Design and Development of Self-Configurable Modular Robotic Systems for Mining Operations
Authors:   , Gómez Lambo Virgilio Augusto 
Published: February 2025

The extraction of raw materials through mining is essential to meet the growing global demand. Traditional mining methods face challenges in worker safety, operational efficiency, and environmental impact. Consequently, the mining sector is adopting advanced technologies, particularly robotics and automation, to improve processes. This shift is exemplified by initiatives like the ROBOMINERS project, funded under the EU's Horizon 2020 Research and Innovation Program. ROBOMINERS aims to create a lower TRL technology base for radical innovations in mining, unlocking substantial reserves of new or unexploited resources within the EU. It focuses on introducing disruptive robotic concepts to facilitate mineral access in Europe, shaping a new mining ecosystem. Central to this vision is developing a modular robotic mining system. This approach involves drilling a large-diameter borehole into the mine and deploying separate modules through it. These modules autonomously self-assemble into a fully functional mining robot capable of complex tasks like selective mining and mine mapping. The site may be flooded or dry, requiring versatile robotic solutions.

Modular robotic systems offer a promising approach to overcome the limitations of traditional mining robots, providing versatility and scalability. These systems consist of interchangeable modules that can be rearranged, detached, and recombined for various tasks, offering greater flexibility than conventional monolithic designs. However, developing modular robotic systems for underground mining poses unique challenges, including robust inter-module coupling and communication, adaptable locomotion for irregular terrain, efficient power distribution, and maintaining functionality in harsh conditions. Despite these challenges, their adaptability makes them compelling for dynamic mining operations.

This dissertation introduces a novel modular robotic system designed to study modularity, self-assembly, and reconfiguration capabilities in mining environments. The thesis presents the design, development, and testing of various technologies within this system, including modular mobile platforms with manually configurable locomotion submodules and self-assembly capabilities using an adaptable coupling mechanism, as well as additional robotic modules for sensing and mining tasks. The prototypes serve as a test platform to investigate how modularity can enhance the development of future mine-ready platforms, capable of on-site reconfiguration to perform various mining tasks efficiently and safely.

This doctoral thesis addresses key technical challenges, including inter-module self-assembly and communication, terrain-adaptable locomotion, alternative mapping techniques, and reconfiguration in underground mining conditions. Through analysis and experimentation, the thesis demonstrates the potential of applying a modular approach to enhance the versatility and robustness of mining operations. The findings contribute to the broader field of mining robotics and offer valuable insights into developing adaptable robotic systems for complex industrial environments.

This Compendium thesis consists of three peer-reviewed articles published in scientific journals, collectively fulfilling the goals of the doctoral thesis and maintaining thematic alignment. These articles have advanced the state of the art in modular robotic systems, the application of soft robotic arms as coupling mechanisms, and the use of whisker sensors for 3D mapping tasks.

RESUMEN

La extracción de materias primas mediante la minería es esencial para satisfacer la creciente demanda mundial. Los métodos mineros tradicionales se enfrentan a retos en materia de seguridad, eficiencia operativa e impacto medioambiental. Como consecuencia, el sector minero está adoptando tecnologías avanzadas, en particular la robótica y la automatización, para mejorar los procesos. Un ejemplo de este cambio son iniciativas como el proyecto ROBOMINERS, financiado por el Programa de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la UE. ROBOMINERS pretende crear una base tecnológica de TRL bajo para innovaciones disruptivas en minería, desbloqueando importantes reservas de recursos sin explotar en la UE. El proyecto se centra en la introducción de conceptos robóticos disruptivos para reactivar la minería en Europa, dando forma a un nuevo ecosistema minero. Un elemento central de esta visión es el desarrollo de un sistema modular de minería robotizada. Este planteamiento consiste en perforar un pozo de gran diámetro en la mina y desplegar módulos independientes a través de él. Una vez en la mina, estos módulos se autoensamblan de forma autónoma en un robot minero funcional capaz de realizar tareas complejas como la minería selectiva y la cartografía minera. El yacimiento puede estar inundado o seco, lo que exige soluciones robóticas versátiles.

Los sistemas robóticos modulares ofrecen una alternativa prometedora para superar las limitaciones de los robots mineros tradicionales, ya que proporcionan versatilidad y escalabilidad. Estos sistemas constan de módulos intercambiables que pueden reorganizarse, separarse y recombinarse para diversas tareas, lo que ofrece mayor flexibilidad que los diseños monolíticos convencionales. Sin embargo, el desarrollo de sistemas robóticos modulares para minería subterránea plantea retos únicos, como la robustez del acoplamiento y la comunicación entre módulos, la locomoción adaptable a terrenos irregulares, la distribución eficiente de energía y el mantenimiento de las funcionalidades en condiciones adversas. A pesar de estos retos, su adaptabilidad los hace atractivos para las operaciones mineras.

Esta tesis doctoral introduce un novedoso sistema robótico modular diseñado para estudiar las capacidades de modularidad, autoensamblaje y reconfiguración en entornos mineros. La tesis presenta el diseño, desarrollo y prueba de diversas tecnologías, incluyendo plataformas móviles modulares con submódulos de locomoción configurables manualmente y capacidades de autoensamblaje mediante un mecanismo de acoplamiento adaptable, así como módulos robóticos adicionales para tareas de mapeado y minería. Los prototipos sirven como un banco de prueba para investigar cómo la modularidad puede mejorar el desarrollo de futuras plataformas listas para la minería, capaces de reconfigurarse in situ para realizar diversas tareas mineras de manera eficiente y segura.

La tesis doctoral aborda desafíos técnicos clave, incluyendo el autoensamblaje y la comunicación entre módulos, la locomoción adaptable al terreno, técnicas alternativas de mapeado y la reconfiguración en condiciones de minería subterránea. A través del análisis y la experimentación, se demuestra el potencial de aplicar un enfoque modular para mejorar la versatilidad y robustez de las operaciones mineras. Los resultados contribuyen al campo de la robótica minera y ofrecen valiosas perspectivas para el desarrollo de sistemas robóticos adaptables para entornos industriales complejos.

Esta tesis doctoral está compuesta por un compendio de tres artículos revisados por pares y publicados en revistas científicas, que cumplen colectivamente los objetivos de la tesis doctoral y mantienen la alineación temática. Estos artículos han avanzado el estado del arte en sistemas robóticos modulares, la aplicación de brazos robóticos blandos como mecanismos de acoplamiento, y el uso de sensores de contacto tipo whisker para tareas de mapeado 3D.