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      仿生機(jī)器人作為機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，按其應(yīng)用場(chǎng)景不同，可分為仿生飛行機(jī)器人、仿生水下機(jī)器人、仿生地面機(jī)器人等類型，隨著仿生機(jī)器人微型化、仿形化、多功能化的發(fā)展，在醫(yī)療健康、國(guó)防軍事、救援救災(zāi)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。

　　近年來(lái)，隨著煤礦自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，煤礦作業(yè)機(jī)器人已在掘進(jìn)、開(kāi)采、運(yùn)輸、安控、救援等多個(gè)方面獲得應(yīng)用。最近幾年，部分仿生機(jī)器人成果也逐漸被應(yīng)用到了巡檢、救援等煤礦井下作業(yè)任務(wù)中。

仿生蛇救援機(jī)器人

　　蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)柔性高、體積小、穩(wěn)定性好，并具有多種運(yùn)動(dòng)模態(tài)，能夠鉆入狹縫、穿越洞穴、逾越崎嶇地面、翻越障礙物，對(duì)多種復(fù)雜地形具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，比較適合井下搜救與救援等作業(yè)任務(wù)。

　　美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究中心研制了一款用于井下地圖創(chuàng)建的機(jī)器人雪貂，該機(jī)器人裝備有聲納和激光測(cè)距傳感器，能夠建立三維井下地圖，從而可對(duì)礦井環(huán)境進(jìn)行評(píng)估。加拿大安大略大學(xué)研發(fā)了仿生土撥鼠礦難救災(zāi)機(jī)器人，該機(jī)器人采用四足行走，地形適應(yīng)能力強(qiáng)，由4連桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人靈活的頭部，且身體結(jié)構(gòu)具備蠕動(dòng)功能，在遇到堵塞區(qū)域時(shí)能夠進(jìn)行掘進(jìn)，可在狹小空間中穿行，有效減少了環(huán)境探測(cè)的盲區(qū)。

　　仿生機(jī)器人要在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用，需要突破仿生結(jié)構(gòu)、仿生感知、仿生控制、仿生驅(qū)動(dòng)和仿生材料等關(guān)鍵技術(shù)。

仿生結(jié)構(gòu)要求機(jī)器人能模仿生物體的各種運(yùn)動(dòng)方式。仿生感知需要研究生物系統(tǒng)如何感知環(huán)境、處理信息，進(jìn)而使機(jī)器人通過(guò)信息處理具有類似于動(dòng)物的嗅覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等功能。高性能的運(yùn)動(dòng)控制方法是提高仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵，也是制約仿生機(jī)器人性能的關(guān)鍵問(wèn)題。目前最常用的仿生控制方式有基于行為的仿生控制、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的仿生控制、基于遺傳算法的仿生控制、基于群的仿生控制等。動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)主要依靠自身的肌肉動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，肌肉由纖維狀的肌細(xì)胞組成，具有平行和分布式的驅(qū)動(dòng)方式，研究仿生人工肌肉也是模仿動(dòng)物行為的重要內(nèi)容。

　　仿生技術(shù)在煤礦井下機(jī)器人中的應(yīng)用前景主要涉及4個(gè)方面：

　　(1) 新型功能材料的應(yīng)用。井下環(huán)境對(duì)機(jī)器人的防爆性具有極高的要求，防爆設(shè)計(jì)導(dǎo)致機(jī)器人體積與重量增大，影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的提升，也對(duì)動(dòng)力與控制系統(tǒng)提出了更高的要求。因此，當(dāng)前防爆設(shè)計(jì)已成為制約煤礦井下機(jī)器人發(fā)展應(yīng)用的重要因素。在煤礦井下機(jī)器人未來(lái)的研究中，可基于高性能仿生材料開(kāi)發(fā)質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的機(jī)器人防護(hù)材料，通過(guò)對(duì)防爆結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，解決防爆設(shè)計(jì)與高機(jī)動(dòng)性的矛盾；利用新型仿生驅(qū)動(dòng)裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的本質(zhì)安全；基于新型仿生運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化、低功耗、高機(jī)動(dòng)性能的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；應(yīng)用生物能源提高能量利用效率。因此，仿生技術(shù)有望成為煤礦井下機(jī)器人機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的有效途徑。

　　(2) 高效行走方式的應(yīng)用。目前煤礦井下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)大多采用軌道式、輪式、履帶式等形式，這些運(yùn)動(dòng)方式功能單一，只在特定的作業(yè)任務(wù)或運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景中具有較高的效率。面向煤礦井下復(fù)雜、惡劣、多變的地形環(huán)境，如何讓機(jī)器人在井下“走得動(dòng)、走得穩(wěn)、走得遠(yuǎn)”，是煤礦井下機(jī)器人面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。以四足仿生運(yùn)動(dòng)為代表的腿足式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有地形適應(yīng)性好、越障能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，尤其適用于煤礦井下等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，通過(guò)與輪、履等形式進(jìn)行復(fù)合可進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)效率與地形適應(yīng)性，并且通過(guò)加裝機(jī)械臂還可以具有靈活操作能力，從而滿足不同地形條件與不同作業(yè)任務(wù)的需求。因此，隨著防爆、動(dòng)力等技術(shù)瓶頸得到突破，腿足式等仿生移動(dòng)機(jī)構(gòu)有望成為新一代煤礦井下機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)。

　　(3) 智能環(huán)境感知的應(yīng)用。煤礦井下地形復(fù)雜，煤塵多，照度低，并存在信號(hào)屏蔽干擾，煤礦井下機(jī)器人的自主作業(yè)與安全運(yùn)行依賴于對(duì)井下空間、環(huán)境、設(shè)備等信息的全面感知，但是目前的各類礦用傳感器存在體積大、質(zhì)量重、功能單一等問(wèn)題，而仿生感知技術(shù)有望在煤礦井下機(jī)器人的智能感知與險(xiǎn)情識(shí)別中發(fā)揮重要作用。具體而言，可以基于新型仿生感知技術(shù)研發(fā)適用于煤礦井下機(jī)器人的各類防爆、高精度、高可靠性傳感器，構(gòu)建視、聽(tīng)、觸、嗅等多模態(tài)融合的智能感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦井下機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境（地形、溫度、濕度、聲、光、有毒氣體等）的全域感知以及對(duì)自身作業(yè)狀態(tài)的全方位監(jiān)測(cè)；同時(shí)參考生物大腦對(duì)各種感覺(jué)信息的整合處理機(jī)制，運(yùn)用智能算法構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的多元信息智能挖掘分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)瓦斯、煤塵、礦壓、水、火和地質(zhì)等災(zāi)害的智能研判與預(yù)警。

　　(4) 智能化自主作業(yè)的應(yīng)用。“智慧礦山”是未來(lái)煤礦的重要發(fā)展趨勢(shì)，煤礦機(jī)器人的智能化、自主化則是煤礦智能開(kāi)采的核心之一。自主性能差、智能水平低仍是目前煤礦井下機(jī)器人研發(fā)應(yīng)用中最具挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵問(wèn)題，而仿生智能無(wú)疑將在推動(dòng)未來(lái)煤礦機(jī)器人向智能模式發(fā)展中獲得廣泛應(yīng)用。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、腦機(jī)接口、類腦智能等前沿生物智能技術(shù)融入煤礦井下機(jī)器人系統(tǒng)，并結(jié)合智能感知系統(tǒng)可以極大地提高機(jī)器人的自主性能，有助于實(shí)現(xiàn)煤礦井下機(jī)器人的自主識(shí)別、自主控制和自主運(yùn)行。此外，群體智能技術(shù)可廣泛應(yīng)用于掘進(jìn)工作面機(jī)器人群、采煤工作面機(jī)器人群、礦車無(wú)人駕駛系統(tǒng)、礦用自動(dòng)裝載系統(tǒng)等機(jī)器人集群作業(yè)，實(shí)現(xiàn)井下各工種、裝備間的任務(wù)調(diào)度與協(xié)同作業(yè)。

這項(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資金支持。成果以《煤礦井下仿生機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用與前景分析》為題（點(diǎn)擊查看）在《煤炭學(xué)報(bào)》進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)首發(fā)。