在陜西榆林大海則煤礦，帶式輸送機(jī)沿著巷道綿延數(shù)公里，上萬(wàn)根托輥日夜承托著皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)。沿著輸送機(jī)，一臺(tái)托輥更換機(jī)器人正在自主行走，在皮帶與橫梁間狹窄的空間里精準(zhǔn)完成托輥的巡檢與更換作業(yè)。

這款將礦工從高危繁重崗位中解放出來(lái)的智能機(jī)器人，出自山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)。近年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)以多技術(shù)融合破解礦山特殊場(chǎng)景作業(yè)難題，讓新質(zhì)生產(chǎn)力在煤海深處“生根”。

一根托輥“牽出”的機(jī)器人

托輥是輸送機(jī)的“關(guān)節(jié)”，在潮濕、粉塵和重載工況下極易磨損卡滯，若不及時(shí)更換，輕則造成皮帶跑偏，重則釀成安全事故。過(guò)去，更換托輥是一項(xiàng)繁重且危險(xiǎn)的作業(yè)：礦工需攜帶數(shù)十斤重的工具，沿巷道逐段巡檢，發(fā)現(xiàn)故障后先停機(jī)，再鉆入皮帶與橫梁的狹窄夾縫中，憑借人力完成拆卸與安裝。

為改變這一局面，大海則煤礦向山東科技大學(xué)提出需求——能否研制一款機(jī)器人，替代人工完成托輥的檢查與更換?張強(qiáng)隨即帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)趕赴榆林，跟隨礦工下井，徒步走完整條輸送線路，對(duì)巷道寬度、皮帶離地高度、托輥支架間距等關(guān)鍵尺寸進(jìn)行逐一測(cè)繪。

“在實(shí)驗(yàn)室里，機(jī)械臂抓取標(biāo)準(zhǔn)工件并不困難，可一到空間狹窄、光線昏暗的井下，難度便急劇上升。”張強(qiáng)說(shuō)，巷道逼仄的空間與大量懸浮的煤塵使機(jī)器視覺(jué)的識(shí)別率大打折扣。更為棘手的是，托輥支架因長(zhǎng)期承重與腐蝕普遍變形，機(jī)器人若按圖紙上的標(biāo)準(zhǔn)尺寸定位夾取，常常難以對(duì)準(zhǔn)。

為突破瓶頸，張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)在礦區(qū)連續(xù)駐守?cái)?shù)月，反復(fù)修正多傳感器融合算法和控制參數(shù)，歷經(jīng)數(shù)十次井下實(shí)測(cè)迭代，終于使機(jī)器人能夠在狹長(zhǎng)巷道中沿輸送機(jī)自主行走，借助多傳感器融合技術(shù)精準(zhǔn)識(shí)別故障托輥，在狹窄空間內(nèi)完成托輥拆卸、抓取和安裝的全流程作業(yè)。

“機(jī)器人能否在井下真正發(fā)揮作用，關(guān)鍵在于不依賴衛(wèi)星導(dǎo)航也能精準(zhǔn)定位。”張強(qiáng)介紹，井下無(wú)衛(wèi)星信號(hào)，粉塵、黑暗、振動(dòng)、沖擊和設(shè)備遮擋相互疊加，機(jī)器人不僅要“能動(dòng)”，更必須“看得懂、找得準(zhǔn)、會(huì)判斷”。

圍繞這一目標(biāo)，張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)持續(xù)開展煤巖界面智能感知、裝備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等技術(shù)研究，構(gòu)建了多源融合定位系統(tǒng)，讓礦山機(jī)器人能“看懂”井下環(huán)境，在極端環(huán)境下實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位。

從單機(jī)智能邁向系統(tǒng)智能

礦山生產(chǎn)不是一臺(tái)機(jī)器能獨(dú)立完成的，從單機(jī)智能邁向系統(tǒng)智能，是張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)攻克的又一道關(guān)口。

“現(xiàn)代綜采工作面由采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)共同組成，一臺(tái)設(shè)備狀態(tài)波動(dòng)會(huì)沿整個(gè)系統(tǒng)傳播。”張強(qiáng)說(shuō)。團(tuán)隊(duì)的關(guān)注點(diǎn)由此從“一臺(tái)機(jī)器人能否完成一個(gè)動(dòng)作”，拓展至“多臺(tái)裝備能否構(gòu)成連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)”。為掌握真實(shí)工況，團(tuán)隊(duì)“泡”在煤海里開展科研攻關(guān)，他們?cè)诰鲁商籽b備上安裝了上百個(gè)傳感器，采集壓力、載荷、振動(dòng)、位移、溫度等海量數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)艱苦攻關(guān)，張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出“千萬(wàn)噸級(jí)工作面高可靠性安全開采保障技術(shù)及裝備”，支撐年產(chǎn)千萬(wàn)噸煤炭的綜采工作面實(shí)現(xiàn)成套裝備無(wú)故障運(yùn)行。該成果累計(jì)獲授權(quán)發(fā)明專利37項(xiàng)、實(shí)用新型專利29項(xiàng)，推動(dòng)生產(chǎn)效率提高20%、作業(yè)人員減少70%。

不久前，張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)牽頭拿下國(guó)家級(jí)重點(diǎn)課題的重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目，正全力攻克硬巖矩形斷面巷道的智能掘進(jìn)這一行業(yè)“硬骨頭”，為我國(guó)戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源開發(fā)與重大地下工程建設(shè)提供核心裝備支撐。

“行業(yè)的難題就是我們攻關(guān)的課題。”張強(qiáng)表示，團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)突破硬巖高效截割、矩形斷面自適應(yīng)支護(hù)及掘支運(yùn)多工序協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)，研制掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸一體化協(xié)同作業(yè)的機(jī)器人系統(tǒng)，以持續(xù)自主創(chuàng)新培育壯大新質(zhì)生產(chǎn)力，精準(zhǔn)回應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略與行業(yè)需求。