In der Kohlemine Dahaize in Yulin, Shaanxi, erstrecken sich Gurtförderer über Kilometer entlang der Stollen, Zehntausende von Tragrollen rollen Tag und Nacht. Verantwortlich für ihre „Inspektion" und „Operation" ist ein neuer „Kollege", der nicht müde wird und sich nicht beklagt – der Tragrollenwechselroboter.

Tragrollenwechselroboter

Dieser intelligente Roboter stammt vom Team von Professor Zhang Qiang vom Fachbereich Maschinenbau und Elektronik der Shandong University of Science and Technology (im Folgenden „SDUST"). In den letzten Jahren hat das Team durch die Integration mehrerer Technologien die Herausforderungen bei Spezialeinsätzen in Minen gelöst.

Tragrollen sind die „Gelenke" der Förderer. In der feuchten, staubigen und stark belasteten Umgebung unter Tage nutzen sich diese „Gelenke" leicht ab und blockieren. Wenn ein Defekt nicht rechtzeitig erkannt wird, kann das Gurtband seitlich abweichen und Kohle verschütten, im schlimmsten Fall sogar Sicherheitsunfälle verursachen.

Wie mühsam war der Tragrollenwechsel früher? Die Bergleute mussten Dutzende Kilo schwere Werkzeuge tragen, Schritt für Schritt entlang der Stollen patrouillieren, bei Problemen die Anlage stoppen, sich dann in den engen Spalt zwischen Gurtband und Querträger zwängen und die Demontage und Montage durchführen.

Prototyp des Tragrollenwechselroboters

Die Veränderung begann mit der Anfrage der Mine Dahaize an die SDUST: Kann man einen Roboter bauen, der die Inspektion und den Austausch der Tragrollen anstelle von Menschen übernimmt? Zhang Qiang machte sich ohne Zögern mit seinem Team auf den Weg nach Yulin und fuhr gemeinsam mit den Bergleuten unter Tage ein. Sie liefen die gesamte Förderstrecke ab und vermaßen vor Ort präzise die entscheidenden Maße wie Stollenbreite, Höhe des Gurtbands über dem Boden und Abstände der Tragrollenstützen.

„Im Labor ist es nicht schwierig, mit einem Roboterarm Standardwerkstücke zu greifen. Doch in den engen, dunklen Stollen unter Tage steigt die Schwierigkeit schlagartig", so Zhang Qiang. Die beengten Platzverhältnisse und die große Menge an schwebendem Kohlenstaub ließen die Erkennungsrate der maschinellen Bildverarbeitung drastisch sinken. Zudem sind die Tragrollenstützen durch die langjährige Belastung und Korrosion oft verformt. Wenn der Roboter versucht, sie anhand der Standardmaße aus den Zeichnungen zu lokalisieren und zu greifen, gelingt dies oft nicht.

Zhang Qiang (Mitte) betreut Studenten bei Experimenten

Um diese Hürden zu überwinden, schlug das Team von Zhang Qiang monatelang sein „Lager" im Bergbaurevier auf. Sie korrigierten wiederholt die Algorithmen zur Multisensorfusion und die Steuerungsparameter und durchliefen Dutzende Iterationen bei Tests unter Tage. Schließlich entwickelte der Roboter außergewöhnliche Fähigkeiten: Er kann sich in den langen, engen Stollen selbstständig entlang des Förderers bewegen, mit Hilfe der Multisensorfusionstechnologie defekte Tragrollen präzise identifizieren und in beengten Räumen den gesamten Prozess von Demontage, Greifen und Montage der Tragrollen durchführen.

Wie findet der Tragrollenwechselroboter seinen Weg unter Tage, wo es kein Satellitensignal gibt? Das ist seine beeindruckendste Eigenschaft. Zhang Qiang sagt: „Damit der Roboter unter Tage wirklich eingesetzt werden kann, ist der Schlüssel, dass er sich auch ohne Satellitennavigation präzise orten kann." Unter Tage herrschen Dunkelheit, Staub, Vibrationen, Erschütterungen, und verschiedene Geräte verursachen Abschattungen und Signalstörungen. Das Team entwickelte daher ein System zur mehrfachen Quellenortung, das es dem Roboter ermöglicht, die Umgebung unter Tage zu „verstehen" und unter extremen Bedingungen eine zentimetergenaue Ortung zu erreichen.

Zhang Qiang (links) betreut Studenten bei Experimenten

Heute hat dieser Tragrollenwechselroboter die Bergleute von gefährlichen und schweren Arbeiten befreit, doch das Team von Zhang Qiang macht keine Pause. Kürzlich haben sie ein wichtiges Spezialprojekt im Rahmen eines nationalen Schlüsselprojekts an Land gezogen, das auf einen noch härteren „Knochen" in der Branche abzielt – den intelligenten Vortrieb von rechteckigen Stollen in hartem Gestein.

„Die Herausforderungen der Branche sind unsere Forschungsaufgaben", sagt Zhang Qiang. Als nächstes wird sich das Team auf die Schlüsseltechnologien des effizienten Schneidens von hartem Gestein, der adaptiven Abstützung von rechteckigen Querschnitten und der koordinierten Steuerung der mehrstufigen Prozesse von Vortrieb, Abstützung und Materialtransport konzentrieren. Ziel ist die Entwicklung eines Robotersystems, das Vortrieb, Abstützung und Transport integriert und koordiniert, um die Wurzeln der neuen Produktivkräfte tiefer und fester unter der Kohle zu verankern.