中國煤科西安研究院張幼振研究員：煤礦井下巷道清理機器人研發(fā)

2025年12月18日 16:14 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

摘要

針對煤礦井下巷道圍巖清理作業(yè)特點，分析巷道清理裝備機器人化所面臨的技術(shù)難題，提出巷道清理機器人的基本架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合受限災變空間和低照度作業(yè)環(huán)境特點，研究清理目標識別、電液比例高精度協(xié)同控制、機械臂自主作業(yè)規(guī)劃、多功能工作屬具快換等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)巷道清理輔助作業(yè)機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)其自主行走、清理目標識別、多工作屬具快換作業(yè)等功能，為煤礦井下巷道輔助作業(yè)智能化裝備發(fā)展提供支撐。

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

第一作者：張幼振，研究員，博士，博士生導師，主要從事煤礦智能鉆探技術(shù)裝備與機電新產(chǎn)品的研發(fā)工作。E-mail：zhangyouzhen@cctegxian.com

作者單位：中煤科工西安研究院（集團）有限公司

引用格式：張幼振，李旺年，李旭濤，等.煤礦井下巷道清理機器人研發(fā)[J].智能礦山，2025，6(11)：92-96.

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隨著我國煤礦逐漸進入深部開采階段，巷道圍巖控制與治理問題日益顯現(xiàn)，圍巖二次支護、多次清理翻修的場景屢見不鮮。受煤礦井下機械設備自動化與智能化水平限制，煤礦井下巷道圍巖清理作業(yè)存在勞動強度高、作業(yè)人員多、危險系數(shù)高等特點，為煤礦安全高效生產(chǎn)帶來隱患。

當前，煤機裝備的智能化技術(shù)已成為礦山智能化建設最重要的驅(qū)動力之一，煤礦機器人研發(fā)為解決礦山領(lǐng)域減人、增安、提效的難題提供了有效技術(shù)路徑。

巷道清理機器人技術(shù)現(xiàn)狀分析

面向煤礦井下巷道圍巖清理專用設備迫切需求，巷道清理類設備研發(fā)與應用方面取得了諸多進展。國外主要以德國哈澤瑪格、戴爾曼哈尼爾公司和美國特雷克斯公司等研制的巷道修復機為典型代表，具有操作簡便、安全性及可靠性高等特點。

國內(nèi)的巷道清理設備以功能性和自動化技術(shù)發(fā)展為主，實現(xiàn)了視距內(nèi)遙控操作和部分功能模塊的PLC自動化程序控制，主要在巷道底鼓清理中得到了有效應用。但由于煤礦井下特殊環(huán)境條件限制，成熟的感知與控制技術(shù)無法直接應用于煤礦井下巷道清理設備，導致其整體水平尚處于機械化和初級自動化水平，無法安全高效完成復雜的巷道清理任務。

按照煤礦井下作業(yè)區(qū)域、作業(yè)功能定位的不同，巷道清理機器人屬于運輸類煤礦機器人?！睹旱V機器人重點研發(fā)目錄》的基本要求為具有擴幫、起底、破碎、鏟裝功能，實現(xiàn)自主或遙控移機、巷道變形快速檢測、精確定位作業(yè)位置、變形巷道修復及評測等功能，提升巷道清理工作效率。

根據(jù)設備發(fā)展現(xiàn)狀分析，迫切需要在傳統(tǒng)巷道清理機的基礎(chǔ)上開展機器人化升級技術(shù)研發(fā)，通過受人指揮、預先編程、人工智能規(guī)劃的方式，實現(xiàn)智能協(xié)同作業(yè)、人機交互控制，無人操作完成復雜的巷道清理任務。除了巷道輔助作業(yè)機器人普遍面臨的共性技術(shù)難題外，巷道清理機器人需重點解決以下3個方面的問題。

（1）復雜動態(tài)變形巷道的清理目標感知

由于巷道光線、粉塵、濕度等環(huán)境因素以及圍巖變形狀態(tài)復雜，視覺識別和巷道建模存在巨大困難。因此，在環(huán)境下快速建立巷道的三維模型，獲取巷道三維坐標和清理目標位置，實現(xiàn)機器人行走路徑規(guī)劃與自主避障，是清理機器人需要首先關(guān)注并解決的問題。

（2）多自由度工作臂位姿精準調(diào)控及軌跡規(guī)劃

煤礦井下變形巷道非結(jié)構(gòu)化特征明顯，作為核心執(zhí)行部件的多自由度機械臂在結(jié)構(gòu)設計、運動學建模及控制算法要求較高，需滿足末端定位精度和綜合作業(yè)效率等指標，多自由度工作臂各關(guān)節(jié)協(xié)同作用下的位姿精準調(diào)控及軌跡規(guī)劃技術(shù)方面亟待突破。

（3）多清理目標作業(yè)模塊化快速更換

為滿足巷道清理目標多變的需求，適應破碎、挖掘等多樣化的作業(yè)要求，提升工作效率和作業(yè)質(zhì)量，解決人工更換屬具對接效率低下的問題，需研發(fā)巷道破碎-銑挖-鏟裝多功能模塊化作業(yè)單元，以及配套快速自動更換技術(shù)進行智能化革新，確保復雜清理任務的高效執(zhí)行。

煤礦巷道清理機器人整體方案

為滿足巷道清理機器人的功能和性能要求，構(gòu)建了巷道清理機器人的技術(shù)架構(gòu)：機器人本體-自主導航-清理目標感知-多任務作業(yè)控制-清理效果檢測，支撐井下巷道清理場景應用。巷道清理機器人機械架構(gòu)主要由工作裝置、機械臂、履帶底盤、控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)等5部分組成，巷道清理機器人機械架構(gòu)如圖1所示。

圖1 巷道清理機器人機械架構(gòu)

（1）工作裝置主要由快換機構(gòu)與不同工作屬具組成。

（2）機械臂主要由回轉(zhuǎn)裝置與各關(guān)節(jié)臂組成，安裝有編碼器、拉繩傳感器、壓力傳感器等作業(yè)感知裝置。

（3）履帶底盤由履帶總成和車體平臺組成，通過安裝的激光雷達、視覺相機等傳感器進行定位。

（4）控制系統(tǒng)的車體定位數(shù)據(jù)、機械臂位姿數(shù)據(jù)和巷道機器人清理數(shù)據(jù)等可通過網(wǎng)絡層上傳至后臺，完成進一步的處理和分析。

（5）動力機械系統(tǒng)包括防爆電機和泵站等。

煤礦巷道清理機器人關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

圍繞巷道清理機器人特性難題，開展了基于多傳感器融合的巷道多目標識別、工作臂多關(guān)節(jié)協(xié)同控制與軌跡優(yōu)化和多目標作業(yè)屬具模塊快換自動對接技術(shù)的重點攻關(guān)。

3.1 復雜條件下的多清理目標識別技術(shù)

對多清理目標的識別與定位是智能作業(yè)提高動作輸出精度、完成清理任務的重要保證。巷道清理機器人搭配的激光雷達與視覺融合硬件系統(tǒng)，具有精確目標探測和快速數(shù)據(jù)處理的特點，提高了環(huán)境感知的準確性和魯棒性。保證清理目標檢測精確率的前提下，通過卡爾曼濾波算法得到清理點位置信息，引導破碎錘、挖斗等作業(yè)屬具實現(xiàn)定位作業(yè)。

巷道清理機器人自主行走與清理目標識別系統(tǒng)如圖2所示，控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)在各模塊之間的邏輯關(guān)系及各模塊在計算資源上的分布情況。巷道清理機器人接收到任務指令后，自主行走至清理目標點。通過車體安裝的前/頂/后激光雷達的點云數(shù)據(jù)和IMU測得的加速度、角速度及姿態(tài)信息，構(gòu)建清理機器人所在巷道三維環(huán)境的點云地圖，點云地圖和機器人位姿傳送到機器人自主行走控制模塊，用于進行路徑規(guī)劃和運動控制；履帶底盤左/右編碼器的數(shù)據(jù)傳送到自主行走控制模塊中，用于機器人運動控制過程中的履帶轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，保證機器人運動控制的動態(tài)性，其間根據(jù)紅外人員檢測結(jié)果和激光雷達原始點云數(shù)據(jù)進行障礙物和行人規(guī)避。

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圖2 巷道清理機器人自主行走與清理目標識別系統(tǒng)

3.2 工作臂協(xié)同控制與軌跡優(yōu)化技術(shù)

巷道清理機器人多自由度機械臂核心功能是通過多關(guān)節(jié)協(xié)同運動實現(xiàn)高效、精準的巷道清理作業(yè)，機械臂通過安裝底座與履帶車體平臺剛性連接，確保在復雜巷道環(huán)境中的穩(wěn)定性和機動性。

建立了巷道清理機器人工作臂的D-H坐標系模型（圖3），并對工作臂的正、逆運動學進行分析。利用 Multitool 配置了機械臂 EPEC 控制器的端口和控制報文，基于現(xiàn)場樣機調(diào)試提出了作業(yè)屬具末端位置相關(guān)的模糊 PID 控制方法，實現(xiàn)機械臂快速到達指定空間區(qū)域后待命。

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圖3 工作臂的 D-H 坐標系模型

3.3 多作業(yè)屬具模塊快換自動對接技術(shù)

巷道硬巖底鼓、巷幫鼓起及渣料鏟裝等多清理目標的復雜動態(tài)場景，液壓快換機構(gòu)使用在機械臂上，并連接在機械臂本體與屬具之間，在使用時可實現(xiàn)屬具與機械臂本體之間的快速安裝與拆卸?？鞊Q機構(gòu)示意如圖4所示，臂架連接頭上方對稱焊有側(cè)板及軸套，臂架連接頭下方裝配液壓滑塊，當液壓滑塊上的進油口進油時，滑塊活塞桿伸出，使滑塊向前平移，固定銷與屬具安裝座貼合，完成臂架連接頭和屬具的固定。

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圖4 快換機構(gòu)示意

快換機構(gòu)是起連接作用的中間構(gòu)件，清理機器人通過快換機構(gòu)實現(xiàn)對接不同作業(yè)屬具的功能。屬具自動對接分為2個過程。

（1）解鎖快換機構(gòu)，將安裝在機械臂末端快換機構(gòu)上的待換屬具與上耦合件分離。

（2）運動機械臂將上耦合件與待裝屬具對接，并鎖緊快換機構(gòu)。采用鎖緊液壓缸替代了常規(guī)手動結(jié)構(gòu)中的鎖緊銷，精準完成捕捉與定位，具有一定的位姿補償能力。通過多作業(yè)屬具自動對接技術(shù)提高了多場景適用性，并滿足無人化操作要求。

煤礦巷道清理機器人工程試驗

針對井下巷道清理作業(yè)自動化與智能化需求，設計并實現(xiàn)了一種集成多模態(tài)控制的巷道清理機器人任務調(diào)度系統(tǒng)。通過構(gòu)建四維功能架構(gòu)，融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自主導航算法和遠程交互控制機制。核心技術(shù)突破體現(xiàn)為以下4個方面。

（1）開發(fā)了多源信息融合的任務調(diào)度引擎，可實現(xiàn)導航路徑與工藝參數(shù)的雙向耦合下發(fā)，支持動態(tài)環(huán)境下的工藝自適應調(diào)整。

（2）采用工業(yè)級低延遲通信協(xié)議，研制具有力反饋特征的遠程控制終端，操控響應時間短。

（3）建立設備狀態(tài)的實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過智能感知系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵部件動作工序的實時展示。

（4）提出基于有限狀態(tài)機的全流程控制策略，在任務下發(fā)、開始導航、開始破碎、開始銑挖4個關(guān)鍵節(jié)點設置自主決策控制。

巷道清理機器人工程應用工藝流程如圖5所示，清理機器人根據(jù)巷道圍巖變形情況進行3個工作節(jié)拍的清理作業(yè)。智能清理工藝模型以定位-作業(yè)-判識為核心基礎(chǔ)工藝，通過任務派發(fā)，移動平臺進行初步定位，機械臂通過雷達與視覺融合系統(tǒng)進行高精找正（清理目標識別），巷道清理機器人按照不同功能要求進行作業(yè)。

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圖5 巷道清理機器人工程應用工藝流程

在地面應用試驗中，巷道清理機器人目標形變檢測誤差為3.36%，目標識別定位的測量誤差為3.33%，為清理任務下發(fā)和清理效果判識提供了準確的決策依據(jù)。任務執(zhí)行中實現(xiàn)了給定空間內(nèi)多個循環(huán)的自主破碎與鏟裝功能，通過實際測定，破碎錘沖擊功為610 J，鏟斗最大的鏟裝容量為0.025 m，以人均方量作為考核指標，工作效率是人工的6～8倍。

試驗表明，巷道清理機器人提升了巷道清理作業(yè)的安全性和作業(yè)效率，減少了危險區(qū)域內(nèi)的作業(yè)人數(shù)，可有效保障復雜井下環(huán)境中的作業(yè)安全性與工藝可靠性，為礦山智能化建設提供了創(chuàng)新性解決方案。

結(jié) 語

巷道清理機器人是用于煤礦井下巷道圍巖清理修復施工的專用智能化裝備，整機具備自主破碎、銑挖、裝載以及遠程控制等功能，六自由度工作臂可實現(xiàn)工作屬具的自主更換與抓取，智控系統(tǒng)可實現(xiàn)巷道環(huán)境建模、施工作業(yè)決策、路徑規(guī)劃和精確運動控制等智能化功能。為煤礦井下巷道清理類輔助作業(yè)實現(xiàn)減人、增安、提效提供了技術(shù)裝備支撐，市場應用前景廣闊。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄8種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

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