21.02.2018

MacGyver z AGH, czyli prototyp robota górniczego


Robot dla ratownictwa górniczego (www.fastcoexist.com)

Zrobotyzowany system do tworzenia map wirtualnych (źródło: www.academia.edu)

„Nasz robot będzie się różnił od istniejących. Chcemy, aby był pierwszą maszyną, która dostanie pewną swobodę działania. Uważamy, że projektowanie maszyn pójdzie w niedalekiej przyszłości właśnie w tym kierunku, żeby miały one autonomię. Człowiek będzie tyko nadzorował ich działanie, ewentualnie serwisował co jakiś czas i dawał zadanie do wykonania, ale maszyny będą działać samodzielne” – mówią naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej. Zespół pod kierownictwem prof. Krzysztofa Krauzego na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Robotyki składa się ze specjalistów zajmujących się konstrukcją, napędami, sterowaniem i zasilaniem. Mają oni bogate doświadczenie w konstruowaniu różnego rodzaju maszyn górniczych, takich jak kombajny do urobku węgla, obudowy, maszyny do wydobywania różnego rodzaju rud, samojezdne wozy wiercące, kotwiące, dostawcze, maszyny transportowe wykorzystywane w górnictwie, czyli przenośniki taśmowe, zgrzebłowe, maszyny dla drogownictwa. Naukowcy z Katedry Maszyn Górniczych, Przeróbczych i Transportowych doskonalą się w opracowywaniu niekonwencjonalnych technik urabiania skał, umożliwiających oddzielanie surowca od odpadu w trakcie urabiania oraz w procesie wzbogacania w zakładach przeróbczych. Biorąc pod uwagę te umiejętności i wiedzę, uczeni z IMiR postanowili poszerzyć obszar działalności i zająć się także robotyzacją maszyn.

Ja, robot

„Chcemy zgłębić problem eksploracji starych zrobów oraz takich części kopalń, które mogą być narażone na różnego rodzaju działania natury. Opracowując koncepcję robota, mamy na celu stworzenie maszyny, dzięki której da się uprzedzić ewentualne niebezpieczne sytuacje. Prace rozpoczęliśmy od przejrzenia istniejących rozwiązań i zorientowaliśmy się, że inne ośrodki naukowo-badawcze w Polsce i na świecie realizują podobne pomysły, ale raczej skupiają się na robotach dla wojska, policji czy straży pożarnej. Zadaniem tych maszyn jest wjechanie do strefy zagrożonej i na przykład przetransportowanie człowieka czy podejrzanego ładunku” – mówi dr hab. inż. Krzysztof Kotwica, prof. nadzw. „Naszej koncepcji natomiast przyświeca co innego. Chcieliśmy opracować technologię i metody projektowania maszyn autonomicznych dla górnictwa, ponieważ pod ziemią są inne warunki niż na powierzchni, a ponadto w niektórych kopalniach jest bardziej niebezpiecznie i występują strefy wybuchowe. Zwykłe maszyny tam sobie nie poradzą, postanowiliśmy więc nauczyć się konstruowania autonomicznych maszyn podobnych do robota. Nasze urządzenie miałoby wyeliminować konieczność wejścia człowieka w strefy niebezpieczne występujące po wypadkach, tąpnięciach, pożarach czy wybuchach” – tłumaczy dr inż. Marcin Nawrocki.
Zagrożenie w kopalniach stanowią metan, siarkowodór, różnego rodzaju tlenki i zapylenie. Robot, który planują zbudować naukowcy z AGH, mógłby wchodzić w niebezpieczne miejsca i sprawdzać parametry w nich panujące. To bardzo ważne, ponieważ po wypadkach ratownicy górniczy, spiesząc z pomocą swoim kolegom uwięzionym pod ziemią, muszą zejść w środowisko niebezpieczne dla ich zdrowia i życia. Idealnie byłoby, gdyby mogli skorzystać z maszyny, która najpierw sprawdzi, jakie warunki panują w miejscu wypadku. W wielu kopalniach, jak choćby w Kopalni Soli „Wieliczka”, istnieją też stare wyrobiska, które udostępnia się zwiedzającym, ponieważ można je bezpiecznie przejść i wyremontować. Pomysł uczonych ma doprowadzić do tego, aby maszyny zaczęły pracować autonomicznie, co oczywiście nie oznacza wykluczenia ludzi, bowiem do nadzoru każdej maszyny potrzebny jest człowiek.
„Po przejrzeniu istniejących robotów dla kopalń zauważyliśmy, że nie ma takich, które powstałyby stricte dla górnictwa, zaś te, które są w użyciu, to zmodyfikowane jednostki wymyślone dla policji czy straży pożarnej. Takie podejście polegające na dostosowaniu maszyny do innych warunków nie jest wystarczające, ponieważ i tak trzeba dołożyć wiele rozwiązań umożliwiających jej pracę pod ziemią. To powoduje, że roboty te rozrastają się do bardzo dużych wymiarów, co w specyficznych kopalnianych warunkach zdecydowanie jest wadą” – mówią uczeni. Chcą oni w związku z tym skonstruować zrobotyzowaną platformę, która będzie mogła być wyposażana w różne narzędzia przydatne podczas realizacji określonego zadania. Może być to tylko monitoring środowiska kopalnianego, czy skanowanie i mapowanie przestrzeni. Chodzi o to, aby w przypadku zawału w kopalni to robot wjechał pod ziemię i sprawdził, jak w chwili obecnej wygląda przestrzeń, jak zostały uszkodzone chodniki i czy są prześwity, którymi ratownicy mogą przedostać się do potrzebujących.

Halo, halo, odbiór!

Robot musi umieć także komunikować się z ludźmi, co wiąże się z określeniem sposobu tej komunikacji – przewodowe czy bezprzewodowe. W kopalniach jest problem z przesyłaniem danych bezprzewodowo. Można założyć, że w strefach tąpnięć infrastruktura kopalni zostanie zniszczona, dlatego maszyna musi sama umieć się odnaleźć w otoczeniu i pamiętać drogę, którą przebyła, żeby mogła samodzielnie się wycofać. Obecnie jest to już możliwe dzięki zastosowaniu tak zwanego sterowania behawioralnego. Dla robotów mobilnych istnieją już algorytmy sterowania, a kopalnia będzie świetnym polem do testów tych systemów.
Naukowcy chcą także, aby robot potrafił przewieźć i dostarczyć coś uwięzionym ludziom, czyli np. butle ze sprężonym powietrzem lub wodę. Może pełnić funkcje transportowe i wieźć narzędzia potrzebne ratownikom, żeby nie musieli ich dźwigać. Rozważają rozwiązanie modułowe swojej konstrukcji, polegające na tym, że zaprojektują podwozie, do którego dopasują źródło energii, sposób sterowania i przemieszczania. Trzeba rozważyć wersję kroczącą lub jeżdżącą na kołach czy gąsienicach. „Mamy duże doświadczenie w rozwiązywaniu problemów przemieszczania się lżejszych i cięższych maszyn w kopalniach. Koncepcyjnie rozwiązujemy wiele zagadnień z tego zakresu. Wiemy z doświadczenia, że roboty kroczące są wolniejsze i mniej stabilne, ale łatwiej poruszają się w trudnym terenie – w przeciwieństwie do robotów na podwoziu kołowym lub gąsienicowym. Możliwe jest zastosowanie dwóch typów napędów, aby część trasy robot przebył na jednym, następnie zastosował drugi sposób poruszania się. Wyglądałoby to, jakby dwa roboty były połączone w jeden. Chcemy, aby potrafił też wsunąć w szczelinę ramię zakończone kamerą czy skanerem, aby spenetrować zasypaną przestrzeń” – mówi dr inż. Marcin Nawrocki.

Górniczy MacGyver

Naukowcy będą bazować na najczęstszych scenariuszach akcji ratowniczych w kopalniach, na akcjach ratunkowych, które rzeczywiście się odbyły i według nich wyposażać swojego robota i uczyć go rozwiązywania problemów. Podkreślają, że mają bardzo dobry kontakt z przemysłem górniczym i z Centralną Stacją Ratownictwa Górniczego z Bytomia, dzięki czemu robot będzie najbardziej wszechstronnie przystosowany do pomocy podczas akcji ratunkowych. Krótko mówiąc chcą, aby robot posiadał między innymi całą gamę alternatywnych rozwiązań, które będą działać na zasadzie szybkozłączy i zamiennych elementów, takich jak wiertła i chwytaki. „Zakładamy bowiem, że zostanie wyposażony nie tylko w narzędzia przydatne spieszącym na pomoc, ale też w sprzęt i rozwiązania umożliwiające ewakuację człowieka Nasz robot to byłby taki MacGyver. Chcielibyśmy, aby składał się z modułów, mogących znaleźć zastosowanie w rozmaitych sytuacjach zaistniałych pod ziemią ” – mówi dr hab. inż. Krzysztof Kotwica, prof. nadzw.
„Ten robot będzie się różnił od istniejących. Chcemy, aby był pierwszą maszyną, która będzie posiadała swobodę działania. Uważam, że projektowanie maszyn będzie szło właśnie w tym kierunku, żeby miały one autonomię. Człowiek będzie tyko nadzorował ich działanie, ewentualnie serwisował co jakiś czas i dawał zadanie do wykonania, ale maszyny będą działać samodzielne. Jeśli pójdziemy w takim kierunku rozwoju, to opracowanie robota dla ratownictwa górniczego da nam pojęcie o warunkach, jakie musi spełniać autonomiczna maszyna w tak trudnym środowisku. Efektem zdobytego doświadczenia będzie możliwość projektowania innych maszyn dla górnictwa podziemnego, w których zostaną wykorzystane opracowane technologie. Czyli dla nas naukowców będzie to też cenna baza do opracowywania coraz lepszych, wydajniejszych i bardziej wszechstronnych nowoczesnych robotów. Chcemy z niego uzyskać jak największy feedback, czyli zwrot danych w celu przygotowywania nowych konstrukcji” – wyjaśnia dr Nawrocki. „W górnictwie cały czas jest problemem geodezyjne prowadzenie maszyn, czyli aby były one zdolne orientować się w wyrobisku. Przy pracy maszyn górniczych występują dość duże drgania, siły i momenty generowane zarówno przez narzędzie, jak i samą maszynę, która napiera na urabiany górotwór. Przypomnijmy, że GPS pod ziemią nie działa, a prawidłowe ukierunkowanie maszyny jest niezwykle istotne. Można to łatwo wytłumaczyć, wyobrażając sobie drążenie tunelu metra równocześnie z dwóch końców. Chodzi o to, aby maszyny się nie minęły, w przeciwnym razie cała praca i koszty pójdą na nic. Coś takiego wymaga wielkiej precyzji. Maszyny górnicze drążą nawet do kilku metrów na godzinę, więc muszą się szybko orientować w wyborze prawidłowego kierunku” – dodaje prof. Kotwica.
Projekt interdyscyplinarny

Wykonanie robota, którego będzie można wdrożyć do produkcji, to koszt kilku, a nawet, jak obliczają uczeni, kilkunastu milionów złotych, aby ograniczyć koszty projektowania, planują posłużyć się wirtualnym prototypowaniem, niemniej żeby zrealizować projekt, muszą dysponować wyposażeniem i specjalistami – te problemy już mają częściowo rozwiązane – oraz finansami. „Mamy kilka programów i grono osób, które są w stanie tak zamodelować zarówno samą maszynę, jak i środowisko, w jakim będzie pracowała, aby sprawdzić kinematykę, kolizyjność, stabilność, wytrzymałość; istnieje także możliwość wykonania analiz dynamicznych, pokonywania przeszkód itp. Ale oprócz nich do współpracy przy tym projekcie będą potrzebni specjaliści mechanicy, konstruktorzy, elektrycy, informatycy” – podkreślają naukowcy.
Głębokość eksploatacji cały czas się zwiększa. W wielu kopalniach polscy górnicy schodzą nawet do głębokości 1200 metrów, a w kilku już ją przekroczyli. Im głębiej górnicy sięgają pod ziemię, tym w wyższych temperaturach pracują – temperatura górotworu to nawet ponad 40 st. C, co wymaga stosowania nowych maszyn i urządzeń z klimatyzowanymi kabinami dla operatorów. Po przekroczeniu wartości temperatury powietrza w wyrobisku powyżej 32 stopni niezbędne będzie wycofanie ludzi. Co wtedy? Naukowcy uważają, że przyszłością będzie budowanie całych zrobotyzowanych kompleksów, które będą ze sobą współpracowały. Jak to można zrobić, jakie zastosować rozwiązania i metody? Odpowiedzi na te i wiele innych pytań powinno przynieść zakończenie projektu w postaci autonomicznego, wielomodułowego robota dla górnictwa podziemnego, wykorzystującego jak najwięcej już istniejących rozwiązań.
Naukowcy poprzez Instytut Autostrada Technologii i Innowacji szukają partnerów, którzy będą zainteresowani powstaniem takiego robota oraz zainwestują w jego opracowanie i testy. Przypomnijmy, że Centrum Kompetencji Nowoczesnej Technologii Wydobywczych w IATI zostało powołane z myślą o integracji wspólnych działań związanych z opracowywaniem i wdrażaniem nowych technologii, urządzeń i maszyn dla górnictwa podziemnego oraz odkrywkowego.
Ze względu na specyfikę branży górniczej, samodzielne określanie nowych trendów w rozwoju maszyn i urządzeń górniczych narażone jest na duże ryzyko zarówno ze względu na możliwości techniczne, jak i finansowe wykonawcy. Związane jest to z koniecznością przeprowadzenia w pierwszej fazie prac projektowych, badań podstawowych oraz przemysłowych, a w drugiej fazie badań poligonowych i wdrożenia nowych rozwiązań maszyn i urządzeń. Badania te muszą być przeprowadzane w specyficznych warunkach górniczo-geologicznych i techniczno-organizacyjnych zakładów górniczych, a ponadto muszą być zgodne z przepisami Wyższego Urzędu Górniczego. Wykonanie takich prac w zespole, w skład którego wejdą producenci oraz użytkownicy opracowywanych maszyn i technologii, zwiększa szanse na osiągnięcie sukcesu.
W 2014 roku podjęli również inicjatywę stworzenia nowej grupy roboczej Robotics in Mining w strukturach Stowarzyszenia euRobotics, partnera Komisji Europejskiej ds. Planowania Badań, Rozwoju i Innowacji. Po niespełna roku, w marcu 2015 roku, w trakcie Europejskiego Forum Robotyki (ERF) oficjalnie powołano TG Mining, którego koordynatorem został przedstawiciel Katedry MGPiT. Wynikiem dotychczasowych działań jest opracowanie Multi Annual Road Map dla robotyzacji górnictwa na najbliższe lata, który to dokument został przedłożony w Komisji Europejskiej. Będzie on wytyczał kierunki badań, które mogą być wspierane z funduszy unijnych.

Ilona Trębacz