扫码下载手机APP
您所在的位置:您所在的位置:首页 » 新闻资讯 » 科技创新 » 矿产科技 煤矿井下仿生机器人技术应用与前景

煤矿井下仿生机器人技术应用与前景

  来源:煤炭学报 有309人浏览 日期:2020-06-02放大字体  缩小字体

分享到:
  仿生机器人作为机器人领域的一个重要分支,按其应用场景不同,可分为仿生飞行机器人、仿生水下机器人、仿生地面机器人等类型,随着仿生机器人微型化、仿形化、多功能化的发展,在医疗健康、国防军事、救援救灾等领域发挥了重要的作用。
 
近年来,随着煤矿自动化与机器人技术的快速发展,煤矿作业机器人已在掘进、开采、运输、安控、救援等多个方面获得应用。最近几年,部分仿生机器人成果也逐渐被应用到了巡检、救援等煤矿井下作业任务中。
 
仿生蛇救援机器人
 
蛇形机器人结构柔性高、体积小、稳定性好,并具有多种运动模态,能够钻入狭缝、穿越洞穴、逾越崎岖地面、翻越障碍物,对多种复杂地形具有较强的适应性,比较适合井下搜救与救援等作业任务。
 
美国卡内基梅隆大学机器人研究中心研制了一款用于井下地图创建的机器人雪貂,该机器人装备有声纳和激光测距传感器,能够建立三维井下地图,从而可对矿井环境进行评估。加拿大安大略大学研发了仿生土拨鼠矿难救灾机器人,该机器人采用四足行走,地形适应能力强,由4连杆并联机构作为机器人灵活的头部,且身体结构具备蠕动功能,在遇到堵塞区域时能够进行掘进,可在狭小空间中穿行,有效减少了环境探测的盲区。
 
仿生机器人要在实际生产中应用,需要突破仿生结构、仿生感知、仿生控制、仿生驱动和仿生材料等关键技术。
 
仿生结构要求机器人能模仿生物体的各种运动方式。仿生感知需要研究生物系统如何感知环境、处理信息,进而使机器人通过信息处理具有类似于动物的嗅觉、视觉、触觉等功能。高性能的运动控制方法是提高仿生机器人运动机动性和稳定性的关键,也是制约仿生机器人性能的关键问题。目前最常用的仿生控制方式有基于行为的仿生控制、基于神经网络的仿生控制、基于遗传算法的仿生控制、基于群的仿生控制等。动物的运动主要依靠自身的肌肉动作实现,肌肉由纤维状的肌细胞组成,具有平行和分布式的驱动方式,研究仿生人工肌肉也是模仿动物行为的重要内容。
 
仿生技术在煤矿井下机器人中的应用前景主要涉及4个方面:
 
(1) 新型功能材料的应用。井下环境对机器人的防爆性具有极高的要求,防爆设计导致机器人体积与重量增大,影响机器人运动性能的提升,也对动力与控制系统提出了更高的要求。因此,当前防爆设计已成为制约煤矿井下机器人发展应用的重要因素。在煤矿井下机器人未来的研究中,可基于高性能仿生材料开发质量轻、强度高的机器人防护材料,通过对防爆结构进行轻量化设计,解决防爆设计与高机动性的矛盾;利用新型仿生驱动装置代替传统电机驱动实现驱动器的本质安全;基于新型仿生运动机构设计轻量化、低功耗、高机动性能的机器人运动机构;应用生物能源提高能量利用效率。因此,仿生技术有望成为煤矿井下机器人机构与驱动创新设计的有效途径。
 
(2) 高效行走方式的应用。目前煤矿井下机器人的运动大多采用轨道式、轮式、履带式等形式,这些运动方式功能单一,只在特定的作业任务或运动场景中具有较高的效率。面向煤矿井下复杂、恶劣、多变的地形环境,如何让机器人在井下“走得动、走得稳、走得远”,是煤矿井下机器人面临的关键问题。以四足仿生运动为代表的腿足式运动机构具有地形适应性好、越障能力强等优势,尤其适用于煤矿井下等非结构化环境,通过与轮、履等形式进行复合可进一步提高结构化环境中的运动效率与地形适应性,并且通过加装机械臂还可以具有灵活操作能力,从而满足不同地形条件与不同作业任务的需求。因此,随着防爆、动力等技术瓶颈得到突破,腿足式等仿生移动机构有望成为新一代煤矿井下机器人的移动平台。
 
(3) 智能环境感知的应用。煤矿井下地形复杂,煤尘多,照度低,并存在信号屏蔽干扰,煤矿井下机器人的自主作业与安全运行依赖于对井下空间、环境、设备等信息的全面感知,但是目前的各类矿用传感器存在体积大、质量重、功能单一等问题,而仿生感知技术有望在煤矿井下机器人的智能感知与险情识别中发挥重要作用。具体而言,可以基于新型仿生感知技术研发适用于煤矿井下机器人的各类防爆、高精度、高可靠性传感器,构建视、听、触、嗅等多模态融合的智能感知系统,实现煤矿井下机器人对周围环境(地形、温度、湿度、声、光、有毒气体等)的全域感知以及对自身作业状态的全方位监测;同时参考生物大脑对各种感觉信息的整合处理机制,运用智能算法构建基于大数据的多元信息智能挖掘分析系统,实现瓦斯、煤尘、矿压、水、火和地质等灾害的智能研判与预警。
 
(4) 智能化自主作业的应用。“智慧矿山”是未来煤矿的重要发展趋势,煤矿机器人的智能化、自主化则是煤矿智能开采的核心之一。自主性能差、智能水平低仍是目前煤矿井下机器人研发应用中最具挑战性的关键问题,而仿生智能无疑将在推动未来煤矿机器人向智能模式发展中获得广泛应用。将神经网络、脑机接口、类脑智能等前沿生物智能技术融入煤矿井下机器人系统,并结合智能感知系统可以极大地提高机器人的自主性能,有助于实现煤矿井下机器人的自主识别、自主控制和自主运行。此外,群体智能技术可广泛应用于掘进工作面机器人群、采煤工作面机器人群、矿车无人驾驶系统、矿用自动装载系统等机器人集群作业,实现井下各工种、装备间的任务调度与协同作业。
 
这项研究得到了国家重点研发计划、山东省重点研发计划的资金支持。成果以《煤矿井下仿生机器人技术应用与前景分析》为题(点击查看) 在《煤炭学报》进行了网络首发。
免责声明:
本网站部分内容来源于合作媒体、企业机构、网友提供和互联网的公开资料等,仅供参考。本网站对站内所有资讯的内容、观点保持中立,不对内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。如果有侵权等问题,请及时联系我们,我们将在收到通知后第一时间妥善处理该部分内容。
关于我们