在陜西榆林大海則煤礦，帶式輸送機沿著巷道綿延數(shù)公里，上萬根托輥日夜承托著皮帶運轉(zhuǎn)。沿著輸送機，一臺托輥更換機器人正在自主行走，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的智能機器人，出自山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院張強教授團(tuán)隊。近年來，該團(tuán)隊以多技術(shù)融合破解礦山特殊場景作業(yè)難題，讓新質(zhì)生產(chǎn)力在煤海深處“生根”。

一根托輥“牽出”的機器人

托輥是輸送機的“關(guān)節(jié)”，在潮濕、粉塵和重載工況下極易磨損卡滯，若不及時更換，輕則造成皮帶跑偏，重則釀成安全事故。過去，更換托輥是一項繁重且危險的作業(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，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——能否研制一款機器人，替代人工完成托輥的檢查與更換?張強隨即帶領(lǐng)團(tuán)隊趕赴榆林，跟隨礦工下井，徒步走完整條輸送線路，對巷道寬度、皮帶離地高度、托輥支架間距等關(guān)鍵尺寸進(jìn)行逐一測繪。

“在實驗室里，機械臂抓取標(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。”張強說，巷道逼仄的空間與大量懸浮的煤塵使機器視覺的識別率大打折扣。更為棘手的是，托輥支架因長期承重與腐蝕普遍變形，機器人若按圖紙上的標(biāo)準(zhǔn)尺寸定位夾取，常常難以對準(zhǔn)。

為突破瓶頸，張強團(tuán)隊在礦區(qū)連續(xù)駐守數(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)十次井下實測迭代，終于使機器人能夠在狹長巷道中沿輸送機自主行走，借助多傳感器融合技術(shù)精準(zhǔn)識別故障托輥，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。”張強介紹，井下無衛(wèi)星信號，粉塵、黑暗、振動、沖擊和設(shè)備遮擋相互疊加，機器人不僅要“能動”，更必須“看得懂、找得準(zhǔn)、會判斷”。

圍繞這一目標(biāo)，張強團(tuán)隊持續(xù)開展煤巖界面智能感知、裝備狀態(tài)實時監(jiān)測等技術(shù)研究，構(gòu)建了多源融合定位系統(tǒng)，讓礦山機器人能“看懂”井下環(huán)境，在極端環(huán)境下實現(xiàn)厘米級定位。

從單機智能邁向系統(tǒng)智能

礦山生產(chǎn)不是一臺機器能獨立完成的，從單機智能邁向系統(tǒng)智能，是張強團(tuán)隊攻克的又一道關(guān)口。

“現(xiàn)代綜采工作面由采煤機、液壓支架和刮板輸送機共同組成，一臺設(shè)備狀態(tài)波動會沿整個系統(tǒng)傳播。”張強說。團(tuán)隊的關(guān)注點由此從“一臺機器人能否完成一個動作”，拓展至“多臺裝備能否構(gòu)成連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)”。為掌握真實工況，團(tuán)隊“泡”在煤海里開展科研攻關(guān)，他們在井下成套裝備上安裝了上百個傳感器，采集壓力、載荷、振動、位移、溫度等海量數(shù)據(jù)。

經(jīng)過艱苦攻關(guān)，張強團(tuán)隊研發(fā)出“千萬噸級工作面高可靠性安全開采保障技術(shù)及裝備”，支撐年產(chǎn)千萬噸煤炭的綜采工作面實現(xiàn)成套裝備無故障運行。該成果累計獲授權(quán)發(fā)明專利37項、實用新型專利29項，推動生產(chǎn)效率提高20%、作業(yè)人員減少70%。

不久前，張強團(tuán)隊牽頭拿下國家級重點課題的重點專項項目，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。”張強表示，團(tuán)隊將重點突破硬巖高效截割、矩形斷面自適應(yīng)支護(hù)及掘支運多工序協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)，研制掘進(jìn)、支護(hù)、運輸一體化協(xié)同作業(yè)的機器人系統(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)國家戰(zhàn)略與行業(yè)需求。