一、立项依据

（一）国内外现状、水平和发展趋势

我国是煤炭资源消费的头号大国，煤炭产业在我国的经济体系中占有非常重要的地位，以煤炭为主要能源的供应格局在我国近期内是不会发生太大改变的。随着我国在煤炭开发和利用这一领域技术的发展成熟和应用推广，在未来煤炭的需求量还将持续增长，煤炭产量也将保持稳定和持续的增长。在这样的环境下煤炭生产中遇到的各种问题也暴露出来急需解决。其中比较突出的问题就是原煤的运输与储存。

传统的煤炭或矸石存储装置大都为垂直筒状煤仓如图 1.1 所示。煤仓顶部结构为缩口的锥形放煤口。筒仓作为贮存和周转物料的设施，具有使用方便灵活性强、能有效解决短时间需求增加等优点，多年来伴随着我国经济的发展和科技的进步，不仅是在煤炭行业，在粮食储存、冶金到电力等各个行业都有着广泛的应用。

井下煤仓作为原煤存储的主要装置，在生产中不断有新的原煤加入和底部原煤经仓底转载机输送到皮带运输机，再由皮带运输机输送到立井提升机，把煤炭提升到地面上。 井下煤仓在长期使用过程中，仓壁面便会凝结一定量的原煤形成牢固的凝结物。这些凝结物的存在，一方面使煤流产生阻滞，同时也使井下煤仓的储存量大大减少了；此外凝结物掉落砸伤仓底检修工人的事情也时有发生，所以给检修工作增加了很大的风险。 为防止隐患的发生，必须定期对煤仓进行清仓铲除凝结煤。但是如果选择人工清仓不仅劳动效率低，而且仓内有害气体危害清仓人员健康；井下煤仓一般深达 18～30 米，仓内氧气稀薄且十分昏暗，人工清仓存在很大的危险性。同样矸石仓也要像井下煤仓一样定时进行清洁。为了更好的清仓需要有新的方法。

但目前国内并无适用于煤仓清洁的产品问世，国外对该清仓问题的研究也较少，可见该领域属尚未开发的未成熟领域，此类产品在国内尚属空白。

目前国内外对于清洁机器人的研究大多都放在垂直壁面的清洁机器人上面，研究并设计了多种形式的壁面清洁机器人。这种清洁机器人主要是为了解决现代高层建筑的清洁保养问题，例如高层建筑的壁面和玻璃窗的维护和清洁。此类清洁机器人的设计和使用将降低高层建筑外墙清洗和保养的成本。在高楼林立的当今社会，具有很大的的经济效益、现实意义和广阔的实际应用的前景。

清洁机器人和清仓机器人都是特种机器人的一种，用以代替人工进行壁面的清洗和维护的工作。为实现可以在壁面上的作业，清洗爬壁机器人必须具有两个基本的功能： 能够在壁面上的吸附功能和移动功能。目前大部分建筑物壁面为砖混结构，不适于靠磁吸附这种方法，所以设计清洗机器人时大都采用真空吸附式的结构形式，由空气压缩机、风扇等设备组成，依靠设备产生的压差将机器人牢牢地吸附在壁面上。按这种结构形式的机器人又可以分为单吸盘和多吸盘两种。单吸盘爬行机器人的主要优点是：可比较简单的实现机器人的小型化、且结构简单、方便控制。

缺点是：要求壁面必须要有一定的平滑度，对复杂壁面环境不适应，特别是当遇到较大凹凸面时，吸盘负压难以稳定持续的维持。相比较下多吸盘壁面爬行机器人的吸附更加稳定可靠，有效的克服了单吸盘结构吸附不可靠负压难以稳定维持的缺点，但是也有其缺点：就是其移动不够连续工作不够连贯，且移动速度受到限制不能进行快速转移，关键是控制比较复杂要求相对比较严格。

机器人的移动方式主要有脚步行式(分两足和多足)、车轮式和履带式等多种形式。 其中车轮式的优点是：设计简单、控制灵活，缺点是：难以维持一定的吸附力。履带式优点是：着地面积大对壁面的适应性强，带载能力强。缺点是：转弯不便。脚步行式跨越障碍能力强但移动速度慢。作为高层建筑清洗来使用的爬壁机器人，由于其工作环境及任务的特殊性，使其在总体设计技术要求方面都相当的苛刻。目前这类机器人机器人还处于实验室研究阶段，距离投入实际使用还有一定的距离。其中主要任务是：减轻重量、降低造价、保证质量使之安全高效地工作。为此，开发一套新型的适用井下煤仓的清仓机器人，以下技术难点是我们还需要再解决的：

第一，密封技术的改进和提高，井下煤仓壁面环境非常的复杂，要求各机构可以产生持续稳定的的工作力，使机器人安全可靠地在井下工作。

第二，移动技术的改进和提升，移动机构要力争小型、高效，使机器人具有在煤仓内自由移动的功能，并可以根据实际情况灵活调节速度和方向。

第三，控制技术的改进和提升：整体控制机器人的工作，使各部分的协调一致、要求控制灵活、可靠能够顺利的完成工作任务。

第四，智能识别的研究：利用AI视频技术代替人的双眼，做到智能化操作。在这一方面要保证信号远距离传输的可靠性、实时性、能够实现机器人智能化控制。

第五，清仓技术的改进与提升：设计安全有效的清仓机构，达到符合实际标准的清理效果。

（二）项目研究开发对本企业、行业的推动（带动）作用

1.井下煤仓是在煤矿生产中联系各生产环节和运输的重要枢纽，故障一旦发生便会造成某个工作面或采区甚至给整个矿井造成停产,特别是在自动化程度和机械化程度的不断提高的今天，对煤矿生产的安全要求越来越高。在煤仓中最容易出现的问题就是仓壁的粘结问题，

2.为了解决煤仓出现的粘结问题，除了积极的预防外及时的清理非常重要，因为没有合适的机械设备在目前清仓我们都是用人工清仓的方法。当发现煤仓有粘结现象需要清理时，派工人进入仓内对粘结部位进行清理。主要的方法是用大锤敲打，这种方法劳动强度大效率底，清理一个煤仓往往需要几天时间，很可能因此耽误了宝贵的生产时间。 此外由于煤仓比较密闭空气流通不畅很可能造成瓦斯超标威胁工作人员生命安全，加上煤仓高度至少数十米在清理过程中一旦有余煤散落，也会对清仓人员带来危险。

3.中国是一个煤炭生产大国,煤矿井下煤仓是井下煤炭运输的咽喉部位,传统的清仓方式为人工清仓,其劳动强度大,且仓内有有毒气体和仓壁塌方等一直是一个难解决的问题,清仓机器人的出现无疑可以实现了机械化清仓,提高清仓安全性。本项目成果可以在集团内及国内广泛推广应用。市场前景非常广泛。加之当前国家强烈要求煤矿尽快推进智能化矿井建设。本项目既解决了煤矿现场棘手难题，同时响应了国家政策要求。

（三）项目拟达到的技术水平及市场前景

1.超高准确度

智能识别算法，准确识别图像中的积煤。通过提取大量的矸石与煤的特征进行相似度对比，最终返回相应的置信度得分，系统根据特征匹配程度决定“拒绝”或者“接受”。

2.高效稳定处理

毫秒级响应速度，在大规模图像数据库中找出与待检索的相似度最高的一个。本系统通过预先创建的数据库特征索引，可以在百万级别以上图像数据库中迅速查找，并在实际场景中不断优化性能表现。

3.适应复杂环境

在模糊、倾斜、光照不均、背景杂乱等情况下均保持高性能表现。

4.系统功能完全达到矿方对监控管理系统的要求，系统运行可靠，人机界面友好，操作简单易用，控制灵活、可靠。

5.充分利用现有资源，在技术先进的基础上，做到系统简单，经济实用。系统选用设备符合以下几个原则：

①安全性：所有矿用设备符合《煤矿安全规程》相关要求，井下设备具有《防爆合格证》和《矿用产品安全标志证书》。

②先进性：充分利用现有的计算机网络技术和先进的通信、控制方式，全面准确的体现用户的管理思想及操作方式，项目建设符合标准、技术先进、功能完整、开放的、易于管理。

③实用性：实现监控信息收集、处理、查询、统计、分析等功能。系统具有灵活、可靠的控制功能，简单实用，易于掌握，人机界面友好，程序参数可以方便修改；具有自诊断功能，并具有语音、图像以及报警功能；具有实时数据采集、处理及显示功能；采集到的数据存在数据库中，可以方便查询。

④可靠性：在设计、硬件选型、软件环境和应用系统的建设中充分体现可靠性、稳定性原则。系统中电气产品均采用工业级设计，适应煤矿恶劣环境下工作。

⑤经济性：充分利用有效资源，以适当的投入，建立一个完善的系统。在系统可靠性、稳定性得到充分保证和供货商的资信度以及后期维修服务能力的基础上，设备的选型与配置遵循性能价格比最优的原则。

6.市场前景

目前国内煤炭行业内没有成熟的清仓器人，本产品的研发与应用必将掀起煤炭行业手选作业新的革命。每到岁末年初，长三角、珠三角等沿海地区都会出现比较严重的“民工荒”现象。低端劳动力供给不足，已成了当前对我国劳动力市场发展影响的主要因素之一，煤炭行业尤为突出。机械化换人，自动化减人大趋势势在必行。

（四）现有研究开发基础

1.目前国内智能控制技术和通信技术已能满足对井下设备远程集中监控的设计要求。

2.模块式组装最大优化设计，进行模块化组装，可以自由伸缩组合，实现快速安装。

3.多专业应用；技术团队运用机械、电气、传感、仪表、液压、软件等专业，解决了复杂工艺。

4. 低成本维护在运行的关键部位均选择最先进的品牌，诸如轴承、传感器等，确保经久耐用，使用过程中尽量减少配件的更换，杜绝易耗品，减少维护时间和成本。

5.图像识别技术；DCNN模型在百万级图像数据集上的识别准确度超过人类水平，基于大数据与深度学习的方法开始逐渐应用与工业界。

二、研究开发内容、研发目标及预期效益

（一）主要研发内容

运用清仓机器人，取代人工清仓。采用煤仓疏通机器人对煤仓进行堆煤清理，替代人工清理煤仓，提高矿井本质安全。运用AI图像识别对煤仓内部进行扫描，替代人的双眼.在AI软件的控制下，对仓内堆煤进行清理。

在煤仓清仓机器人的各个组成部分中，机械臂是其主要也是非常重要的组成部分。 机械臂分为支撑臂和工作臂，机械臂的结构和性能等对整个机器人至关重要。工作臂是煤仓清仓机器人的工作部分，煤铲组件就安装在工作臂前端，在液压油缸的带动下靠煤铲的往复运动完成对煤仓壁粘结煤的清理工作，需要的时候工作臂还可以作为辅助支撑使用，对其进行合理的结构设计和受力分析能够保证其在复杂的环境中高效快捷的完成任务。

1.对机械臂的伸缩机构进行选型计算，选择适合井下煤仓内部结构条件的伸缩机构。机械臂分为支撑伸缩臂和工作伸缩臂，一个负责支撑另一个负责工作。设计一种适合本项目的机械手臂。

2.在机械臂的工作过程中，主要承受支撑反力和铲煤阻力，因其工作环境复杂，受力情况多变，需要确定其应力和应变情况。基于此运用 ANASYS 软件对煤仓清仓机器人的机械臂的主要受力部件进行静力学分析。支撑伸缩臂主要对支撑前端在受载荷的情况下的变形和应力等做了分析，工作臂主要是对应着煤铲的运动在煤铲所处的几个特殊部位做了工况分析。通过应力分布图我们可以清楚的看到最大应力区和最大位移区，分析进一步的优化设计。

3.图像识别；通过对煤仓内图像频谱分析，基于深度学习特征提取，利用大数据进行综合计算分析，最终由软件对煤仓内积煤进行完全准确识别。

4.在软件识别积煤的同时，发出信号给与机器人，由机器人在特定区域执行智能清洁的操作.

5.智能巡检；运输系统能够实现智能联动控制。安装高清矿用隔爆型红外摄像仪，在合适位置加装一套声光报警装置。利用 DCNN 网络强大的特征提取能力，利用图像识别算法，图像数据输入到网络，最终得到目标相应的类别（人员入侵，设备异常，煤水或其它异物，物料堆积，皮带机跑偏，胶带撕裂现象检测）

（二）预期效益

1.井下煤仓清仓机器人可代替施工人员进入煤仓，将施工人员从有害物质、繁重劳动和安全隐患中解放出来。该机器人具有充分视频监控及PLC自动化控制的优点，且清理效果好，无需人工进入煤仓清理积煤，控制系统灵敏可靠，保障了煤炭运输的安全生产。

2.清仓机器人的应用缩短了施工时间、减少了施工人员和降低了劳动强度，不需在煤仓内存煤，使煤仓内始终处于通风状态，避免了清仓过程中煤尘瓦斯的积聚，增加了清仓施工的安全性。工作效率的提高带来了清仓成本的降低，每年清理12次煤仓减少影响的生产时间共200小时，每年可多出煤炭5万吨，相当于创间接经济效益750余万元。

（二）主要研发目标

煤仓作为存储原煤的存储装置，在生产时不断有新煤加入和原煤流出煤仓。随着煤仓的长期使用，煤仓的积煤在多种作用的影响下，壁面便会形成一定的凝结物。这些凝结物的存在会造成煤流的阻滞，同时也造成了煤仓的储存量的减少。为了防止这类事情的发生，需要定期对煤仓进行清洁，铲除在煤壁上的凝结煤， 以保证煤仓的正常使用。这个过程如果采用人工来完成，不仅存在效率比较低，而且各种有害物质，（如煤尘）还会对施工人员造成很大的危害。

1.清仓机器人的设计目的就是为了研制一款不用人工进行清洁的井下煤仓清仓机器人，减轻工人的劳动负担提高工作效率，实现煤仓清洁的自动化和机械化。井下煤仓清仓机器人的基本功能是利用自带的液压作为动力实现机械臂的伸缩和煤铲的运动，这样能对垂直煤壁和缩口锥形壁上凝结煤进行清洁。在清理煤壁时操作人员可以 远离煤仓，通过装置上的摄像头来判断粘结物的位置和大小，进行智能化操作实现远距离控制，从而避免了人工清洁对人体的各种危害，这将对于改善工人的劳动条件和提高工人的劳动效率有着重要的意义。

2.通过新产品、新技术的应用，减员增效，实现煤仓智能化清理，充分实现国家煤监局要求的“机械化换人，自动化减人”的目标。

3.提交项目研究报告2份

4..在项目结题后6个月内，形成发明专利1项或实用新型专利2项

5.形成该项技术的企业标准

6.培养专业人员2名

7.本项目成果可以在集团内煤矿及选煤厂广泛推广应用。

三、研究开发方法及技术路线

本项目采用理论与实践相结合、产学研相结合的技术路线。其中，理论研究包括现场理论调研、理论分析、工程对比、校核计算、数字模拟、方案制定与方案分析论证等具体工作；实践研究主要指各种技术参数、性能指标等测试工作，包括产品试制、形式试验测试、现场工业性试验测试等工作。该工程项目总体思想是：“首创国内精度最高、可靠性最高、效率最高的清仓机器人精品工程”。因此在方案制定、方案实施、方案检验的各个阶段都充分论证、严格把控，实现各阶段的有效衔接和系统推进，满足设计要求和现场使用要求。

项目实施方式：按合同规定的要求履行。

具体实施方法和步骤如下：理论调研——理论分析——虚拟设计——制定方案——实施方案——型式试验——工业性试验——提交项目报告——项目验收。

1.资料收集、现场勘查、前期调研、制定总体设计方案；                           

2.制定详细设计方案，经集团领导和应用矿井领导审核通过后进行方案实施；         

3.负责产品的生产、检验工作，出厂前进行充分的形式试验，确保产品质量，并负责产品的现场安装调试及试运行；

4.协助完成项目验收鉴定，提供相应的技术资料。    

应用矿井协助受委托的外部单位完成项目的如下工作：

1.提供项目研究的技术基础资料,项目的现场组织与协调；                           

2.协助外部单位进行现场调研、实测和工业性试验；         

3.审核外部单位制定的设计方案，并负责工程的安全保证；

4.协助完成项目鉴定报告，组织项目鉴定等。

四、工作进度及季度主要完成节点计划

项目实施期1年

项目实施进度计划如下：

项目实施的第1个月.实施方案、现场调研、技术交流。

项目实施的第2个月.系统设计，3D建模分析及有限元分析.

项目实施的第3个月.组织论证会，方案优化.

项目实施的第4个月.确定方案，组织汇审.

项目实施的第5个月.细化方案、组织最终会审.

项目实施的第6个月.外购件采购，产品加工与部件装配，并在制造单位进行型式试验和产品优化，确保所有部件满足设计要求.

项目实施的第7个月.产品发货到采购方指定地点.

项目实施的第8个月.在指定应用矿井进行设备的安装调试工作.

项目实施的第9个月.第10个月进行井下工业性试验.

项目实施的第11个月.第12个月项目结题验收.