王 雷

（中煤科工機(jī)器人科技有限公司，廣東 深圳 518000）

機(jī)器人被譽(yù)為是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，已成為全球新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的重要切入點(diǎn)。機(jī)器人目前可分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人3 類(lèi)：工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為生產(chǎn)線上不可或缺的一員；服務(wù)機(jī)器人則是人工智能技術(shù)在服務(wù)業(yè)的典型應(yīng)用；特種機(jī)器人則代表了機(jī)器人技術(shù)在極端環(huán)境下的應(yīng)用。機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用不但體現(xiàn)了人類(lèi)使用工具的進(jìn)步，也是與當(dāng)代最前沿科技結(jié)合成果的集中表現(xiàn)。一直處于創(chuàng)新應(yīng)用前沿的新材料、復(fù)雜機(jī)械、電氣技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能等相關(guān)技術(shù)，都將與機(jī)器人緊密融合，為機(jī)器人領(lǐng)域提供了無(wú)限可能，為人類(lèi)工作生活帶來(lái)極大便利，也為人類(lèi)帶來(lái)前所未有的生產(chǎn)力和生活體驗(yàn)。煤礦機(jī)器人作為特種機(jī)器人的一種，應(yīng)用環(huán)境更惡劣、任務(wù)更復(fù)雜隨機(jī)，離散化特征明顯，智能化需求邊界更加廣泛，研發(fā)難度更大，技術(shù)與產(chǎn)業(yè)方面仍存在一定痛點(diǎn)。王國(guó)法院士在煤礦智能化十大“痛點(diǎn)”解析及對(duì)策中指出，煤礦機(jī)器人基礎(chǔ)共性關(guān)鍵技術(shù)存在諸多“瓶頸”，如機(jī)器人動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、可靠行走機(jī)構(gòu)、高效精準(zhǔn)定位等相關(guān)技術(shù)尚未突破[1]；葛世榮院士通過(guò)對(duì)煤礦機(jī)器人體系及關(guān)鍵技術(shù)的研究梳理，在闡明煤礦機(jī)器人共性關(guān)鍵技術(shù)同時(shí)，指明了煤礦機(jī)器人必須專(zhuān)注于卡脖子技術(shù)研發(fā)，提高產(chǎn)品質(zhì)量[2]。

基于此，我國(guó)在煤礦機(jī)器人領(lǐng)域需深度剖析場(chǎng)景特征，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品智能化開(kāi)發(fā)的同時(shí)；還需要在技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)協(xié)同等方面，進(jìn)行更深入的研究和探索。

1 機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀

“機(jī)器人+”大時(shí)代加速來(lái)臨，當(dāng)前正處于機(jī)器人技術(shù)爆發(fā)期。分析全球及中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模及增長(zhǎng)率發(fā)現(xiàn)，從2018 年到2022 年，機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模不斷增大[3]。其中，工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)逐年穩(wěn)步增長(zhǎng)，增速平穩(wěn)，一直是機(jī)器人行業(yè)發(fā)展最快的領(lǐng)域；服務(wù)機(jī)器人存在巨大市場(chǎng)潛力及發(fā)展空間，由于消費(fèi)者需求逐步增多，未來(lái)規(guī)模有望迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)；特種機(jī)器人因?yàn)槟転槠渌袠I(yè)帶來(lái)顛覆性變革，將成為國(guó)內(nèi)機(jī)器人未來(lái)發(fā)展的重中之重。

1.1 我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

機(jī)器人領(lǐng)域同樣是我國(guó)競(jìng)爭(zhēng)程度最為激烈的技術(shù)高地，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭猛烈，參與者眾多。機(jī)器人企業(yè)數(shù)量增速較快，從整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的情況來(lái)看，超8 成的機(jī)器人相關(guān)企業(yè)成立于5年內(nèi)。從地域分布看，以廣東、江蘇及山東省機(jī)器人企業(yè)數(shù)量最多，深圳作為國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的核心聚集地之一，相關(guān)企業(yè)有3.07 萬(wàn)家。服務(wù)機(jī)器人是當(dāng)前熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)初創(chuàng)企業(yè)接近4 成比例選擇從服務(wù)機(jī)器人的整機(jī)系統(tǒng)集成賽道進(jìn)入行業(yè)[4-7]。

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)園區(qū)對(duì)于打造智能制造產(chǎn)業(yè)集群、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著重要意義，更是地區(qū)科技發(fā)展強(qiáng)弱的體現(xiàn)之一。我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)園區(qū)多分布在長(zhǎng)三角、珠三角和京津冀地區(qū)，具有代表性的產(chǎn)業(yè)園區(qū)有昆山高新區(qū)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)園、上海機(jī)器人產(chǎn)業(yè)園、南山機(jī)器人產(chǎn)業(yè)園、寶安機(jī)器人制造產(chǎn)業(yè)園、中關(guān)村機(jī)器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心等，優(yōu)勢(shì)賽道多為核心零部件、人工智能方面。東北、中部以及西部地區(qū)產(chǎn)業(yè)園區(qū)分布較少。

機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展已上升為國(guó)家戰(zhàn)略，各政策明確提出要把機(jī)器人作為重點(diǎn)科技項(xiàng)目推進(jìn)，清晰指向機(jī)器人與行業(yè)深度融合。近5 年，中央各部委密集連續(xù)發(fā)文，綜合及專(zhuān)項(xiàng)性政策數(shù)量約為20 個(gè)，指向用機(jī)器人智能化、無(wú)人化改造傳統(tǒng)行業(yè)。特別是2023 年1 月份，由工信部、發(fā)改委等17 部門(mén)聯(lián)合發(fā)布的《“機(jī)器人+”應(yīng)用行動(dòng)實(shí)施方案》。在方案中提出了機(jī)器人與制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、能源、醫(yī)療、安全應(yīng)急和極限環(huán)境應(yīng)用等10 大產(chǎn)業(yè)融合的規(guī)劃，由此可見(jiàn)，深化各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域“機(jī)器人+”應(yīng)用是機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)。從傳統(tǒng)行業(yè)改造優(yōu)先級(jí)來(lái)看，煤炭、有色金屬、非金屬礦山等事關(guān)國(guó)家能源安全且作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大、強(qiáng)度高的行業(yè)排名靠前。目前，“機(jī)器人+”已經(jīng)逐步在10大產(chǎn)業(yè)落地應(yīng)用，開(kāi)發(fā)的機(jī)器人產(chǎn)品超200 個(gè)種類(lèi)，需求愈發(fā)廣泛。

“機(jī)器人+場(chǎng)景”的深度應(yīng)用，既是機(jī)器人發(fā)展的重要方向，也是各行業(yè)智能化發(fā)展的重要方向。在此基礎(chǔ)上，“機(jī)器人+”各行業(yè)的組織、方陣或聯(lián)盟應(yīng)運(yùn)而生，近2 年約有8 個(gè)相關(guān)組織成立。其中的典型代表是于2023 年3 月24 日在深圳成立的中國(guó)“機(jī)器人+礦山”產(chǎn)業(yè)協(xié)同推進(jìn)方陣，推動(dòng)了機(jī)器人與煤炭行業(yè)深度融合。

1.2 國(guó)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)大廠入局機(jī)器人情況

國(guó)內(nèi)科技型企業(yè)入局機(jī)器人情況見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)科技型企業(yè)入局機(jī)器人情況Table 1 Inbound robot situation of domestic scientific and technological enterprises

縱觀國(guó)內(nèi)機(jī)器人行業(yè)變化可以發(fā)現(xiàn)，中國(guó)10余家最具代表性的科技型公司都已經(jīng)紛紛踏入機(jī)器人領(lǐng)域。華為、騰訊、字節(jié)跳動(dòng)等都在大模型及算法方面布局，去支撐“AI+行業(yè)”；由?？低暡鸱殖龊？禉C(jī)器人公司，主要從事工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中的機(jī)器視覺(jué)與移動(dòng)機(jī)器人部分?；ヂ?lián)網(wǎng)和制造業(yè)大廠紛紛布局機(jī)器人、進(jìn)軍新賽道，都將大模型、AI 等與機(jī)器人的結(jié)合放在了非常關(guān)鍵的位置，以獲得新領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，利用新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，獲得新的增長(zhǎng)空間；提高原有產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，加寬加深建立護(hù)城河，進(jìn)一步做大做強(qiáng)主業(yè)。

綜上，在當(dāng)前形勢(shì)下，也需要煤炭行業(yè)的相關(guān)企業(yè)一起來(lái)深度思考，煤礦機(jī)器人產(chǎn)業(yè)到底應(yīng)該如何發(fā)展。思考背后的原因不難發(fā)現(xiàn)，各大廠的入局，能夠證明這種做法有利于原有產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展，形成核心競(jìng)爭(zhēng)力，形成新的產(chǎn)品線；同時(shí)，將云技術(shù)、AI 人工智能技術(shù)等與機(jī)器人的結(jié)合，將帶來(lái)新的價(jià)值鏈、技術(shù)、架構(gòu)、體驗(yàn)和新商業(yè)模式；更重要的是，說(shuō)明了機(jī)器人本身的技術(shù)正逐步走向成熟，能夠顛覆傳統(tǒng)技術(shù)，融合到行業(yè)中去實(shí)現(xiàn)載體作用，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界與物理世界的交互。由此可見(jiàn)，“機(jī)器人+AI+云”是煤礦機(jī)器人發(fā)展不斷滿(mǎn)足應(yīng)用場(chǎng)景需求復(fù)雜化的必然趨勢(shì)，將能夠快速拉動(dòng)煤炭行業(yè)和相關(guān)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，為煤礦機(jī)器人的落地應(yīng)用締造更多的拓展空間，也為制造業(yè)的提升起到了良好的推動(dòng)作用。

2 煤礦機(jī)器人技術(shù)及產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)

機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了長(zhǎng)久的迭代才形成現(xiàn)在大家所熟知的機(jī)器人技術(shù)脈絡(luò)和產(chǎn)業(yè)體系。機(jī)器人3 大類(lèi)中，從工業(yè)機(jī)器人到服務(wù)機(jī)器人再到特種機(jī)器人，應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜程度、智能化需求以及研發(fā)難度都是逐漸加強(qiáng)的。工業(yè)機(jī)器人成熟度高，基于良好的作業(yè)環(huán)境和任務(wù)特征，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用；服務(wù)機(jī)器人技術(shù)難度較大，基于環(huán)境特性的智能化程度和抗干擾性方面的要求也更高；相較于工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人，特種機(jī)器人應(yīng)用環(huán)境更惡劣，多為高溫、爆炸、粉塵等極限環(huán)境，技術(shù)難度更大。其背后的邏輯是環(huán)境的復(fù)雜性和任務(wù)的離散性的增加導(dǎo)致研發(fā)難度的遞增。

煤礦機(jī)器人作為特種機(jī)器人的典型代表，在我國(guó)已有相關(guān)研發(fā)生產(chǎn)廠家65 家，具有代表性廠家有中煤科工機(jī)器人有限公司、中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院、中信重工開(kāi)誠(chéng)智能裝備有限公司、山西戴德測(cè)控技術(shù)股份有限公司等。按照2019 年國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布的《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》中5 大類(lèi)38 種煤礦機(jī)器人統(tǒng)計(jì)，雖然已有31 種實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，但也暴露出一定的問(wèn)題，機(jī)器人可靠性和功能性都不能滿(mǎn)足煤礦用戶(hù)的實(shí)際需求，導(dǎo)致煤礦用戶(hù)及外界人士認(rèn)為煤礦機(jī)器人用途不大，甚至是沒(méi)有意義的，嚴(yán)重影響了整個(gè)行業(yè)的發(fā)展[8]。

2.1 煤礦機(jī)器人技術(shù)痛點(diǎn)

煤礦機(jī)器人技術(shù)由共性技術(shù)和工藝性技術(shù)2部分組成。共性技術(shù)主要包括防爆輕量化、智能感知識(shí)別、導(dǎo)航等技術(shù)；工藝性技術(shù)則是面向煤礦典型環(huán)境特征與作業(yè)工藝任務(wù)特征的作業(yè)流程工藝機(jī)器人化。按照中煤科工機(jī)器人公司提出的煤礦機(jī)器人技術(shù)裝備分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)體系，分別對(duì)巡檢類(lèi)、輔助作業(yè)類(lèi)和救援類(lèi)3 大類(lèi)煤礦機(jī)器人進(jìn)行痛點(diǎn)剖析。

1）巡檢類(lèi)機(jī)器人痛點(diǎn)。目前巡檢機(jī)器人在使用過(guò)程中反映出了大量問(wèn)題，從其表象來(lái)看，主要包括：不能完全替代人工巡檢、部分巡檢功能缺失、機(jī)器人續(xù)航時(shí)間短、檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率較低、需要人工查詢(xún)巡檢記錄、機(jī)器人斷網(wǎng)條件下無(wú)法連續(xù)工作、不能打開(kāi)電控柜檢測(cè)內(nèi)部數(shù)據(jù)、與人員交互能力差等方面[9-10]。造成以上問(wèn)題的原因可歸納為2 方面：①應(yīng)用場(chǎng)景的環(huán)境復(fù)雜程度高，比如低光照條件下造成的儀表識(shí)別難度大，高粉塵環(huán)境造成的攝像頭積塵嚴(yán)重導(dǎo)致識(shí)別效果差，帶式輸送機(jī)、電控柜等設(shè)備限制了巡檢空間的大小，對(duì)機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)提出更高要求；②機(jī)器人自身可靠性和智能化水平不足，比如單電芯BMS管理系統(tǒng)可靠性差導(dǎo)致的續(xù)航能力弱，場(chǎng)景發(fā)生變化后算法模型適配有差異而不能及時(shí)調(diào)整導(dǎo)致的行走能力弱，上位機(jī)界面不友好、自身維護(hù)繁瑣導(dǎo)致的不能融入客戶(hù)管理系統(tǒng)，關(guān)鍵傳感單元缺失、與場(chǎng)景融合視覺(jué)識(shí)別、聲音識(shí)別等能力弱導(dǎo)致的自診斷能力差。因此，巡檢類(lèi)煤礦機(jī)器人最大痛點(diǎn)是AI 技術(shù)難以滿(mǎn)足場(chǎng)景化應(yīng)用，不能實(shí)現(xiàn)自分析、自決策。需要提升機(jī)器人本體AI 能力和關(guān)鍵元器件的研發(fā)能力，進(jìn)一步優(yōu)化和開(kāi)發(fā)適用于煤礦機(jī)器人應(yīng)用特征的控制邏輯與算法，以提升機(jī)器人的自我感知和交互能力。

2）輔助作業(yè)類(lèi)機(jī)器人痛點(diǎn)。輔助作業(yè)類(lèi)機(jī)器人是替代煤礦人工非連續(xù)作業(yè)的根本途徑，是實(shí)現(xiàn)全礦井智能化必須攻克的“技術(shù)高地”，對(duì)減少井下危險(xiǎn)作業(yè)崗位、降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度具有決定性支撐作用[11]。輔助作業(yè)機(jī)器人受限于高粉塵、低照度、GPS 拒止、非結(jié)構(gòu)化地形的環(huán)境特征，以及作業(yè)對(duì)象重載荷、連續(xù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、標(biāo)準(zhǔn)化程度低的作業(yè)特征，應(yīng)用過(guò)程中存在大量痛點(diǎn)問(wèn)題。呈現(xiàn)出的表象問(wèn)題就是作業(yè)效果不理想，不能完全自主作業(yè)，不能完全替代某一工序下全部人工，減員增效效果一般?？蓪?dāng)前存在的痛點(diǎn)問(wèn)題歸納為4 個(gè)方面：①機(jī)器人缺少?lài)?yán)格的測(cè)試體系和測(cè)試場(chǎng)地，導(dǎo)致機(jī)器人即使在規(guī)定的工步下其執(zhí)行機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)的自身可靠性也較低，在未知的非結(jié)構(gòu)環(huán)境下也不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)行走；②機(jī)器人與環(huán)境的交互能力弱，如抓管機(jī)器人，在設(shè)定的工藝流程下，若管路放置位置改變，機(jī)械臂路徑并不能隨之變化；③運(yùn)動(dòng)及作業(yè)能力差，機(jī)器人多為重載履帶底盤(pán)，其自主行走還存在移動(dòng)偏移誤差大、定位精確程度不高的問(wèn)題；④控制精度較低，不能實(shí)現(xiàn)“機(jī)器人+場(chǎng)景+工藝/工序”的精細(xì)化仿人控制，如噴漿機(jī)器人的噴漿厚度一致性檢測(cè)準(zhǔn)確率低，依然需要人工參與。因此，煤礦輔助作業(yè)類(lèi)機(jī)器人的最大痛點(diǎn)是場(chǎng)景聚焦后作業(yè)工藝流程復(fù)雜導(dǎo)致的“機(jī)器人+場(chǎng)景”下的技術(shù)開(kāi)發(fā)難度大。目前需要提升產(chǎn)品應(yīng)用連續(xù)性，不斷迭代機(jī)器人應(yīng)用工藝的時(shí)效性，將技術(shù)攻關(guān)解耦到每個(gè)工藝流程，實(shí)現(xiàn)工藝流程的自動(dòng)銜接，提升整機(jī)作業(yè)效果。

3）救援類(lèi)機(jī)器人痛點(diǎn)。不同于巡檢、作業(yè)類(lèi)機(jī)器人，救援類(lèi)機(jī)器人適用于事故災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)[12-13]，未知、狹小等復(fù)雜空間決定了機(jī)器人需具備良好的本體適應(yīng)性和通過(guò)性。目前救援類(lèi)機(jī)器人存在的主要問(wèn)題仍表現(xiàn)在機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)上，如體積較大、驅(qū)動(dòng)能力不足、靈活性較差等；另一痛點(diǎn)是機(jī)器人難以保障有效通信，通信信號(hào)受到災(zāi)后環(huán)境干擾，機(jī)器人應(yīng)用救援距離有限，如何增加中繼系統(tǒng)、保證通信信號(hào)穩(wěn)定、可靠是救援機(jī)器人的難點(diǎn)。救援類(lèi)機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景主要面向水、火、瓦斯、頂板等災(zāi)后非結(jié)構(gòu)化、狹小空間環(huán)境，受限于小型化、輕量化防爆結(jié)構(gòu)，災(zāi)后通信重構(gòu)、多形態(tài)變換驅(qū)動(dòng)及運(yùn)控等技術(shù)難題，研發(fā)與應(yīng)用進(jìn)展緩慢，易用性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到客戶(hù)預(yù)期。

綜上，煤礦機(jī)器人存在的技術(shù)痛點(diǎn)最終反應(yīng)為3 大能力的缺失：①機(jī)器人本體對(duì)于區(qū)域作業(yè)場(chǎng)景下快速建圖及規(guī)劃能力；②與應(yīng)用場(chǎng)景的交互能力；③機(jī)器人融入新環(huán)境后面向數(shù)據(jù)特征形成新的運(yùn)行與作業(yè)能力。這3 種能力是煤礦機(jī)器人可靠性和智能化水平的重要體現(xiàn)。

2.2 煤礦機(jī)器人產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)

煤礦機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是重投入、高利潤(rùn)的技術(shù)、服務(wù)、供應(yīng)鏈、資金密集型產(chǎn)業(yè)。從行業(yè)現(xiàn)狀看，共性技術(shù)供給能力不足、產(chǎn)品研發(fā)支撐能力不足、品質(zhì)持續(xù)提升能力不足及產(chǎn)品應(yīng)用和保障能力不足是造成產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)展緩慢的根本原因[14-15]。

供應(yīng)鏈建設(shè)是煤礦機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。但由于上下游企業(yè)之間信息不對(duì)稱(chēng),供應(yīng)鏈的效率低下，導(dǎo)致其產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度緩慢，難以實(shí)現(xiàn)有效資源配置利用。直接造成供應(yīng)商的質(zhì)量控制和交貨時(shí)間不穩(wěn)定，機(jī)器人研發(fā)成本過(guò)高，給煤礦機(jī)器人的生產(chǎn)和使用帶來(lái)了一定的風(fēng)險(xiǎn)，供應(yīng)鏈的不通暢，嚴(yán)重阻礙煤礦機(jī)器人的普及和應(yīng)用。解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵是要加強(qiáng)供應(yīng)鏈上中下游企業(yè)之間的合作共識(shí)與信息共享,下游提出需求、中游響應(yīng)需求、上游提供可靠支撐，才能做到整個(gè)供應(yīng)鏈的順暢交互，提高效率、降低成本，促進(jìn)煤礦機(jī)器人產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)是煤礦機(jī)器人產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵。目前,煤礦機(jī)器人行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系還不夠完善，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量和安全可靠性難以保證。此外，由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)，煤礦機(jī)器人在使用過(guò)程中也存在數(shù)據(jù)接口方式繁雜、不能接入煤礦客戶(hù)管理系統(tǒng)等一些問(wèn)題，不同品牌的產(chǎn)品也不能互相替換，導(dǎo)致使用成本增加。為適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需要，必須從產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試方法、安全規(guī)范等方面進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)范與約束，提高行業(yè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)知度和遵守度，從根本上推動(dòng)煤礦機(jī)器人產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

檢驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)建設(shè)是煤礦機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要條件。目前,煤礦機(jī)器人行業(yè)的檢驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)數(shù)量較少，檢測(cè)能力有限，大部分產(chǎn)品只能直接在井下調(diào)試，調(diào)試周期長(zhǎng)，不但產(chǎn)品使用風(fēng)險(xiǎn)難以控制，也為客戶(hù)帶來(lái)了不好的印象。建立檢驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)及完善的檢測(cè)體系，能夠?yàn)闄C(jī)器人提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)支撐，大幅提升煤礦機(jī)器人產(chǎn)品質(zhì)量，保障煤礦機(jī)器人新興產(chǎn)業(yè)科學(xué)發(fā)展。

產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同建設(shè)是煤礦機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支撐。目前，“機(jī)器人+礦山”產(chǎn)業(yè)應(yīng)用協(xié)同方陣剛剛成立，煤礦機(jī)器人行業(yè)的產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同程度依然處于初級(jí)水平，產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同建設(shè)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。技術(shù)研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用之間存在鴻溝，科研成轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力還需要大量的驗(yàn)證和迭代，需要通過(guò)各方共同努力，才能推動(dòng)煤礦機(jī)器人產(chǎn)業(yè)不斷向前發(fā)展。

綜上，煤礦機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在供應(yīng)鏈建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、檢驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)建設(shè)和產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同建設(shè)方面都存在一定痛點(diǎn)。煤礦機(jī)器人作為“機(jī)器人+礦山”的全新技術(shù)領(lǐng)域，其迭代升級(jí)與不斷演進(jìn)都需要時(shí)間。

3 煤礦機(jī)器人分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)器人進(jìn)入到煤礦行業(yè)應(yīng)用后，由于其任務(wù)不固定和環(huán)境極端復(fù)雜性，并不能簡(jiǎn)單地以單一維度的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)定其價(jià)值和功能的強(qiáng)弱。煤礦機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景多元，粉塵濃度、溫度、地質(zhì)條件、空間大小等影響因素眾多，不能以簡(jiǎn)單地好用或不好用來(lái)評(píng)判煤礦機(jī)器人的意義和價(jià)值。尤其是發(fā)展到AI 時(shí)代后，可以賦予機(jī)器人無(wú)限的功能，其好用與否就更不能簡(jiǎn)單地以好用或不好用來(lái)評(píng)價(jià)。因此，在充分調(diào)研當(dāng)前研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀后，提出煤礦機(jī)器人分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，旨在為國(guó)內(nèi)煤礦機(jī)器人研發(fā)廠家和煤礦企業(yè)提供通用語(yǔ)境，促進(jìn)行業(yè)科學(xué)發(fā)展。

煤礦機(jī)器人等級(jí)劃分見(jiàn)表2。

表2 煤礦機(jī)器人等級(jí)劃分Table 2 Classification of coal mine robots

將煤礦機(jī)器人劃分為6 個(gè)級(jí)別，從感知、決策、控制等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。從L0 到L5，煤礦機(jī)器人將從完全不具備機(jī)器人的特性、到人工干預(yù)下的輔助作業(yè)、到特定場(chǎng)景下連續(xù)性自動(dòng)作業(yè)、到環(huán)境友好條件下半自主以及目標(biāo)規(guī)則清晰條件的全自主，最終實(shí)現(xiàn)完全自主作業(yè)，其中L0為最低級(jí)，完全需要由人工參與；L5 為最高級(jí)，智能化程度最高。

按照以上等級(jí)劃分情況來(lái)看，煤礦機(jī)器人行業(yè)整體處于L1～L2 階段；其中，純巡檢類(lèi)機(jī)器人處于L3 階段，巡檢作業(yè)一體化類(lèi)別機(jī)器人處于L2 階段，輔助作業(yè)類(lèi)機(jī)器人屬于L1 階段。由此可見(jiàn)，煤礦機(jī)器人發(fā)展仍處于初級(jí)階段，大量關(guān)鍵技術(shù)需要攻關(guān)、多類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景可靠性需要提升，解決共性技術(shù)、核心零部件、核心軟件算法等“卡脖子”技術(shù)后，煤礦機(jī)器人將有望進(jìn)入到L4～L5階段，目前行業(yè)內(nèi)也正在努力攻克堵點(diǎn)卡點(diǎn)難題，拓展煤礦機(jī)器人能力邊界。

3.1 L0——無(wú)智能化

設(shè)備在沒(méi)有任何智能系統(tǒng)干預(yù)的情況下執(zhí)行所有作業(yè)任務(wù)，完全由人工操作機(jī)器人，動(dòng)作模式較為固定，作業(yè)流程不復(fù)雜，人工控制簡(jiǎn)單易操作，這樣煤礦機(jī)械裝備可認(rèn)為是L0 級(jí)。

以傳統(tǒng)鉆機(jī)為例，鉆機(jī)的主要工作流程包括旋轉(zhuǎn)鉆桿、推進(jìn)鉆桿和沖洗孔道3 個(gè)步驟。傳統(tǒng)鉆機(jī)工藝流程如圖1。

圖1 傳統(tǒng)鉆機(jī)工藝流程Fig.1 Traditional drilling machine process flow

鉆機(jī)通過(guò)主機(jī)提供的動(dòng)力，將旋轉(zhuǎn)力傳遞到鉆桿上，鉆桿的旋轉(zhuǎn)力作用于鉆頭，使鉆頭能夠在地下旋轉(zhuǎn)，從而打碎巖石或土壤；再通過(guò)液壓系統(tǒng)的推進(jìn)裝置，將推進(jìn)力傳遞到鉆桿上，推進(jìn)力使鉆桿能夠向地下推進(jìn)，推進(jìn)鉆頭進(jìn)入地下；最后通過(guò)液壓系統(tǒng)的沖洗裝置，將沖洗液體送入鉆桿內(nèi)部，沖洗液體通過(guò)鉆桿內(nèi)部的孔道，將地下的碎石或土壤沖刷到地面上。打鉆過(guò)程中的每個(gè)步驟都需要人工的參與，在上下鉆桿、運(yùn)水、平安動(dòng)態(tài)檢測(cè)等重要工步需要多人同時(shí)負(fù)責(zé)。鉆機(jī)的行走也由人工駕駛控制，不具備遙控功能。

3.2 L1——感知支撐

處于L1 級(jí)表示機(jī)器人可以具備環(huán)境感知、數(shù)據(jù)采集、輔助判斷等功能，但具體行走、動(dòng)作等還需要人工參與操作和控制。目前已經(jīng)研制出的輔助作業(yè)類(lèi)機(jī)器人基本處于L1 階段。

以管路安裝機(jī)器人為例，其應(yīng)用場(chǎng)景為煤礦井下巷道。管路安裝機(jī)器人工藝流程如圖2。

圖2 管路安裝機(jī)器人工藝流程Fig.2 Pipeline installation robot process flow

井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，管道擺放隨機(jī)，管路安裝機(jī)器人無(wú)固定作業(yè)流程及規(guī)劃，執(zhí)行循環(huán)作業(yè)困難。運(yùn)輸車(chē)將管路運(yùn)送到巷道內(nèi)，由人工進(jìn)行搬運(yùn)、擺放至巷道地面后，操作人員遙控機(jī)器人行走至作業(yè)區(qū)域，機(jī)器人停車(chē)后，人員遙控機(jī)械臂抓取地面上的管路并舉升至安裝位置，再由人工進(jìn)行放置托架，并進(jìn)行精準(zhǔn)的位置調(diào)整后完成對(duì)孔連接，整個(gè)流程需要4～6 人參與。

3.3 L2——部分智能化

處于L2 級(jí)的機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在路徑固定、檢測(cè)目標(biāo)固定、執(zhí)行任務(wù)固定時(shí)，機(jī)器人按照示教形成固定作業(yè)模式，在特定范圍連續(xù)自動(dòng)作業(yè)。

以煤礦井下帶式輸送機(jī)掛軌式巡檢機(jī)器人為例，帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人工藝流程如圖3。

圖3 帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人工藝流程Fig.3 Process flow of belt conveyor inspection robot

機(jī)器人能夠在軌道上往復(fù)行走，巡檢任務(wù)固定，通過(guò)搭載對(duì)應(yīng)傳感器與識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)輸送帶撕裂、跑偏、異物等進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)。

軌道式巡檢機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)在軌道這一特定范圍內(nèi)的連續(xù)作業(yè)，雖然是針對(duì)特定場(chǎng)景部分智能化，但L2 等級(jí)的實(shí)現(xiàn)標(biāo)志著煤礦機(jī)器人在智能化水平上的重大突破。

3.4 L3——有條件智能化

處于L3 級(jí)的機(jī)器人在場(chǎng)景特征明顯、光照度較為良好情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、智能識(shí)別、數(shù)據(jù)分析，但依然由人工通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行關(guān)鍵工序的遠(yuǎn)程干預(yù)。

以變電所輪式巡檢機(jī)器人為例，變電所巡檢機(jī)器人工藝流程如圖4。

圖4 變電所巡檢機(jī)器人工藝流程Fig.4 Process flow of substation inspection robot

煤礦井下變電所環(huán)境相對(duì)較好，設(shè)備擺放位置固定，路況特征良好，光照較為明亮，巡檢內(nèi)容固定，機(jī)器人可以自主行走避障，實(shí)時(shí)監(jiān)控變電所內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及表面溫度，自動(dòng)記錄設(shè)備顯示屏上儀表顯示的數(shù)值、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、指示燈狀態(tài)，采集變電所內(nèi)的溫濕度、煙霧、多種氣體濃度參數(shù)等信息，將數(shù)字化的圖像、聲音和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)歸類(lèi)存儲(chǔ)，可有效代替人工實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備及儀表的巡檢。

3.5 L4——高度智能化

處于L4 級(jí)的機(jī)器人能夠面向靜態(tài)及規(guī)則清晰的運(yùn)動(dòng)對(duì)象時(shí)完全自主運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自感知、自分析、自決策。

以中煤科工機(jī)器人科技有限公司全新研發(fā)的變電所掃拖一體化巡檢作業(yè)機(jī)器人為例。

變電所內(nèi)行走路徑固定，巡檢和作業(yè)目標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)，整體作業(yè)任務(wù)規(guī)范，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)按鈕按壓旋轉(zhuǎn)精準(zhǔn)操作、儀表識(shí)別、氣體檢測(cè)、自主導(dǎo)航避障等功能，在變電所遇到緊急情況需要急停時(shí)，通過(guò)自主分析決策，還可實(shí)現(xiàn)急停按鈕按壓，解決突發(fā)情況人員無(wú)法及時(shí)處置的難題。

該機(jī)器人上應(yīng)用了大量AI 技術(shù)，Loam 算法與雙光柱聯(lián)合定位方法技術(shù)、基于模糊識(shí)別的狀態(tài)感知技術(shù)、基于斷網(wǎng)續(xù)存技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)狀態(tài)下的地圖快速構(gòu)建、目標(biāo)對(duì)象精準(zhǔn)感知識(shí)別，并且通過(guò)高強(qiáng)度算力與算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自分析、自決策，使機(jī)器人自身具備大腦思考能力，本體智能化水平大大增強(qiáng)，促進(jìn)煤礦機(jī)器人走向更加復(fù)合性、功能化的應(yīng)用。

3.6 L5——完全智能化

機(jī)器人達(dá)到L5 級(jí)，單體智能程度更高，能夠完全實(shí)現(xiàn)自行走、自分析、自診斷、自決策、自作業(yè)；且對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)，能夠進(jìn)入到采空區(qū)、掘進(jìn)工作面等高難度場(chǎng)景；可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人-機(jī)器人之間、機(jī)器人-環(huán)境之間的多元交互，煤礦機(jī)器人群可統(tǒng)一運(yùn)維、協(xié)同作業(yè)。

以噴漿機(jī)器人為例，井下噴漿機(jī)器人作業(yè)流程如圖5。

圖5 井下噴漿機(jī)器人作業(yè)流程Fig.5 working process of underground shotcreting robot

當(dāng)機(jī)器人達(dá)到L5 級(jí)時(shí)，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)自主上料、攪拌、傳送物料，自主規(guī)劃行走路線后進(jìn)行自主移機(jī)，到達(dá)噴漿位置時(shí)自主停車(chē)，對(duì)巷道進(jìn)行三維建模后自主生產(chǎn)噴漿路徑，機(jī)械臂完成噴漿后再次建模進(jìn)行噴漿質(zhì)量檢測(cè)，噴漿質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后自主移機(jī)到下一噴漿點(diǎn)位，此為完成1 個(gè)工藝流程。機(jī)器人自身算力可支撐每一工步的數(shù)據(jù)分析與診斷，實(shí)現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)管理。

由此可以得出，機(jī)器人實(shí)用、好用、能用的必要條件必然是將感知層、決策層和控制層打通，感知層收集大量的機(jī)器人自身和環(huán)境數(shù)據(jù)，決策層通過(guò)算法、算力等流暢地處理這些數(shù)據(jù)以保證系統(tǒng)及時(shí)做出正確的決策，從而為控制層提供指令。最終的自主作業(yè)流程架構(gòu)如圖6。

圖6 自主作業(yè)流程架構(gòu)Fig.6 Autonomous work process architecture

煤礦機(jī)器人分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的建立，能夠更準(zhǔn)確地幫助客戶(hù)在不同場(chǎng)景和不同環(huán)境下提出差異化的功能需求，為機(jī)器人生產(chǎn)制造企業(yè)面對(duì)不同產(chǎn)品業(yè)務(wù)需求時(shí)提供等級(jí)參照；促進(jìn)研發(fā)端和用戶(hù)端形成統(tǒng)一語(yǔ)境，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知鏈路暢通，進(jìn)一步助力供應(yīng)鏈順暢交互，產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

分析整個(gè)煤礦機(jī)器人行業(yè)發(fā)展，其在科技創(chuàng)新、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)孵化等方面面臨著很多困難，使用端和供應(yīng)端存在認(rèn)知差異的問(wèn)題一直困擾著整個(gè)行業(yè)；大家也容易陷入將目前成熟的工業(yè)機(jī)器人智能化水平直接定義到煤礦機(jī)器人上的誤區(qū)。煤礦機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境非結(jié)構(gòu)化程度高，工藝和工序的可復(fù)制化程度低，因此評(píng)價(jià)煤礦機(jī)器人是否好用，需要將機(jī)器人置于煤礦行業(yè)背景下，遵從技術(shù)變遷與場(chǎng)景變遷綜合來(lái)看。煤礦機(jī)器人分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的建立，將增強(qiáng)機(jī)器人制造與使用相結(jié)合的緊密程度，幫助行業(yè)認(rèn)識(shí)到煤礦機(jī)器人產(chǎn)品規(guī)律，有利于煤礦機(jī)器人技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，從而提高機(jī)器人的實(shí)用性與可靠性，助推煤礦機(jī)器人產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。