【WRC 大咖观点】陆文涛《煤矿机器人的应用实践》

编者按：

2022世界机器人大会主论坛群星璀璨，产、学、研各领域大咖齐聚首，共话巅峰，为机器人未来发展领航。

峰会现场，中信重工开诚智能装备有限公司董事长陆文涛发表了题为《煤矿机器人的应用实践》的演讲。以下为陆文涛演讲内容的整理。

灾事故探测，以及采空区封闭工作面起风、井巷修复等危险作业区域环境探测。

同时，随着机器人种类越来越多，为了便于机器人的管理和维护，我们还提供机器人云平台。机器人云平台是结合虚拟现实、数据采集和数字孪生技术，用数字化的手段结合现场实际建设各类监控系统内容，实现虚拟场景关键指标、生产状态和真实场景孪生映射，达到信息管理集控化、监控内容可视化和信息获取及时化的目的。上面向大家展示是基于GES和数字孪生实现机器人云平台的展示，可以对煤矿多品种多款机器人进行管理。

刚才向大家报告的是煤矿机器人应用简单的实践，煤矿机器人在实际应用中还要通过人工智能进行驱动。如何让机器人像人一样感知和理解，我们在机器人中使用人工智能相关技术，通过视觉、触觉、嗅觉、听觉等方式感知环境，然后提取相应特征多模态融合，完成对场景理解，模仿人去完成工作。我们识别目标主要涵盖人员安全、设备安全、生产过程安全和环境安全相关因素。人工智能在煤矿机器人领域解决主要关键问题，包括检测人员穿戴是否安全、危险行为等，生产过程中皮带跑偏、堆煤、泄漏、喷射等检测，阀门、电机、线路仪表、异常声音等设备状态的安全检测。

在实现机器人智能化过程，我们使用了以下相关技术，包括图像处理技术、音频处理技术、机器学习、深度学习，图像领域技术主要是边缘检测、图像分割、形象学处理、特征匹配；音频处理主要是时域分析、频域分析；机器学习和深度协定主要基于决策树、循环神经网络和卷积神经网络。通过对煤矿井下数据分析和挖掘，建立数据库并逐步完善数据库，通过大数据分析实现智能控制。

这是三个煤矿井下机器人应用主要技术，一是环境感知技术，机器人视觉、听觉、嗅觉、触觉以及空间检测分析和多模态感知融合分析。导航技术主要是利用激光、视觉、管道传感器进行自主导航和避障，智能交互包括AR和VR。

首先是机器人视觉检测分析，主要基于可见光摄像头，对关键过程、目标设备、人员相关检测和异物相关检测。机器人触觉主要是红外热成像技术，它会对煤矿井下旋转部件温度信息进行检测和报警。机器人听觉检测分析主要是声文检测，也就是音频检测，尤其是音频异响的检测，采用Clear Speech自适应动态降噪处理技术，结合音频特征，提取与检测算法识别，判断是否有异常声音。嗅觉技术是机器人集成多参数气体探测传感器和烟雾传感器，能够准确检测环境中的甲烷、硫化氢、一氧化碳、氧气等气体浓度和烟雾是否超线，及时发现气体超标或者气体泄漏进行预警。机器人的空间感知分析主要是通过激光点云，对井下构建，尤其是井下巷道进行检测和分析，机器人集成激光雷达扫描系统，利用三维激光扫描仪对井下巷道进行探测，识别巷道结构面，提取分析倾角、迹长、间距等，监测巷道形变、片帮、底鼓、地位水平、垂直位移等。机器人导航与避障，主要是基于激光SLAM、视觉SLAM和磁导航融合，集成了激光、视觉、惯性等传感器，在井下的水泵房、变电所、运输打巷等不同场景下自主导航避障。多传感器融合技术，实际上是把多种传感器感知到目标进行数据治理，通过数据治理来逐渐提取特征，最后提供逻辑决策。右面这张图是一个应用案例，通过可见光和多线激光融合，提高识别准确率，降低单一传感器因环境变化导致的误检概率。

智能交互首先是VR技术，也就是通过全景摄像装置展示井下全景图像。AR控制基于增强技术AR场景输出，AR在煤矿中应用将真实煤矿关键场景和虚拟世界信息无缝集成增强现实技术。AR模拟仿真将真实信息映射到虚拟世界，直观映射真实工作状态。

第四部分是向大家汇报一下煤矿机器人的发展趋势。煤矿机器人当前刚完成了0—1的步骤，虽然经历了很多年，但是到目前刚刚完成0—1的步骤，从1到N我们还有漫长的路要走，所以我提供几点煤矿机器人几个发展方向，并不一定很全。第一是多机器人协同作业技术；第二是机器人智能化以及结构上小型化、模块化；第三可靠通信技术；第四驱动系统高适应性技术；第五安全充电及新能源电池应用；第六防爆材料轻量化。

多机器人协作技术看，当前煤矿井下应用机器人有些巷道、作业面环境非常复杂，任务也非常复杂，通常需要多个或者多种机器人协同作业，随着机器人数量的增加，机器人信息有效处理及决策控制会成为问题。多传感器信息感知、协同轨迹归还、作业碰撞与干涉规避、多机器人多位信息协同和导航算法技术都是当前通用机器人行业已经逐步解决，但是煤矿机器人领域面对这种场景是复杂难题，组织多个机器人完成复杂任务，实现复杂地形环境中多任务协同控制、多机器人协同控制与高效作业，是今后煤矿机器人研究一个新的课题。智能化、小型化和模块化，智能化通过多种智能化技术融合，进一步提升机器人智能化水平，提升对环境的适应性，使煤矿井下机器人替代人更广泛，这是当前一个主要的发展路径。第二是小型化，在保证机器人功能的基础上，尽量使机器人小型化，增加机器人的灵活性。第三是模块化，采用模块化设计，更换不同模块即可实现不同功能，增加机器人的通用性。通讯技术，煤矿井下当前发展通讯主要是4G、5G、WiFi6，目前这些技术也在做融合，在不同场景下不同技术有可靠性的基础，机器人随着通讯技术可靠性逐渐延伸使用环境。

第四是驱动系统的适应性技术。煤矿井下环境复杂恶劣，所以机器人动力学建模较为困难，运动适应性差，整机能耗高，所以效率低下，机器人运动稳定性差，面对环境单一驱动方式，很多场景下无法满足，因此需要研究适用于煤矿环境复合驱动技术，比如说轮腿式、仿生式。安全充电与新能源电池，充电在通用行业，充电是一个很简单的问题，但是煤矿井下充电安全性已经被提了严格要求和限制，如何进一步提高煤矿机器人充电安全性，使煤矿井下更广泛应用机器人，这是当前非常重要的课题。第二为了让机器人更轻便，如何来采用新能源的电池，比如说纳米电池、石墨烯电池，让机器人更轻便更小巧。最后一点也是希望机器人更轻便也就是防爆材料轻量化，目前机器人基本采用隔爆型，目前材料采用Q235钢板，它比较笨重，导致整个机器人比较笨重。所以要研究新非金属材料或者是轻制金属材料，来把机器人变的更轻便。

随着机器人等智能科技不断发展和成熟，煤矿机器人及智能化装备必将越来越多地应用到实际生产中，实现各生产管理环节的智能化运行。未来，科学院所、大学、装备制造企业、煤矿使用单位将展开更深入的合作，围绕煤矿生产管理需求发挥技术创新优势，研制出更多适用于不同场景煤矿智能机器人，推动煤矿行业的转型升级和高质量发展。

以上是我汇报的内容，不足之处还请大家指正，谢谢！

—— 陆文涛