煤科總院馬龍副研究員：球形機器人賦能智慧礦山的探索與前景分析

2025年12月12日 15:39 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

摘要

系統(tǒng)綜述了球形機器人在煤礦井下場景的關鍵技術、應用能力與工程化路徑。基于構型理-工況的映射關系，對比分析擺式偏心力矩、全向輪式偏心力矩與摩擦式內驅動方案；圍繞礦山井下巡檢與災變應急偵測兩類任務，評估拋投式快速部署、滾動信的效能，提出球形-雙輪-飛行的多構態(tài)以彌補越障與可達性不足;歸納工程化落地的輕量化續(xù)航-I類防爆一體化設計、GNSS缺失與強干擾條件下的輕量級多源融合定位導航、面向非結構化地形的環(huán)境適應性結構創(chuàng)成與感知-控制協(xié)同優(yōu)化的后受限空間偵測中潛力顯著，但規(guī)?；渴鹑孕柙诜辣p量化集成、低算力高精度導航與可重構多構態(tài)技術上形成可驗證、可推廣的工程解決方案。

文章來源：《智能礦山》2025年第11期“礦山機器人技術創(chuàng)新與實踐特刊”

第一作者：馬龍，博士，副研究員，主要從事礦山應急與輔助作業(yè)機器人技術研究。E-mail：malong89@126.com

作者單位：煤炭科學研究總院有限公司

引用格式：馬龍，劉英杰，陳昌兵，等.球形機器人賦能智慧礦山的探索與前景分析[J].智能礦山，2025，6(11)：76-81.

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隨著礦山智能化建設的深入推進，機器人已成為實現(xiàn)礦山井下作業(yè)減人-提效-增安的關鍵技術支撐。機器人系統(tǒng)的移動方式及結構設計直接影響在礦井復雜、嚴苛環(huán)境中的可靠性、靈活性與適應性。

當前，傳統(tǒng)輪式或履帶式移動機器人在平坦地形中具有較高的運動效率，但在礦山井下危險狹小的非結構化作業(yè)環(huán)境中，常面臨機體傾覆、通行受限及關鍵部件暴露易損等問題，難以滿足對高機動性、穩(wěn)定性和可靠性的實際需求。相較之下，在多領域中已得到廣泛應用的球形機器人，因其天然的幾何對稱性與密閉結構，在礦山井下作業(yè)場景中具有獨特的技術優(yōu)勢與應用潛力。不同領域的球形機器人如圖1所示。

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圖1 不同領域的球形機器人

（1）球形機器人采用封閉式球殼結構，具備良好的抗傾覆能力和出色的自我保護性能，可提升井下作業(yè)過程中的整體穩(wěn)定性與關鍵部件的耐久性。

（2）球形機器人憑借與地面的點接觸特性，能在井下狹小空間內實現(xiàn)靈活的全向移動，降低作業(yè)響應時間與能耗，具備在復雜環(huán)境中高效運動的潛力。

基于此，筆者系統(tǒng)梳理球形機器人在礦山智能化建設中的技術優(yōu)勢、應用現(xiàn)狀及未來發(fā)展?jié)摿?，重點分析其在礦山應急救援與智能巡檢等典型場景中的適配性與拓展空間，旨在為球形機器人在礦山井下作業(yè)場景中的工程化應用提供思路，推動其由實驗室研究走向實際部署。

球形機器人技術概述

球形機器人是以球體為基本外形，通過內部驅動機構產(chǎn)生力矩或偏心作用，實現(xiàn)球殼在地面滾動運動的移動機器人，其內部驅動機制決定了機器人系統(tǒng)的機動性、穩(wěn)定性及結構復雜性。目前，學術界與工程界對球形機器人驅動方式的研究主要集中在擺式偏心力矩驅動、全向輪式偏心力矩驅動以及摩擦式內驅動3種機制，3種球形機器人驅動機制結構示意如圖2所示。

圖2 3種球形機器人驅動機制結構示意

（1）擺式偏心力矩驅動機制

通過在球殼內部設置偏心重物，利用其擺動產(chǎn)生的偏心力矩驅動球殼滾動。擺式偏心力矩驅動機制的內部結構復雜度低，與球殼之間連接簡單，驅動效率高，運動速度高于另外2種驅動機制，使球形機器人面對不同任務需求時具備搭載能力與實用性方面的提升空間。在礦山等對系統(tǒng)可靠性和耐環(huán)境性要求較高的應用場景中，具有顯著的推廣潛力。

（2）全向輪式偏心力矩驅動機制

在球體內部配置多個全向輪，通過精確控制各個輪組的轉速與方向，使得球體可以實現(xiàn)任意方向上的運動。全向輪式偏心力矩驅動機制與摩擦式內驅動機制對球殼和內部結構的設計加工精度有非常高的要求，同時驅動機制的復雜度高導致實際應用場景下搭載能力弱，運動過程中需要面對全向輪與球殼內壁之間打滑的情況，且具有運動速度低、控制精度差的缺陷。

（3）摩擦式內驅動機制

通過在內部設置多個與球殼接觸的主動輪組，通過輪組與球殼之間的摩擦作用實現(xiàn)球體滾動。

近年來，隨著機器人技術及應用場景需求的不斷拓展，研究趨勢由封閉式球殼結構逐漸轉向可展開球殼結構及其外部感知和交互能力的提升方向。未來球形機器人需要具備靈活可靠的運動能力，更需兼顧環(huán)境感知與操作交互性能，以實現(xiàn)復雜環(huán)境下的自主工作和更廣泛的應用場景覆蓋。

球形機器人在礦山井下巡檢中的應用前景

2.1 球形機器人在礦山井下巡檢中的優(yōu)勢

帶式輸送機、變電所、水泵房等礦山井下機電設備與環(huán)境巡檢是礦山高效生產(chǎn)的重要保障。當前礦山井下巡檢機器人以輪履式結構為主，但在空間受限且非結構化特征明顯的井下作業(yè)環(huán)境中，移動機器人在實際應用中逐漸暴露出傾覆風險高、運動靈活性不足、關鍵部件防護性較差等缺點。針對上述問題，與當前礦井普遍應用的傳統(tǒng)輪式或履帶式機器人相比，球形機器人表現(xiàn)出顯著的技術優(yōu)勢與應用潛力。

（1）球形機器人自我保護性能突出，球殼內部元器件被完全密閉封裝，在井下惡劣環(huán)境區(qū)域，可有效防止粉塵、碎石等對機器人造成的沖擊損壞。

（2）球形機器人抗傾覆性能與能耗表現(xiàn)優(yōu)異，球形外形能夠有效抵抗傾覆風險，且運動過程的能耗水平低，可延長巡檢作業(yè)時間。

（3）球形機器人可實現(xiàn)全向快速移動，靈活實現(xiàn)360°原地轉向與響應，提高狹窄巷道巡檢的效率。

然而，受限于單點接觸與球形結構的局限性，球形機器人也面臨明顯不足，在面對礦井危險區(qū)域或災難救援現(xiàn)場等復雜多變的非結構化環(huán)境時，球形機器人越障能力不足，難以應對高落差、陡坡、溝渠、碎石堆積等特殊地形條件，制約了其運動的靈活性與適用范圍。但此缺點并非根本性技術障礙，通過合理機構設計與構態(tài)轉換方法，可以有效加以改善。

2.2 空地兩棲多構態(tài)球形機器人

煤炭科學研究總院應急機器人研究團隊提出的空地兩棲多構態(tài)球形機器人概念為上述問題提供了可行解決方案。該理念以擺式偏心力矩驅動機構為核心，融合重擺機構、可開合球殼機構及旋翼飛行機構，實現(xiàn)了球形-雙輪-飛行的3種構態(tài)間靈活轉換。

空地兩棲多構態(tài)球形機器人示意如圖3所示，以煤礦井下水泵房巡檢為例，在危險環(huán)境區(qū)域，球形機器人的球殼處于密閉狀態(tài)，利用內部長軸電機與短軸電機協(xié)同實現(xiàn)全方位快速移動，充分發(fā)揮原有結構優(yōu)勢。

圖3 空地兩棲多構態(tài)球形機器人示意

（1）在環(huán)境穩(wěn)定區(qū)域，球形機器人可通過球殼的開合機構切換為雙輪構態(tài)，此時兩側半球殼相對開啟，通過長軸電機差速驅動即可高效實現(xiàn)越障移動與原地精準轉向，利用球殼內部攜帶的傳感器執(zhí)行復雜監(jiān)測任務。

（2）在復雜地形或滾動難以抵達區(qū)域時，球形機器人進一步轉換為飛行構態(tài)，旋翼機構展開，依靠重擺機構與雙旋翼實現(xiàn)起降、懸停、尋向和全向飛行，提升機器人對井下復雜地形的適應能力與越障性能。

球形機器人在礦山井下巡檢領域的應用前景廣闊，尤其在防傾覆性能、全向快速移動及自我保護性等方面，具有顯著優(yōu)勢?，F(xiàn)階段存在越障能力不足的局限，但通過空地兩棲多構態(tài)技術的創(chuàng)新與融合，此類技術局限有望得到根本性解決，進一步釋放球形機器人在礦井巡檢領域的巨大潛力。

球形機器人在礦井災變應急偵測中的應用前景

礦山災害發(fā)生后，井下空間形成大量封閉或半封閉的非結構化未知受限空間，高溫、高濕、有毒有害氣體及低能見度，嚴重制約人工和傳統(tǒng)偵測裝備的作業(yè)能力。災后受限空間關鍵環(huán)境信息的快速獲取，是礦井災變應急偵測的瓶頸問題?，F(xiàn)有中大型監(jiān)測裝備因體積大、通行性差、部署復雜，難以深入上述區(qū)域開展有效探測。球形機器人憑借密閉結構、小型化和全向機動性，為礦井災變受限空間內的高效偵測提供了先進可行的解決方案，可拋擲球形機器人在礦井災變受限空間內的偵測作業(yè)示意如圖4所示。

圖4 可拋擲球形機器人在礦井災變受限空間內的偵測作業(yè)示意

（1）部署方式的優(yōu)勢是球形機器人在應急偵測場景中的突出表現(xiàn)。球形機器人的獨特結構特征具備被動運動能力強、防傾覆性能優(yōu)異的特點，可通過單兵拋投或簡易釋放裝置，快速部署至災區(qū)受限空間的核心位置，實現(xiàn)高效響應。特別是在礦井災變的初期階段，球形機器人可作為先遣偵測單元，快速進入受限空間開展環(huán)境感知與風險識別，提升信息采集效率與作業(yè)安全性。

（2）球形機器人對稱式球殼結構，使其在碎石堆積、塌方堵塞、坡度變化等復雜地形中保持穩(wěn)定運動，并有效避免關鍵部件暴露，增強系統(tǒng)可靠性。擺式偏心力矩驅動機制賦予了重擺在球殼內部的周向全方位可達能力，可通過重擺實現(xiàn)球形機器人運動方向的控制。融合設計彈跳結構與重擺結構，使重擺具備球殼內部周向全方位可達能力，在徑向方向上快速釋放彈性勢能，實現(xiàn)球形機器人越障能力的提升，使球形機器人無需依賴連續(xù)整平的通行路徑，通過滾動與彈跳配合實現(xiàn)靈活穿越、原地轉向和越障，提高在非結構化空間內的通行能力與操作靈活性，契合礦井災后受限空間的作業(yè)需求。

（3）井下災變發(fā)生后，通信條件不穩(wěn)定，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)易因塌方或巷道阻隔中斷，降低了遠程控制與數(shù)據(jù)回傳效率。多臺可拋擲球形偵測機器人可在復雜空間中部署形成臨時自組網(wǎng)通信系統(tǒng)，通過跳躍式中繼方式建立動態(tài)通信鏈路，拓展無線信號覆蓋范圍。打通了災區(qū)至指揮中心之間的信息孤島，支持多機器人高效協(xié)同，為復雜任務執(zhí)行和實時數(shù)據(jù)共享提供了通信保障。

綜上，球形機器人在礦井災變后受限空間偵測中的應用，展現(xiàn)出部署快速、結構防護優(yōu)越、環(huán)境適應廣泛、通信能力增強等優(yōu)勢，形成針對性強、系統(tǒng)性高的應急響應解決方案。其理念的先進性不僅體現(xiàn)在結構形式與運動機制的創(chuàng)新，更體現(xiàn)在其多功能集成

球形機器人在礦山領域的關鍵技術挑戰(zhàn)

面對礦山井下作業(yè)環(huán)境的復雜性與高風險性，球形機器人在推廣應用過程中仍面臨一系列關鍵技術挑戰(zhàn)，主要集中在以下3個方面。

4.1 輕量化、長續(xù)航、可靠性與防爆性能的融合設計

礦井作業(yè)環(huán)境對機器人裝備，提出了輕量化、長續(xù)航以及I類防爆等多重嚴格要求。由于球形機器人內部空間有限，在極其緊湊的結構中集成高能量密度的電源及可靠的防爆結構，設計難度高，在確保安全可靠的前提下，兼顧結構輕量化與能源效率，實現(xiàn)高效協(xié)同優(yōu)化，是球形機器人實際部署應用的首要難題。

球形機器人在結構設計時普遍遵循減小球殼質量、降低機器人質心、增大重擺質量的核心原則。該原則與礦井I類防爆標準的嚴格要求存在一定矛盾，特別是在球殼選材與結構優(yōu)化方面。

針對此問題，煤炭科學研究總院應急機器人研究團隊成員深入開展了球殼材料與結構的專項研究，系統(tǒng)分析了低速沖擊條件下玻璃纖維增強聚合物（GFRP）材質球殼的動力學響應及其損傷特性。研究結果表明，該材料在滿足球殼機械強度要求的同時，具備良好的輕量化優(yōu)勢。GFRP材質有效避免了金屬殼體對內部機構控制信號的屏蔽問題，并能滿足I類防爆標準對非金屬材料阻燃性能的嚴苛要求，為球殼內部非重擺機構的輕量化設計提供了技術路徑，展現(xiàn)出較強的實際應用潛力。

滿足I類防爆標準的輕量化、高功率密度驅動模塊及高能量密度電池系統(tǒng)的開發(fā)，也成為球形機器人實際推廣應用的關鍵技術難點。當前，國內外研究團隊的主要研究思路集中在將電機定子與轉子、高能量密度電池以及集成化控制模塊等電氣零部件，一體化融合設計防爆結構與機械承載結構，以降低整體驅動系統(tǒng)的體積和質量，解決防爆需求與結構緊湊性的矛盾，為球形機器人在礦山環(huán)境中的應用，提供了切實可行的解決方案。

4.2 礦井復雜環(huán)境下的精準定位與導航

精準定位導航是球形機器人井下自主作業(yè)的重要保障。礦井巷道封閉復雜，全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）信號缺失，電磁干擾強烈、粉塵多、光照不足，地面常規(guī)導航方法難以直接適用。球形機器人以點接觸滾動移動方式運行，容易受巷道地形與滑移干擾，進一步降低了導航精度和穩(wěn)定性。

為應對上述難題，研究團隊積極探索激光雷達（LiDAR）、超寬帶（UWB）、慣性測量單元（IMU）及視覺里程計（VO）等多傳感器信息融合方案。上述多源信息融合的導航方法存在傳感器冗余與計算復雜性高等問題，難以完全滿足球形機器人在井下長時間自主作業(yè)對能耗與實時性要求高的需求。

近期研究的熱點之一是發(fā)展輕量化的多源信息融合策略，如北京理工大學通過引入深度學習算法與自適應濾波技術，提高導航系統(tǒng)的計算效率與環(huán)境適應性。

針對球形機器人自身結構與運動特性，提出了一系列針對性算法優(yōu)化?；谶\動學模型與機器學習融合的軌跡預測方法，降低了定位誤差與導航能耗，研究成果提升了球形機器人在礦井復雜作業(yè)環(huán)境中的自主導航性能，拓寬了其實際部署和作業(yè)場景適用范圍。

礦井復雜環(huán)境下的精準定位與導航技術是球形機器人走向實用化部署的關鍵瓶頸。未來需要進一步加強多源信息融合方法與自主定位導航算法的研究與優(yōu)化，充分結合礦井環(huán)境與機器人自身特性，推動球形機器人在礦山井下實際應用中實現(xiàn)高可靠性、高精度、自適應的導航性能。

4.3 面向井下任務需求的環(huán)境適應性結構創(chuàng)成技術

礦井常見高落差、陡坡、溝渠和碎石堆積等非結構化障礙物，對單一滾動運動的球形機器人提出嚴峻挑戰(zhàn)，嚴重制約其作業(yè)范圍。為提升適應性，研究探索彈跳、飛行等多構態(tài)集成方案，例如可展開球殼、旋翼系統(tǒng)等。多構態(tài)和可變結構設計通常增加機器人自身結構復雜度和質量，帶來了能耗與續(xù)航能力之間的平衡問題。

環(huán)境適應性結構創(chuàng)成技術的核心目標是在功能多樣性與結構輕量化之間取得最佳平衡。通過采用新型高強度輕質材料以及模塊化設計策略，在保證結構強度和越障能力的同時，控制整體質量與功耗?；谥悄芨兄c決策算法，自適應調整結構構態(tài)與運動模式，成為提升環(huán)境適應性的重要趨勢。

面向井下任務需求的環(huán)境適應性結構創(chuàng)成技術，需從機械結構層面突破單一運動模式限制，更需從材料選擇、智能控制算法以及多構態(tài)運動模式協(xié)調等多方面深入探索，以實現(xiàn)球形機器人在井下復雜環(huán)境中的高效、自主、靈活作業(yè)，推動礦山機器人的實際應用與廣泛推廣。

綜上，盡管球形機器人具備廣闊應用潛力，但在輕量防爆設計、井下精準導航及復雜地形適應等方面仍存在顯著挑戰(zhàn)。需依托多學科融合，持續(xù)推動技術創(chuàng)新，助力其實現(xiàn)從實驗室驗證向礦井實際部署的轉化。

結語

球形機器人以其結構對稱性與靈活機動的優(yōu)勢，在礦山井下巡檢與應急偵測領域展現(xiàn)出傳統(tǒng)裝備難以企及的潛力。但從實際應用角度來看，仍需攻克輕量化與防爆融合、精準導航定位以及環(huán)境適應性拓展等關鍵技術難題。隨著智能傳感、結構設計與控制算法的持續(xù)創(chuàng)新與融合發(fā)展，球形機器人將逐步突破現(xiàn)有瓶頸，實現(xiàn)從實驗室技術驗證到井下實際部署的轉化，助推礦山智能化建設邁向新階段。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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