Робототехника в горном деле

- © Л.Д. Певзнер, М.Л. Ким, 2014

УДК 004.896:535.8

Л.Д. Певзнер, М.Л. Ким РОБОТОТЕХНИКА В ГОРНОМ ДЕЛЕ

Описаны роботы и робототехнические системы, используемые в горном деле. Предложены дальнейшие перспективы развития робототехники в этой области.

Ключевые слова: робот, спасатель, система координат, изображение, телекамера, квадрокоптер.

Успешное применение роботов для добычи полезных ископаемых под водой натолкнуло ученых и инженеров на мысль о перспективности их использования с этой же целью под землей — для обслуживания шахт. Хорошо известно, сколь опасен и тяжел труд шахтеров, рабочих горнодобывающей промышленности и как много угля, руды, других полезных ископаемых нужно нашему современному народному хозяйству. А в будущем их потребуется еще больше! Однако с каждым годом добыча становится сложнее, так как приходится вести ее из пластов все более глубокого залегания. Где же выход? Нельзя же обрекать на вредный для здоровья, опасный для жизни труд все большее и большее число людей! Наоборот, надо в максимальной степени облегчить его и обезопасить условия уже работающих в шахтах. И это делается систематически. Труд шахтеров постоянно механизируется и автоматизируется: на смену простой кирке пришли сначала отбойный молоток, потом врубовая машина, угольный комбайн; ручную установку крепи сменила установка их с помощью гидравлических механизмов, что значительно облегчило добычу угля, сделало ее не такой опасной, во много раз увеличило выработку, но... не дало кардинального решения проблемы — не освободило человека от необходимости пребывания в забое, не обеспечило полной его замены машинами. Создание специальных роботов-шахтеров породило вполне обоснованные надежды на внедрение на шахтах безлюдной технологии добычи угля и других полезных ископаемых.

Действительно, если раньше автоматизация добычи угля заключалась в том, что мощный угольный комбайн вытеснил отбойный

240

молоток, а деревянные стойки, подпирающие кровлю выработки, заменила гидравлическая механизированная крепь, то с приходом в шахту роботов изменяется весь процесс добычи угля — теперь его может осуществлять единый роботизированный комплекс. Резцы робота-шахтера, двигаясь вдоль забоя, снимают слой угля по всей кромке пласта, причем секции крепи, поддерживающие свод, служат одновременно опорой для самих резцов. А секции крепи, не загруженные в данный момент, подтягиваются механизмами вслед за уходящими вперед резцами и там занимают свое рабочее положение — подпирают свод; освободившиеся к этому времени секции продвигаются механизмами дальше. Таким образом, комплекс движется в забое, как червяк в грунте; при этом его адаптивная система управления следит за тем, чтобы он следовал, точно повторяя весьма сложную, часто искривленную конфигурацию угольного пласта, — а также поддерживает необходимую скорость его перемещения.

Существующие образцы такого робота-шахтера обслуживают восемь участков шахты, заменяя труд 450 человек! Пока еще вместе с таким роботом в штреке должен находиться оператор. Однако по мере совершенствования интерактивных роботов, в частности, работающих в диалоговом режиме, появятся машины, способные трудиться самостоятельно, а оператор будет выведен за пределы шахты и сможет наблюдать за работой роботизированного комплекса на большом расстоянии от него с помощью системы технического зрения.

Новокраматорский машиностроительный завод (Украина) создал угольный проходческий комбайн П-110, который оснащен системами самодиагностики и системой радиоуправления на базе микропроцессоров. Карагандинский государственный технический университет (Казахстан) пошел еще дальше, и разработал роботизированный комплекс на основе серийных комплектующих. Он позволяет разрабатывать угольные пласты мощностью 2-5 м, с углом падения до 55° в обычных и сложных условиях, а также вести селективную выемку и отработку локальных участков с проведением подготовительных выработок. Суточная добыча угля с зольностью 6-8% — 3000-3500 тонн при селективной выемке, при обычной выемке 5000-8000 т/сут с зольностью 25-30% без присутствия людей в очистном забое. В состав комплекса входят механизированная крепь и выемочный манипулятор с программным управлением. Этот робот-

241

шахтер прошел стендовые и шахтные испытания. В общем и целом, создание комплексно-механизированного забоя (КМЗ) создало все условия для роботизации подземной добычи угля.

Кроме универсальных машин, создают робототехнические устройства, выполняющие разнообразные горнопроходческие работы (рис. 1), бурение шурфов (рис. 2), заполнение их взрывчаткой, погрузку породы и пр.

Процесс шахтной роботизации позволяет, во-первых, расширить добычу угля, поскольку роботы могут работать в более сложных шахтных условиях, с глубоко залегающими пластами. Добычу можно будет вести в непрерывном, круглосуточном режиме, поскольку роботу-шахтеру не нужно подниматься на поверхность, не требуется отдых. Управление роботами может вестись с поверхности из безопасных для человека мест. Также возможно создание программируемых роботов.

Во-вторых, кардинально решается проблема безопасности, поскольку роботизированные шахты не требуют регулярного присутствия людей под землей. Роботы могут работать в бескислородной атмосфере, что само по себе исключает возможность возгорания и взрыва метана. Отсутствие людей в шахтах исключает возможность их гибели на подземных работах.

В-третьих, в роботизированных шахтах параллельно можно добывать кроме угля еще и метан, без использования сложных и дорогостоящих систем дегазации пластов, для чего достаточно

Рис. 1. Робототехнический проходческий комбайн

Рис. 2. Робот-бурильщик

242

оборудовать забой средствами откачки метана с его последующей очисткой и переработкой на поверхности.

Пока полная роботизация шахт видится нам в далеких перспективах, спасение людей робототехническими системами и мобильными роботами актуально уже сейчас. Робототехнические системы и комплексы и должны заменить людей в этом сложном и опасном деле как спасение людей в шахтах.

Из всех видов аварий наиболее опасными являются взрывы газа и угольной пыли, в подавляющем большинстве действия возникающей ударной волны разрушают вентиляционные устройства, крепь горных выработок и даже поверхностные объекты. Нередко взрывы осложняются пожарами. До сих пор при возникновении всякого рода аварий в шахтах, служба ВГСЧ без помощи робототехнических систем занимается ликвидацией аварий и спасением людей.

В таблице представлены наиболее крупные с количеством погибших 5 и более человек аварии на шахтах Кузбасса начиная с 1990 года.

Существующие прототипы

Робот-спасатель корпорации «Кайчэн»

В северном Китае в провинции Хэбэй корпорация «Кайчэн» начала серийное производство автоматического устройства, которое будет ликвидировать последствия аварий на шахтах. Робот может переходить вброд, преодолевать барьеры, а также позиционировать себя, собирать и транслировать информацию. Согласно заявлению разработчиков, после взрыва в шахте, робот может попасть на место происшествия снять происходящее и передать полученную информацию спасателям.

243

Таблица

Дата Шахта Город Причина аварии Погибло, чел.

16 июня 1990 имени Димитрова Новокузнецк Прорыв грунтовых вод и затопление шахты 12

1 декабря 1992 Шевякова Междуреченск Взрыв метано-воздушной смеси 25

4 сентября 1995 Первомайская Березовский Выброс метана 15

22 августа 1997 Шахта № 12 Киселёвск Выброс метана 5

2 декабря 1997 Зыряновская Новокузнецк Взрыв метано-воздушной смеси 67

21 марта 2000 Комсомолец Ленинск-Кузнецкий Взрыв метано-воздушной смеси 12

16 июня 2003 Зиминка Прокопьевск Взрыв метано-воздушной смеси 12

10 января 2004 Сибирская Анжеро-Судженск Взрыв метано-воздушной смеси и последующий экзогенный пожар 6

10 апреля 2004 Тайжина Осинники Взрыв метано-воздушной смеси 47

28 октября 2004 Листвяжная Белово Взрыв метано-воздушной смеси 13

9 февраля 2005 Есаульская Новокузнецк Взрыв метано-воздушной смеси 25

19 марта 2007 Ульяновская Новокузнецк Взрыв метано-воздушной смеси и угольной пыли 110

24 мая 2007 Юбилейная Новокузнецк Взрыв метано-воздушной смеси 39

30 мая 2009 имени Ленина Междуреченск Обрушение кровли 5

8, 9 мая 2010 Распадская Междуреченск Взрыв метано-воздушной смеси 91

20 января 2013 Шахта № 7 Киселёвск Взрыв метана 8

Робототехнический комплекс МРК-27Х

Комплекс предназначен для проведения аварийно-спасательных и специальных работ в условиях химического загрязнения, визуального осмотра объекта, инструментальной приборной разведки и определения уровней загрязнения воздуха, отбора проб, в т.ч. грунта и воды, выполнения технологических операций по локализации источника загрязнения.

Робот-спасатель Дракон

Возвышающийся почти на 3,5 метра, робот Т-52 Епгуи является гигантским спасателем из разряда Трансформеров. С функциями бульдозера и с 5-метровыми «руками» он может поднимать застрявшие в снегу автомобили, расчищать сугробы и завалы, освобождая дорогу, расчищать завалы, вытаскивать тяжелые предметы и оборудование из шахты.

245

Робот-спасатель

Это еще один удивительный безымянный робот, который способен погрузить на себя человека, чтобы его спасти. Созданный японским конструктором Кикучи, этот робот способен пробираться в труднодоступные районы, где люди могут находиться в опасности. Он может вращаться на 360 градусов, тем самым превосходя других роботов по способности проникнуть даже в самые труднодоступные места.

Дистанционный гусеничный робот-спасатель Таш\уа

Благодаря трем парам колес, робот Таш1уа может двигаться по очень сложным поверхностям, преодолевать препятствия, которые

246

непреодолимы для обычных спасательных средств. Его дистанционное управление способно позволить ему подбирать и перемешать объекты, как в реальных спасательных операциях. Робот 710 Warrior от iRobot

Мошный и тяжелый робот 710 Warrior от iRobot предназначен для помоши людям в переноске увесистых грузов. Он пройдет там, где трудно перемешаться автомобилям или солдатам, и при этом оснашен функцией очистки пути при помоши встроенного ковша. Это устройство даже способно преодолевать ступени и вести наблюдение с использованием интегрированных камер. В целом благодаря массе разных «аксессуаров» (если так можно назвать дополнительные запчасти) 710 Warrior способен выполнять массу различных функций. Работать он может как в помешениях, так и на улице, и при любой погоде.

Робот 210 Negotiator

247

Этот робот очень компактен — протиснется буквально в любую щель. Предназначен он для разведывательных операций и определения состояния ситуаций на расстоянии (что опять же гарантирует безопасность личного состава).

Все вышеперечисленные роботы имеют как преимущества:

• Мобильность

• Скорость обработки информации

• Высокая проходимость

Так и недостатки:

• Малая скорость передвижения

• Большие габариты

Данные недостатки являются критичными для подземных условий, так как при взрывах, пожарах или обвалах, в моменты, когда диспетчер не знает что случилось, необходимо быстро и качественно передать информацию о происшествии. Поэтому среди оперативных заданий, выполняемых отделением ВГСЧ в загазованной атмосфере, разведка является наиболее ответственной. Она организуется как для спасения людей, так и для выяснения обстановки в горных выработках в связи с возникшей аварией. Цель разведки может быть различной и зависит от характера аварии, ожидаемых ее последствий, количества людей, нуждающихся в помощи и т.д. Для этого от робота требуется:

• Маневренность

• Скорость обработки информации

• Скорость передвижения

Все это недопустимо при использовании мобильных роботов на гусеничной платформе. Для этих целей необходимо использовать мобильные летательные аппараты.

Перспективы использования мобильных роботов лля спасения люлей. При возникновении различного рода аварий в шахте, для задействования одного из видов ПЁА (план ликвидации аварии), диспетчеру необходима наиболее полная информация о произошедшем. Но, чаще всего, за взрывом или обрушением следует «обрушение» сети и датчиков. Таким образом для передачи всей обстановки и «картинки» диспетчеру предлагается введение небольших летательных аппаратов в шахту для разведки обстановки.

248

Разработки в этой области для гражданских целей уже ведутся.

Но работа в шахте имеет ряд особенностей:

• Плохая видимость

• Множество препятствий

• Повышенное содержание углекислого газа

• Повышенное содержание метана

• Высокая температура

• Повышенная влажность

В связи с этим существующие разработки не подойдут для прямого решения задач спасения людей и разведывания обстановки в шахте после аварии.

В случае решения вышеперечисленных проблем, робот-разведчик мог бы решить следующие задачи:

• Разведка обстановки в шахте после аварии

• Восстановление сети датчиков, интегрированных систем путем использования сенсорных сетей

249

• В случае окончания заряда аккумулятора самому выступить в роли передающего стационарного устройства, датчика, станции.

• Решение задачи переноса малогабаритных предметов с одного места на другое группой роботов.

Заключение. Проведен анализ существующих робототехниче-ских систем для решения задач автоматизации и спасения людей в горном деле. В дальнейшей работе будет расширена задача разведки обстановки после аварии в шахте, предложена конструкция летательного аппарата, его необходимые характеристики, алгоритмы работы.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. KMel Robotics. http://www.kmelrobotics.com.

2. Vicon Motion Systems, Inc. http://www.vicon.com.

3. Bermes C. Design and dynamic modeling of autonomous coaxial micro helicopters. Ph.D. dissertation, ETH Zurich, Zurich, Switzerland, March 2010.

4. Bouabdallah S. Design and Control of Quadrotors with Applications to Autonomous Flying. PhD thesis, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Lausanne, Switzerland, February 2007.

5. Couzin I.D., Krause J., Franks N.R., Levin S.A. Effective leadership and decision-making in animal groups on the move // Nature, 433(7025):513-516, 2005.

6. Dall'Ariccia G., DellOmo G., Wolfer D.P., Lipp H-P. Flock flying improves pigeons' homing: GPS track analysis of individual flyers versus small groups // Anim. Beh., 76:1165-1172, 2008.

7. Hainsworth F.R. Precision and dynamics of positioning by canada geese flying in formation // J. Exp. Biol., 128:445-462, 1987.

8. Hedrick T.L., Usherwood J.R., Biewener A.A. Wing inertia and whole-body acceleration: an analysis of instantaneous aerodynamic force production in cockatiels (nymphicus hollandicus) flying across a range of speeds // J. Exp. Biol., 207:1689-1702, 2004.

9. Huang H., Hoffmann G.M., Waslander S.L., Tomlin C.J. Aerodynamics and control of autonomous quadrotor helicopters in aggressive maneuvering. In Robotics and Automation, 2009. ICRA '09. IEEE International Conference on, pages 3277-3282, May 2009.

10. Johnson W. Helicopter Theory. Princeton University Press, Princeton, NJ, 1980.

11. Kumar V., MellingerD., Kushleyev A. Autonomous, agile, aerial robots, 2012.

12. Kushleyev A., Mellinger D., Kumar V. Towards a swarm of agile micro quadrotors. In Robotics: Science and Systems (RSS), 2012.

250

13. Mellinger D., Kumar V. Minimum snap trajectory generation and control for quadrotors: In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), May 2011.

14. Michael N., Mellinger D., Lindsey Q., Kumar V. The grasp multiple micro-uav testbed // Robotics Automation Magazine, IEEE, 17(3):56 -65, Sept. 2010.

15. Parrishand J., Hamner W. (edro). AnimalGroupsinThreeDimensions. CambridgeUniversity Press, New York, 1997.

16. Pines D., Bohorquez F. Challenges facing future micro air vehicle development // AIAA Journal of Aircraft, 43(2):290-305, 2006. S233

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Певзнер Леонид Давидович — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Автоматика и управление в технических системах (АТ)», Московский государственный горный университет, lpevzner@msmu.ru Ким М.Л. — kimml@suek.ru

251