、传感部分和遥控站组成。机器人CAD模型如图1所示。该机器人的宽度比其他类似等级的挖掘机窄，因此可以在狭窄的矿井中移动（3.0 m宽）。钢轨单独驱动，可以在崎岖、泥泞和多岩石的地面上移动。机器人机械手从履带到铲斗具有5个自由度，因此机器人可以使用安装在臂和臂架组件末端的铲斗执行挖掘和清扫等各种任务。该机器人液压系统由2个液压马达、油缸、泵、过滤器、油箱、电动机、电磁阀和阀门控制器组成。液压马达和液压缸将液压转换为角和线性运动，以便通过履带、动臂、臂、铲斗和推土机进行运动和操纵。液压泵保持液压驱动，电磁阀由阀门控制器驱动。操纵杆的控制输入在远程位置直接或通过计算机发送到阀门控制器以进行更自主的操作。图1机器人CAD模型1.冷却器2.车身3.动臂4.臂5.铲斗6.推土机7.履带机器人的主要技术参数：外形尺寸（长宽高）/m1.780.751.36整机质量/kg2 500驱动力矩/Nm300液压/MPa20电动机功率/kW20液压泵流量/Lmin145最大攀爬速度/kmh11.2（2）传感器和通信机器人的传感器套件包括2个激光扫描仪、1个AHRS（姿态和航向参考系统）、1个旋转编码器、2个倾角仪、2个红外摄像机、1台计算机和1个无线局域网适配器。电子元件安装在机器人的上部，用于获取传感器数据并与操作员进行通信。传感器和计算机的详细信息如表1所示。基于远程操作的无人采煤机器人研制刘晓宾（国家能源集团 神东煤炭集团 保德煤矿，山西 忻州036600）摘要：针对煤矿井下高温、潮湿和有害粉尘的恶劣环境，使用远程操作机器人可以极大地减轻矿工的工作量，开发了一种远程操作的无人采煤机器人。通过在真实环境中的模拟操作，证明该机器人作为辅助采矿工具具有一定的可行性。关键词：无人采煤；机器人；高程映射；远程操作中图分类号：TP242文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0055 03Development of Unmanned Coal Mining Robot Based on RemoteOperationLiu Xiaobin（Baode Coal Mine,Shendong Coal Group,CHN Energy Group,Xinzhou 036600，China）Abstract:Aiming at the harsh environment such as high temperature,humidity,and harmful dust inunderground coal mine,using the remote operation robot can greatly reduce the workload of miners.Aremote operation unmnned coal mining robot was developed.Through simulation operation in realenvironment,this robot is proved that it is feasible as an auxiliary mining tool.Key words:unmanned coal mining;robot；elevation mapping；remote operation12345671.01 m0.91 m1 7801 36075055表1规格表控制信号从操作员的操纵杆传输到阀门控制器和机器人执行器，在与遥测系统分离的无线CAN通道上传输，以提供其独立操作。传感器数据通过无线LAN端口（IEEE 802.11g/n）发回，以便操作员接收包括2个板载视频通道的高带宽信息。来自车载摄像头的2个视频流通道提供铲斗左侧和右侧的实时视图。（3）远程操作系统远程操作由远程控制站实现，操作员可以通过2个不同的操纵杆模块（固定式或便携式）来控制机器人。这些操纵杆模块可通过机器人上的接管按钮立即在彼此之间切换。操作员可以选择使用哪个操纵杆模块。每个操纵杆模块都有4个两轴操纵杆来控制机器人上的各个部件和1个紧急停止按钮。它们操纵机器人机械手-铲斗、臂、动臂和推土机的倾斜运动、动臂滚动运动、车身旋转并跟踪前行。便携式操纵杆模块允许操作员在可视范围内直接访问机器人，可用于系统检查或操作员需要在工作区域执行更精细任务的情况。远程控制台上的操纵杆模块是在远离矿区的更舒适环境中操作机器人的主要区域。切换到固定操纵杆模块，操作员可以一边看视频一边控制机器人机械手显示。状态显示包括机器人的三维图形渲染和工作区域中的障碍物，以显示机器人的姿态和与环境的联系，因为仅从摄像机视图中很难感知深度信息。机器人周围的环境地图由激光扫描数据和姿态传感器构建。2机器人姿态估计和环境映射（1）机器人定位为了估计机器人的位置和姿态，采取了使用粒子滤波器的蒙特卡洛定位（MCL）算法。假设地面足够平坦，因此MCL可以应用于2D空间的情况，要估计的机器人状态是2D位置（xt，yt）和角度t。定位的概率模型p（Xt|ut，zt，m）机器人的位姿Xt=xt，yt，tT式中ut运动增量；zt测量距离（方位）；m局部二维预先测量的地图数据。从机器人到物体的测量距离（方位）zt、运动增量ut可以分别使用激光扫描仪和里程表测量。然而，由于轨道过度打滑，这种跟踪机器人的里程计测量并不准确。因此，定位算法通过里程计忽略了运动更新项，而只使用了随机采样项。机器人姿态后验可以导出为贝叶斯滤波器。p（Xt|ut，zt，m）=p（Zt|Xt，m）p（Xt|Xt1，ut1）p（Xt1）dXt1p（Zt|Xt，m）i=12hitexp（-（Zt-Zt_ideal）22hit）使用水平激光扫描仪预先构建用于定位的占用网格图，因为使用这种大规模映射技术，日常工作的矿井局部二维地图并不复杂或并不大。地图建立后，MCL算法开始估计机器人的位置和航向。使用大约80个粒子的MCL结果为3D高程映射过程提供了实时2D位姿数据。在宽度3.0 m、高度2.4 m的典型矿井巷道中，用于定位的二维地图受挖掘工作影响不大，水平激光扫描仪位于距地面1.4 m的高度，挖掘或清扫等采矿作业通常在水平激光扫描仪下方。此外，定位算法不计算机器人机械手的遮挡区域，因为遮挡区域可以使用倾角仪感应的机械手姿态来计算。（2）机器人机械手姿态估计为了估计机械手的位姿，在动臂、臂和铲斗关节处安装了传感器，包括2个红外摄像机、2个激光扫描仪、1个旋转编码器和2个倾角仪，如图2所示。旋转编码器安装在臂和铲斗之间的旋转接头处。旋转编码器为绝对型，因此在启动机器人后无需初始化铲斗。2个可以感应双轴旋转（俯仰和滚动）的倾角传感器安装在中间动臂和臂部件。因此，可以利用机器人的正向运动学估计整个机械臂的位姿，并将位姿数据与机器人位置相结合，以显示机器人的3D图形。图2机器人上的传感器名称计算机激光扫描仪AHRS红外热像仪旋转编码器倾角仪规格533 MHz处理器，256 MB内存，2 GB存储LMS291-S05微应变3DM-GX3三星SCO-2080REPM50DAS DM1-70第44卷第5期Vol.44 No.5基于远程操作的无人采煤机器人研制刘晓宾激光扫描仪倾角仪IR摄像机倾角仪旋转编码器56（3）机器映射为了扫描周围的三维环境，使用垂直安装在机器人上的激光扫描仪。激光扫描仪垂直扫描180，每次扫描生成361个点，从地面到前面，最后到矿井顶端，如图3所示。这些扫描点包括方位和距离r被变换，从MCL算法中获取与机器人位置和姿态有关的环境高度信息。（b）激光扫描仪构建的上下高程图侧视图图3立式激光扫描仪扫描示意图转换为高度数据后，它们分为2个高程图，即矿井顶部和较低地面的地图。2张地图有相同的长度、宽度和单元尺寸，并且它们最初与接地平面平行。高度数据在每个时间步都会更新2个高程图中的单元格，并且在一个时间步长的高程图中，最大更新单元数小于181个单元，因为垂直障碍物（例如墙壁）反射多个扫描点。将这种使用垂直扫描激光测量更新2个高程图的技术称为双工高程映射，该过程在算法1中列出。在该算法中，机器人的高度是固定的，假设地面足够大，应用于二维，显然，这些高程图有一个局限性，不能在3D空间中表达水平突出的物体。然而，在作为矿井盲端的工作区域中，水平突出的物体很少或没有，因此构建2个高程图比实时构建需要大量计算负载的完整3D空间图更有效。2个高程图合并的双工高程映射结果如图4所示。3结语基于远程控制系统研制了一种在煤矿井下环境中的无人采煤机器人。开发的机械部分和液压系统可以驱动机器人轨道、机械手和传感器系统。机器人可以通过传感器数据和实施的定位算法估计其姿态和机械手的姿态。从机器人上的传感器获取的测量数据被传回远程位置的操作员，以便操作员可以通过由2个高程图合并的3D图形渲染直接监控和控制机器人。该采煤机器人通过矿区真实环境模拟操作，验证其技术具有一定的可行性。图4双工高程映射的合成3D图形渲染参考文献：1郭坤闪.矿井机器人智能巡检系统设计J.科技资讯，2022,20(12):22-25.2葛世荣,胡而已，裴文良.煤矿机器人体系及关键技术J.煤炭学报，2020,45(1):455-463.3葛世荣.采煤机技术发展历程（二）铣削式滚筒采煤机J.中国煤炭，2020,46(7):4-18.4郑庚昊.矿山井下水仓清理机器人的探讨与研究J.水力采煤与管道运输，2019(3):136-137.5王强.薄煤层综采工作面智能巡检系统设计J.煤炭技术，2020,39(12):122-125.6周继庆，杨德忠.中国大唐集团龙王沟煤矿智慧矿山建设探索与实践J.中国煤炭,2021,47(S1):14-23.7葛世荣,郝尚清，张世洪，等.我国智能化采煤技术现状及待突破关键技术J.煤炭科学技术,2020,48(7):28-46.8王国法,杜毅博，任怀伟，等.智能化煤矿顶层设计研究与实践J.煤炭学报,2020,45(6):1909-1924.9胡青松,张赫男，李世银，等.基于大数据与AI驱动的智能煤矿目标位置服务技术J.煤炭科学技术,2020,48(8):121-130.10李首滨，李森，张守祥，等.综采工作面智能感知与智能控制关键技术与应用J.煤炭科学技术,2021,49(4):28-39.11黄曾华,王峰，张守祥，等.智能化采煤系统架构及关键技术研究J.煤炭学报,2020,45(6):1959-1972.12刘万里,张学亮，王世博.采煤工作面煤层三维模型构建及动态修正技术J.煤炭学报,2020,45(6):1973-1983.作者简介：刘晓宾（1987-），内蒙古凉城人，工程师，本科，主要研究方向：矿业工程，电子信箱：.责任编辑：赵荣收稿日期：20220817第44卷第5期Vol.44 No.5基于远程操作的无人采煤机器人研制刘晓宾（a）扫描范围图立式激光扫描仪上部扫描点t中部扫描点下部扫描点Hrir0iXr360Y57