研发应用煤矿机器人，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，保障国家能源安全具有重要意义。然而，煤矿井下存在爆炸性气体环境、非结构化地形、封闭受限空间等不利因素，给机器人研发带来了严峻挑战；此外，煤矿用户对机器人产品的稳定性及安全性要求极高，导致煤矿机器人研发整体难度大、研发周期长。
2019年1月，原国家煤矿安全监察局发布了《煤矿机器人重点研发目录》，其中煤矿危险气体巡检机器人是安控类机器人的重要分支。长期以来，晋能控股集团所属单位进行的煤矿井下危险气体探测主要依赖人工，特别是在掘进巷道探测、密闭启封、老空区揭露、旧井巷修复等作业过程中，均需派瓦检员或救护队员进行危险区域的环境探测，此类人工探测存在危险性高、作业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，晋能控股集团自2014年开始立项研发煤矿危险气体巡检机器人，并获得国家“863计划”项目的资助。
01 煤矿危险气体巡检机器人技术瓶颈
行走机构性能与可靠性间的矛盾
理论上，煤矿危险气体巡检机器人的移动底盘机构越复杂、自由度越高，则其地形适应性越好、越障性能越高。《摇杆式移动机器人的齿轮式差动机构研究》一文在常规轮式、履带式行走机构的基础上进行了拓扑推衍，并在履带式行走机构中引入摇杆悬架，研制了四履带双摆臂式、六履带四摆臂式及摇杆履带式等复杂行走机构。但此类复杂构型的行走机构驱动电机多，同时多履带、多摆臂的机械结构设计及控制难度大，在高瓦斯、煤泥、水浸等井下恶劣环境中，巡检机器人整机的可靠性将大幅降低。因此，煤矿危险气体巡检机器人移动底盘的设计需反复优化，在越障性能和可靠性间达到平衡，以提高机器人井下复杂工况的适用性。
机器人远程通信与控制难度大
煤矿井下移动机器人通信主要依赖有线光纤拖缆和无线通信2种方式。其中，有线光纤拖缆是通过光纤卷放机构携带光纤盘，在机器人行走过程中依靠拖拽力被动释放，其优点是光纤传输数据容量大，通信效果好，巡检机器人各类传感器数据和视频通信较为流畅；然而，光缆在机器人拖拽过程中容易折断，且光纤释放容易，卷盘回收难，机器人在井下前进过程中如要后退或频繁拐弯，会加大光纤与机器人缠绕卡阻的风险。而无线通信技术又面临通信距离短，在井下狭长巷道空间内信号衰减明显等问题。同时，由于长距离遥操作过程中的通信系统延迟效应，加大了机器人行走控制的难度，需要研发高性能远程通信、控制系统。
防爆设计与续航能力间的矛盾
煤矿危险气体巡检机器人的本体由移动底盘和电气防爆箱体等部分组成，防爆本体是关系机器人行走性能和防爆强度的关键组成部分。理论上，机器人的整机尺寸，特别是履带尺寸越大，其机动性及越障性能越好，可携带的电池量越多，续航里程也越大。但由于现行防爆设计相关标准的限制，较大的整机尺寸在进行防爆处理后，因其自重较大，反而会降低机器人行走机构的机动性、越障性及续航里程。为解决这一问题，需要对巡检机器人整机进行优化设计，通过考虑自重、电池容量、驱动效率、防护标准等多因素耦合影响，以得到煤矿危险气体巡检机器人的最优设计方案。
巡检机器人应用缺少科学规范
目前，只有固定轨道式煤矿危险气体巡检机器人具有矿用产品安标证书，但仍未在煤矿大规模列装和常态化应用。而移动式煤矿危险气体巡检机器人技术难度更大，因此需要通过大量工业性试验，验证其安全性、可靠性和适用性，且需通过煤矿企业现场实际应用，来进一步改进机器人设计和制造工艺；为规范煤矿危险气体巡检机器人的应用，提出巡检机器人井下应用规范，研究机器人巡检信息与矿井监测监控系统及人工巡检信息间的匹配和校准问题，建立煤矿巡检机器人维护、保养规程，构建基于煤矿机器人的井下危险气体与环境探测新机制。
02 煤矿危险气体巡检机器人研发设计方案
通过前期的调查研究，获得井下巷道危险区域的地形和环境参数特征，研究梳理了井下危险区域环境探测功能需求，形成了适合煤矿现场应用的危险气体巡检机器人细化设计指标，优化形成了适用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。煤矿危险气体巡检机器人详细技术指标如下：具备井下全地形行走能力，最大行走速度不低于1.5 m/s，最大越障高度不低于250 mm，连续行走时间不低于2 h，最大涉水深度不低于350 mm；煤矿危险气体巡检机器人主要采用远距离无线遥控方式控制，在平直巷道环境中有效通信距离不低于300 m；煤矿危险气体巡检机器人应具备可探测甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧气浓度，温度、湿度、压差等环境参数信息，以及红外图像采集功能。
机器人样机研制
通过研究煤矿危险气体巡检机器人的关键技术，优化设计了高机动性履带式移动底盘，满足机器人越障要求，研发了高效率机器人传动、驱动系统，提升了机器人续航能力，研制出了煤矿危险气体巡检机器人样机如图1所示。通过研究井下封闭空间内机器人通信和高可靠性机器人控制技术，及适用于煤矿机器人平台的井下环境感知技术，设计出隔爆型通信中继装置和矿用本安型手持控制终端如图2、图3所示，该装置和终端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。
图1 煤矿危险气体巡检机器人样机
图2 矿用隔爆型通信中继装置
图3 矿用本安手持终端
03 煤矿危险气体巡检机器人应用
巡检作业新机制
为充分发挥煤矿危险气体巡检机器人的效益，借鉴“平战结合”思想，按照“平时能服务、急时能应急、险时能应战”的要求，围绕提升全矿井危险区域环境巡检探测能力，将煤矿危险气体巡检机器人的巡检功能运用到矿井生产、安全防护和险情排查救援中，建立日常培训、应急演练、应急征用机制。日常状态下煤矿危险气体巡检机器人由矿井救护队保管和使用，矿井机电部协助进行机器人设备的维护和保养，建立煤矿企业用户、机器人研发制造机构及集团救护大队等多方联动的协同应用机制，提升机器人巡检和应急救援效率。
此外，将煤矿井下危险气体巡检划分为常规、危险和灾后3种不同工况，其中：常规工况指井下巷道通风良好区域；危险工况指局部通风不佳等因素，导致有害气体聚集的场所；灾后工况指发生事故后的井下极端危险区域。由于煤矿安全规程和不同检测区域对设备、人员安全保障的不同要求，因此提出了针对不同工况和区域的巡检机器人具体应用方案，结合煤矿瓦检员工作要求和煤矿事故应急预案，开展了煤矿机器人应用过程中的具体问题处置研究，构建了基于巡检机器人的智能化矿井巡检作业新机制。图4为煤矿危险气体巡检机器人在常规工况下的巡检作业。
图4 煤矿危险气体巡检机器人常规工况下巡检作业
基于机器人的瓦斯检查新制度
研究提出了基于煤矿危险气体巡检机器人的多级瓦斯巡检方案，该方案是对现有的三级瓦斯检查检测制度的补充，以提高全矿井瓦斯检查的效率和准确性，提升煤矿安全生产水平。研究了煤矿危险气体巡检机器人与人工巡检和瓦斯监测监控系统间的信息交互、匹配和数据信任优先级等问题。煤矿危险气体巡检机器人巡检信息路径及矿井巡检信息综合研判机制入图5所示，通过移动机器人平台实现了危险气体和环境信息的机器人端实时采集和初步智能辨识。 煤矿危险气体巡检机器人本体和无线信号发射中继装置间采用双通道无线通信，传递图像数据和控制信号；同时，机器人控制和信号显示存储终端也可通过巷道中布置的2.4 G热点，实现机器人自身状态、控制参量和测量结果数据的网络上传，具体数据传输机制如图6所示。
图5 机器人巡检信息路径及综合研判机制
图6 煤矿危险气体巡检机器人数据传输机制示意
矿井通风和安全部门获取海量多维信息后，分别对监测监控信息、机器人巡检信息和人工巡检信息进行预处理，其数据信任度优先级设置分别为：人工巡检信息 > 机器人巡检信息 > 监测监控信息。其中，人工信息准确度和可靠性最高，机器人巡检信息可对人工巡检信息起到有效的补充，且机器人在井下具有较强的移动性，其巡检区域更灵活，信息获取的范围要大于井下固定布设的监测监控系统，因此，机器人巡检信息可靠度要优先于监测监控信息。随着未来煤矿危险气体巡检机器人技术的进步及在煤矿的大规模推广应用，其数据准确性将进一步提高，可适时修改数据信任度优先等级，将机器人巡检信息列为最优级。
04 结语
晋能控股集团研发的煤矿危险气体巡检机器人具备全地形移动和越障能力，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，能在煤矿井下爆炸性气体环境中开展巡检、探测作业，可适用于煤矿巷道的日常瓦斯气体巡检、煤矿危险区域探测（如密闭启封、盲巷探测、老空区揭露、巷道贯通、旧巷道修复等）。同时，煤矿危险气体巡检机器人还可用于煤矿灾后事故救援，特别是在发生煤矿瓦斯、煤尘爆炸及火灾事故后，可替代救护队员深入灾害核心区，探测并回传实时的现场灾情信息，为救护队员的下井作业和救援工作的开展提供科学的决策依据。通过煤矿危险气体巡检机器人的研发应用，验证了机器人替代人工的实际效果，通过总结经验，为其他各类煤矿机器人的研发和推广应用提供了重要参考。