机器人与煤矿如何深度融合？
目前，全国已有370余处矿井应用了巡检、喷浆、钻锚、灭火、救援等共计31种煤矿机器人。机器人领域的精准控制、定位导航、机器视觉、自主决策等新技术在矿山行业推广，助力煤机装备企业实现了智能化和机器人化升级。智能化建设减人增安效果不断显现，自2016年以来，全国煤矿井下危险繁重岗位作业人员减少37万人。
从后面看，只是一辆行驶缓慢的普通方形小车；到前面才发现，这辆小车没有驾驶室，也没有司机。当记者乘坐的车故意停在这辆小车前面，小车没有“发怒”直接撞上来，而是“脾气很好”地绕道行驶。
这是记者日前在陕煤集团小保当矿业公司厂区看到的场景。这个小车就是小保当矿业公司应用的智慧配送机器人。它可以按照提前规划的路线，帮职工“跑腿”，配送零部件。
不只是地面，如今，在煤矿，越来越多的机器人“忙碌”起来。
智能仓储机器人
全国已有370余处矿井应用31种煤矿机器人
谈到煤矿机器人，大多数专家都会提到2019年1月由原国家煤矿安全监察局发布的《煤矿机器人重点研发目录》。《目录》列出了5类38种重点研发煤矿机器人。
2020年2月，国家发改委、国家能源局、应急管理部等八部门印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，提出将机器人等与现代煤炭开发利用深度融合。
今年1月，工信部、应急管理部、国家矿山安监局等17部门联合印发的《“机器人+”应用行动实施方案》提出，聚焦十大应用重点领域，突破100种以上机器人创新应用技术及解决方案，推广200个以上具有较高技术水平、创新应用模式和显著应用成效的机器人典型应用场景。包括煤炭在内的能源是十大应用重点领域之一。
系列政策文件的出台，推动煤矿机器人研发应用快速发展。
国家矿山安全监察局安全基础司二级巡视员陆南介绍，目前，全国已有370余处矿井应用了巡检、喷浆、钻锚、灭火、救援等共计31种煤矿机器人，智能化建设减人增安效果不断显现。
重点煤炭企业因企制宜，加大资金投入力度，推进智能化建设，探索应用煤矿机器人的无限可能。
山东能源集团总经理助理王立才介绍，2021年以来，山东能源集团累计投入100多亿元，推进煤矿智能化建设，加快煤矿机器人在运输、供电、排水、选矸等场景应用，在用各类煤矿机器人72台（套）。2020年全国煤矿智能化建设现场推进会召开以来，该集团累计减少井下作业人员1.2万人。目前，山东能源集团6处矿井单班入井人数控制在100人以内，20处矿井单班入井人数控制在200人以内。
国家能源集团神东煤炭公司智能技术中心主任崔亚仲介绍，目前，神东煤炭公司已应用30种195台（套）机器人，其中79台（套）辅助作业类机器人代替人工进行掘进辅助搬运、水仓清淤、电缆收放和单元支架搬运等重体力作业。
神东煤炭公司在锦界、布尔台、补连塔和哈拉沟选煤厂主厂房各安装应用1台挂轨式巡检机器人，上湾选煤厂应用四足仿生巡检机器人，实现区域自动巡检和智能识别。大柳塔选煤厂应用捡矸机器人，代替捡矸工2人。
陕煤集团神木柠条塔矿业公司副总经理谭震介绍，该公司推进机器人集群应用，构建了面向矿区生产、安全、生活的采煤、掘进、辅助作业等八大机器人群；提出“群间任务调度、群内任务编排、突发任务触发”的机器人群分级管控策略，初步建成机器人集群管控体系；构建井上井下和空中立体式机器人集群服务格局，应用40余台（套）机器人。
瓦斯抽采钻孔机器人
巡检机器人发展最成熟，隔爆外壳轻量化、续航等亟需突破
“整体来看，矿山机器人的发展正处于爬坡过坎的关键时期，机器人技术的新场景应用有待突破，机器人企业的产品力有待加强，矿山机器人标准体系有待完善，产品的适用性、稳定性、可靠性有待提高。”陆南说。
即便煤矿机器人已在许多矿井得到应用，但整体而言仍处于初级发展阶段。
“巡检类机器人发展最为成熟，辅助作业类机器人成为发展的重要方向。”中国工程院院士、中国煤炭科工集团首席科学家王国法说，巡检机器人现已广泛替代人工进行工作面、带式输送机、巷道、变电所和水泵房等场所巡检，助力矿井实现多岗位无人值守。
巡检机器人发展最为成熟，一方面是应用场景相对简单，技术相对成熟，另一方面也与需求相关。
北京天玛智控科技股份有限公司主任工程师任伟介绍，他们通过调研发现，巡检机器人功能需求占比达55%，其中移动视频监控35%，三维激光扫描3%，声音检测5%，惯性导航直线度6%，机头大块煤拥堵监测6%。
王国法表示，目前，煤矿机器人研发应用还存在7项共性关键技术需要突破，分别是隔爆外壳轻量化技术、煤矿机器人电磁兼容、煤矿机器人动力可靠关键技术、射频电磁能防爆安全研究、煤矿机器人功能安全、运移与越障、重载执行机构。
“煤矿机器人最特殊的要求就是防爆。”王国法说，巡检机器人隔爆外壳占整体重量的40%左右，严重影响机器人使用效能。不同类型纤维增强复合材料作为隔爆外壳、轻型隔爆外壳关键部件防爆设计、批量化生产与质量控制等相关课题都需要深入研究。
机器人不怕危险、任劳任怨，但事实上，机器人也“知疲倦”。
任伟介绍，他们在榆家梁矿薄煤层工作面开展的工业性试验显示，研发的视频机器人工作面感知（声音、温度、图像）正常，可以替代人进行工作面快速巡检和跟机巡检。但目前视频机器人的最大续航时间今晚3.5小时，与现场普遍要求的8小时续航有不小差距。
据了解，现有井下防爆机器人大部分采用锂电池。锂电池有泄压、着火，甚至爆炸的可能。大多数锂电池安全事故发生在充电环节。机器人锂电池电源井下充电缺乏依据。
“机器人井下充电应为无人操作，应具备更高安全等级。”王国法说，防爆结构经常打开，难以保证隔爆的有效性。煤矿机器人动力可靠关键技术需要深入研究。
“中国工业机器人自主品牌市场占有率长期徘徊在30%左右。高端领域中，弧焊机器人自主品牌占比19.4%，点焊机器人自主品牌占比2.6%。”中国机器人产业联盟执行理事长宋晓刚介绍，近年来，我国机器人产业持续发展，工业机器人市场占全球市场的56%，但自主品牌市场占比低且无明显进展，高端产品供给不足等问题仍存在。
煤矿机器人领域亦如此。中煤科工机器人科技有限公司副总经理王雷介绍，现阶段煤矿机器人依然面临着国产感知单元低能力、传统算力平台功耗高、核心控制系统依赖进口等诸多问题，整体国产化率仅为70%左右。
3月下旬，中国煤科所属机器人公司、沈阳研究院、常州研究院联合华为、科大讯飞、海康威视发布国内首套全国产化煤矿机器人解决方案——领航者3巡检机器人。
迈向高端化，实现从“有”到“优”
巷道修复机器人
煤矿机器人未来发展趋势如何？机器人如何与煤矿实现深度融合？
宋晓刚表示，要发挥我国政治体制和市场优势，供需协同发力，以应用促进产业链之间、新兴技术协同创新，补齐短板，强化弱项，向高端化、智能化发展，提高市场占有率和高端产品供给能力，实现从“有”到“优”，赋能制造业、服务业智能化转型。
“型号谱系化、功能专用化、装备智能化、作业自主化、任务协同化将是今后煤矿机器人的发展趋势。”山东大学控制科学与工程学院机器人研究中心主任李贻斌说，型号谱系化就是要发展适用于各种复杂地质条件的煤矿机器人，可以先让机器人干好一种活儿，避免系统过于复杂，影响可靠性。
深圳市智能机器人研究院院长席宁表示，煤矿的非结构性环境是其应用的难点之一，会对机器人的感知、控制、规划等产生影响。
在感知方面，惯性导航技术是克服井下粉尘多、照度低等困难的有效手段。惯性导航技术应用一段时间后会漂移，可结合激光等现有感知技术进行矫正。在控制方面，可将基于时间的控制，变为基于事件的控制。
席宁解释道，基于时间的控制就是提前规划好机器人什么时间做什么事情，但现实中可能遇到障碍，机器人不能开展下一步工作，导致误差越来越大，必须关闭机器人。基于事件的控制，则是以传感器数据为依据，将位置、距离作为参照系。这样，当遇到障碍时，误差是定值，障碍移除后，机器人还可以继续执行任务。
在规划方面，席宁表示，应加强人与机器人的协调控制。“机器人再自主也需要人，要解决的问题不是代替人，而是找到一种更合适的方式，让人与机器人更好地协同工作。”席宁说。
中国科学院深圳先进技术研究院机器人与智能装备中心主任王卫军也表示，人机协同技术在煤机研发中大有可为。
“将外骨骼技术应用到矿山，机器人可以由穿着外骨骼的人远程操作。”王卫军说，动力外骨骼将在很大程度上减少职业伤害，同时显著提升生产力，在应急救援、设备抢修、人员康复等方面具有广阔的应用前景。
据了解，神东煤炭公司高端设备研发中心就与联合团队一起开发了3款机械外骨骼产品，分别是上肢外骨骼机器人、腰部外骨骼机器人以及下肢外骨骼机器人，主要用于井下安装、生产、搬运和地面单位制造、生产、维修等场景。
“智能化体现在两方面，一个是‘大脑’智能，比如算法、人工智能；另一个是机械智能，就是机器人的结构智能。”英国皇家工程院院士、南方科技大学机器人研究院院长戴建生说，目前，机械智能是限制智能化发展的瓶颈。例如，巡检机器人虽然可适应各种不同环境，采用不同算法，但结构大同小异。
“我国重大工程领域亟需高适应、可重构机器人。”戴建生说，结构可变的矿山变胞机器人可以收集气体、温度、湿度等数据，可收集矿石样本，在巷道巡检与维修、紧急救援等场景发挥作用。
各煤炭相关单位也积极行动起来，推动煤矿机器人研发应用迈上新台阶。
在政策支撑层面，据了解，今年，国家矿山安全监察局将在原5类38种《煤矿机器人重点研发目录》的基础上，出台矿山机器人重点研发目录，组织编制矿山安控类机器人数据共享规范，引导制造企业实现机器人数据互联互通。
科研单位加强煤矿机器人研发。目前，中国煤科机器人科技有限公司正在开展煤仓巡检机器人、回风立井巡检机器人、采空区飞行巡检机器人等特殊场景巡检机器人研发；开展煤仓清理机器人、洗煤厂高低压带电作业机器人、水仓水沟施工机器人等5种辅助机器人研发，解决井下危重场合替人难题，提高作业效率；规划仿生蛇形救援机器人等3种救援机器人研发，应用于煤矿水灾等人员无法进入的场景，完成灾情精准探测。
在企业应用层面，崔亚仲介绍，到2025年，神东煤炭公司要推广应用100台（套）作业类机器人。
柠条塔矿业公司则提出了机器人集群三期建设规划。他们将丰富机器人集群数量和种类，做好“大型煤矿井下巷道辅助作业机器人关键技术与应用示范”项目机器人集成示范工作，探索实用化无人驾驶技术，基于一体化管控平台打造“智能化生产决策控股+井下机器人（智能装备）操作”模式，支撑煤矿柔性生产体系。
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相关政策
2019年1月，原国家煤矿安全监察局发布《煤矿机器人重点研发目录》。
2020年2月，国家发改委、国家能源局、应急管理部等8部门印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》。
2021年12月，工业和信息化部、应急管理部、国家矿山安全监察局等15部门印发《“十四五”机器人产业发展规划》。
2022年8月，工业和信息化部办公厅、农业农村部办公厅、国家卫生健康委员会办公厅、国家矿山安全监察局综合司公布农业、建筑、医疗、矿山领域机器人典型应用场景名单，发布20个矿山领域机器人典型应用场景。
2023年1月，工业和信息化部、应急管理部、国家矿山安监局等17部门联合印发《“机器人+”应用行动实施方案》。
行业数据
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