[发明专利]煤矿井下同步穿越机器人

说明书

本发明公开了一种煤矿井下同步穿越机器人，该系统包括前端同步穿越机器人、后端操控平台和矿井通信系统。其中，前端同步穿越机器人布置在矿井工作面中；后端操控平台布置在地面工作机房中，由驾驶员操作；矿井通信系统由局域UWB通信定位系统、光纤系统及矿井环网组成。通过整套高带宽的矿井通信系统，驾驶员的肢体指令信息可与工作面的工况临场信息进行实时交互，驾驶员根据机器人现场获取的信息做出相应的肢体动作，井下机器人根据驾驶员肢体动作信号实时驱动一一对应的机器人关节步进电机旋转，进而完成与驾驶员相对应的同步穿越动作，实现“人在回路”的远程人机同步穿越控制，最终完成所需的矿井工作面无人化作业。

技术领域

本发明涉及一种矿用机器人，特别是涉及一种煤矿井下同步穿越机器人。

背景技术

我国作为世界第一煤炭大国，在未来相当长的时期内，煤矿资源在我国的资源格局中仍会占据着重要地位。我国煤矿从业人员中，从事采煤、掘进、运输、安控等危险、艰苦、繁重、重复性高的工作岗位人员占比在60％以上，一旦发生事故，就会造成重大损失。因此亟需大范围使用具备“自主感知、自主学习、自主决策”的各类作业机器人来大幅度减少井下作业人员，减少人身伤亡事故。煤矿机器人的大规模应用，必将在大幅度降低煤矿事故的基础上有效提升采煤效率，成为解决“事故”难题的关键。因此研发应用煤矿机器人有利于减少井下作业人数、降低安全风险、提高生产效率、减轻矿工劳动强度，有利于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、保障国家能源安全供应、建设安全高效绿色智慧矿山具有重要意义。

但是，煤矿井下工况条件十分复杂，各工种间的配合要求程度很高。因此，以传统方式开发完全自主化的各类煤矿井下机器人，旨在完全替代矿井工人是极其困难的；以电脑完全代替人脑协调地处理井下各方面的海量复杂信息，研发出煤矿井下完全无人干预的理想矿井机器人是极难实现的，煤矿机器人独立自主地完成复杂任务甚至是不可能的。这主要是由以下两方面的因素造成的：1)煤矿机器人所处的井下环境往往具有复杂性、动态性和不可预测性；2)煤矿机器人对环境感知的不可靠性、与环境交互过程中产生的不确定性。传统的示教再现或预编程作业方式因对环境的适应能力差，只能从事一些简单重复的工作。而由于受计算机、控制、人工智能和机构等关键支撑技术发展的制约，目前研制出能在非结构化环境下进行完全自主工作的全自主煤矿机器人这一目标还难以实现。此外，难以实现全工种的煤矿机器人同步研发，这就导致煤矿开采中的各个环节自动化程度极不均衡，难以实现煤炭开采的技术革命。

因此，为了保障高效绿色智慧煤矿的实现，有必要开展一种煤矿井下机器人研发的新思路。在这种情况下，一个自然的构想是将人的经验智慧和机器人的智能结合起来，将人作为控制系统中的一个环节参与到机器人的控制中，利用人脑进行高层次的任务规划和命令设计，利用机器人完成任务执行工作，这样既发挥了人类智能的关键性决策作用，也可发挥机器人的任务执行能力，实现了人的感知能力和行为能力的延伸，从而可以利用机器人完成非结构化煤矿井下环境中复杂的作业。煤矿井下同步穿越机器人系统就是这样的人机协作系统，这种“人在回路”的遥操作系统相对于完全自主的机器人系统的优点就是使系统具有了人的推理能力、任务规划能力和及时调整的能力，从而减少了系统控制的复杂性，并提高了可靠性。

本发明涉及一种以人脑为决策单元，高清图像音频等传感器为感知单元，物理机械机构为执行单元，高带宽的无线电传输模块为通信单元的通用型煤矿井下同步穿越机器人。使得矿井机械设备真正成为人类肢体的延伸，进而实现煤矿井下完全无人化作业的终极状态。此通用型的煤矿同步穿越机器人的另一个现实意义在于，对现有煤矿所投入的所有设备无需更新换代，以机器人的机械机构代替工人的肢体进行同步穿越操控原有设备，进而节省巨大的设备换代成本。

鉴于现有煤矿发展现状和迫切需求，为了实现矿井工作面的无人化作业，将矿井工作人员彻底从矿井危险工作面的繁重危险的工作中解救出来，经过不断的研究及设计，并经反复试验及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容