摘 要

針對煤礦巡檢任務(wù)面臨的復(fù)雜環(huán)境挑戰(zhàn)，提出了一種四足機器人巡檢系統(tǒng)設(shè)計方案。集成激光雷達、慣性測量單元、腿部關(guān)節(jié)編碼器等多傳感器融合技術(shù)，結(jié)合自主導(dǎo)航算法與無線充電技術(shù)，開發(fā)出具備自主建圖、路徑規(guī)劃、動態(tài)避障和自主充電功能的四足機器人巡檢系統(tǒng)。經(jīng)在煤礦地面變電所實際工作場景測試，能實現(xiàn)自主流暢移動，完成環(huán)境數(shù)據(jù)采集與實時監(jiān)測，巡檢速度最高為0.6 m/s，無線充電定位精度<5 cm，具備較高的巡檢效率與安全性。

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：付鑫，主要從事煤礦智能機器人具身智能與強化學(xué)習(xí)研發(fā)工作。 E-mail： fuxin@mail.ccri.ccteg.cn

通訊作者：朱西碩，主要從事煤礦智能機器人控制算法與仿真研發(fā)工作。 E-mail：zhuxishuo@163.com

作者單位：煤炭科學(xué)研究總院有限公司

引用格式：付鑫，朱西碩.煤礦四足機器人巡檢系統(tǒng)設(shè)計與研發(fā)[J].智能礦山，2025，6(11)：71-75.

點擊文末左下角閱讀原文，免費下載閱讀pdf全文

關(guān)注微信公眾號，了解更多礦山智能化建設(shè)進展

煤炭作為我國能源體系的支柱，穩(wěn)定生產(chǎn)高度依賴電力系統(tǒng)的可靠運行。地面室內(nèi)變電所作為礦區(qū)供電的核心樞紐，承擔(dān)著關(guān)鍵功能，部分區(qū)域存在高電壓、強電磁場等安全風(fēng)險，巡檢任務(wù)還需應(yīng)對狹窄通道及動態(tài)障礙。因此，常態(tài)化、精細(xì)化的巡檢對于及時發(fā)現(xiàn)隱患、保障電力系統(tǒng)安全至關(guān)重要。

傳統(tǒng)人工巡檢方式存在勞動強度大、效率低下、易受主觀因素影響、數(shù)據(jù)信息化程度低等弊端，且在高風(fēng)險區(qū)域安全隱患突出，難以滿足智能化、精細(xì)化運維的需求。

隨著機器人技術(shù)、人工智能的飛速發(fā)展，引入機器人系統(tǒng)替代或輔助人工巡檢已成為提升效率、降低風(fēng)險的重要趨勢。四足機器人因其靈活的運動姿態(tài)、較高的負(fù)載能力及對復(fù)雜地形的良好適應(yīng)性，在室內(nèi)變電所巡檢中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，能更有效地穿梭于狹窄空間、繞避障礙。

針對煤礦室內(nèi)變電所的特定需求，設(shè)計了1套強調(diào)自主巡檢與能源自給能力的四足機器人巡檢系統(tǒng)。通過融合多種傳感器與智能算法，實現(xiàn)精準(zhǔn)環(huán)境感知、自主路徑規(guī)劃與動態(tài)避障，確保在復(fù)雜場景下高效完成巡檢任務(wù)。結(jié)合無線充電技術(shù)，機器人可實現(xiàn)自主定位充電，支持長時間無人值守運行。

煤礦四足機器人巡檢系統(tǒng)構(gòu)成

煤礦四足機器人巡檢系統(tǒng)主要由四足機器人本體、無線充電平臺和遠(yuǎn)程控制中心組成，四足機器人巡檢系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 四足機器人巡檢系統(tǒng)

（1）四足機器人本體使用了高機動性平臺，擁有12個自由度，結(jié)構(gòu)緊湊，行動靈活，可有效適應(yīng)復(fù)雜與狹窄的作業(yè)環(huán)境。機器人內(nèi)部集成高性能電池模組、嵌入式控制板以及機載工業(yè)計算機，外部配置了16線激光雷達、攝像頭云臺等傳感器，實現(xiàn)多模態(tài)環(huán)境感知和定位導(dǎo)航。

（2）機器人與遠(yuǎn)程控制中心通過現(xiàn)場部署的WiFi無線網(wǎng)絡(luò)進行實時數(shù)據(jù)與指令的通信，支持遠(yuǎn)程任務(wù)調(diào)度、狀態(tài)監(jiān)控和巡檢數(shù)據(jù)回傳。

（3）無線充電平臺為機器人提供了非接觸式的無線充電功能，配備了機械限位與姿態(tài)調(diào)整機制，確保充電過程的安全、高效與可靠。

（4）遠(yuǎn)程控制中心下發(fā)巡檢任務(wù)指令，接收、存儲并分析巡檢數(shù)據(jù)，實現(xiàn)任務(wù)管理、機器人行為調(diào)度和異常情況報警等功能。

煤礦四足機器人巡檢系統(tǒng)程序與功能

巡檢系統(tǒng)程序涵蓋了自主啟動、節(jié)點巡檢、狀態(tài)判斷與實時上報、自主返航、自動充電以及異常情況處理等核心功能模塊，巡檢系統(tǒng)程序功能模塊如圖2所示。

圖2 巡檢系統(tǒng)程序功能模塊

（1）巡檢流程由遠(yuǎn)程控制中心通過一鍵式操作啟動，隨后機器人自動完成包括攝像頭在內(nèi)的各項傳感器與檢測設(shè)備的初始化，并根據(jù)具體巡檢任務(wù)進行地圖加載以及預(yù)設(shè)巡檢節(jié)點隊列的讀取。

（2）巡檢系統(tǒng)導(dǎo)航與路徑規(guī)劃模塊依據(jù)多源傳感器獲取的環(huán)境信息，動態(tài)生成前往各巡檢點的最優(yōu)路徑，并控制機器人按照規(guī)劃路徑依次移動，具備實時動態(tài)避障能力。在每個預(yù)設(shè)的巡檢節(jié)點，巡檢系統(tǒng)會自動控制云臺及攝像頭采集高清視頻與紅外圖像，并結(jié)合其他傳感器數(shù)據(jù)，通過AI圖像識別算法智能識別儀器儀表讀數(shù)、設(shè)備開關(guān)狀態(tài)，所有檢測結(jié)果將實時回傳至遠(yuǎn)程控制中心進行存儲、分析與歸檔。

（3）當(dāng)所有巡檢節(jié)點任務(wù)完成后，機器人會自主規(guī)劃返航路徑，準(zhǔn)確返回至無線充電站。到達充電站后，巡檢系統(tǒng)自動執(zhí)行對位和充電操作，充電過程中實時監(jiān)控充電狀態(tài)和相關(guān)安全參數(shù)。若在運行過程中遭遇設(shè)備故障、電池電量過低或接收到緊急終止指令，機器人立即停機并進入預(yù)設(shè)的安全保護模式。

煤礦四足機器人無線充電系統(tǒng)

為實現(xiàn)長時間自主巡檢和無人值守運行設(shè)計并集成了一套無線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了結(jié)構(gòu)機械定位、電氣控制邏輯和無線能量傳輸?shù)燃夹g(shù)。

3.1 無線充電系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

無線充電系統(tǒng)主要由充電臺本體、機械定位結(jié)構(gòu)、狀態(tài)指示單元、無線充電發(fā)射板、多組檢測開關(guān)以及輔助引導(dǎo)坡道等模塊組成，煤礦四足機器人無線充電系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 煤礦四足機器人無線充電系統(tǒng)

（1）充電臺前方設(shè)計有輔助引導(dǎo)坡道，便于機器人按照自主導(dǎo)航規(guī)劃的路徑移動到充電臺上方。充電區(qū)域中央布置有無線充電發(fā)射板，上方和下方設(shè)有機械定位限位槽，協(xié)助機器人實現(xiàn)精確的機械對位，確保無線能量傳輸?shù)鸟詈闲Ч_到最佳，減少因位置偏差導(dǎo)致的充電效率下降或潛在安全隱患。

（2）機械定位限位槽的底部設(shè)計微動開關(guān)檢測機構(gòu)，當(dāng)機器人行駛并精確定位就位后，自身結(jié)構(gòu)會觸發(fā)相應(yīng)的微動開關(guān)，準(zhǔn)確獲取機器人在位狀態(tài)，并聯(lián)動控制后續(xù)的充電動作。

3.2 無線充電系統(tǒng)電氣系統(tǒng)設(shè)計

無線充電系統(tǒng)電氣系統(tǒng)設(shè)計如圖4所示，無線充電臺通過WiFi信號接收模塊實時獲取由遠(yuǎn)程任務(wù)調(diào)度中心下發(fā)的充電指令，并同步監(jiān)控機器人的到位信號。當(dāng)機器人成功到達充電位置后，觸發(fā)微動開關(guān)，信號作用于充電控制板，啟動供電開關(guān)。

圖4 無線充電系統(tǒng)電氣系統(tǒng)設(shè)計

充電控制板是核心組件，實現(xiàn)對整個充電流程的智能化管理與充電狀態(tài)實時上報等。供電開關(guān)直接控制主回路電流通斷，接通后為無線充電電路模塊供電。無線充電電路模塊將輸入的交流市電高效轉(zhuǎn)換為適合無線傳輸?shù)母哳l電流，再經(jīng)由無線充電發(fā)射板向安裝在機器人底部的接收模塊發(fā)射能量，實現(xiàn)非接觸式的高效充電。

煤礦四足機器人建圖導(dǎo)航與規(guī)劃

基于多傳感器融合算法，構(gòu)建高效、魯棒的自主導(dǎo)航技術(shù)體系，實現(xiàn)從環(huán)境感知到路徑規(guī)劃和運動控制的閉環(huán)協(xié)同。建圖導(dǎo)航與規(guī)劃系統(tǒng)集成IMU、激光雷達及關(guān)節(jié)編碼器等多種傳感器，獲取機器人及環(huán)境信息。傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)一的時間戳同步、噪聲濾波與坐標(biāo)系配準(zhǔn)處理，保證數(shù)據(jù)的時空一致性和高可靠性，為后續(xù)建圖與定位提供準(zhǔn)確基礎(chǔ)，煤礦四足機器人建圖導(dǎo)航規(guī)劃系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 煤礦四足機器人建圖導(dǎo)航規(guī)劃系統(tǒng)

（1）在煤礦四足機器人建圖與定位模塊，系統(tǒng)采用3個算法模塊協(xié)同工作，包括LIO-SAM構(gòu)建高精度三維環(huán)境地圖與融合IMU實現(xiàn)位姿估計，確保三維空間結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確還原；GMapping生成二維柵格地圖，實時定位與損失地圖的建立，提升地圖的完備性并輔助規(guī)劃算法進行路徑規(guī)劃；NDT-Localization完成點云匹配與回環(huán)檢測，增強機器人在環(huán)境重復(fù)及動態(tài)變化場景下的定位魯棒性。

（2）采用的3個算法模塊產(chǎn)生的地圖數(shù)據(jù)和定位信息匯總至統(tǒng)一的地圖與坐標(biāo)系管理模塊，系統(tǒng)輸出全局和局部地圖，構(gòu)建包括全局坐標(biāo)系、局部導(dǎo)航坐標(biāo)系和機器人機身坐標(biāo)系在內(nèi)的多層級TF樹，支持后端導(dǎo)航和控制模塊的空間參考需求。

（3）路徑規(guī)劃與自主導(dǎo)航環(huán)節(jié)則基于ROS Navigation的框架實現(xiàn)。全局路徑規(guī)劃器依據(jù)已構(gòu)建的地圖及遠(yuǎn)程下達的巡檢任務(wù)節(jié)點序列，實現(xiàn)巡檢節(jié)點間的最優(yōu)路徑規(guī)劃，保證任務(wù)全覆蓋和時間效率。局部路徑規(guī)劃器結(jié)合激光雷達和視覺傳感器的實時環(huán)境信息，動態(tài)調(diào)整路徑以避讓臨時障礙，實現(xiàn)高效的動態(tài)避障能力。任務(wù)調(diào)度模塊實現(xiàn)對巡檢節(jié)點的順序切換和任務(wù)流的智能管理，保障機器人在復(fù)雜環(huán)境中的任務(wù)執(zhí)行連續(xù)性和穩(wěn)定性。

（4）規(guī)劃生成的路徑與導(dǎo)航指令通過底層控制模塊Unitree Legged SDK實現(xiàn)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，完成機器人姿態(tài)調(diào)整、速度控制及運動反饋，確保四足機器人平穩(wěn)、靈活行走。

煤礦四足機器人現(xiàn)場測試

為驗證煤礦四足機器人巡檢系統(tǒng)在真實環(huán)境下的性能，在煤礦地面室內(nèi)變電所進行了系統(tǒng)性現(xiàn)場測試，煤礦四足機器人巡檢系統(tǒng)現(xiàn)場測試如圖6所示。測試環(huán)境中包括有高低壓開關(guān)柜、儀表盤等關(guān)鍵監(jiān)測對象，現(xiàn)場測試主要包括以下4個步驟。

圖6 煤礦四足機器人巡檢系統(tǒng)現(xiàn)場測試

（1）機器人待機狀態(tài)位于無線充電平臺上方，處于對接狀態(tài)，依托高精度機械定位及無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了充電定位誤差低于5 cm的精準(zhǔn)對位，保證無線充電過程安全高效。

（2）機器人根據(jù)遠(yuǎn)程控制中心下發(fā)的任務(wù)指令啟動，完成傳感器與檢測設(shè)備的初始化，并自動沿預(yù)設(shè)路徑依次到達各巡檢節(jié)點。測試中，機器人能夠穩(wěn)定調(diào)整姿態(tài)應(yīng)對巡檢路徑、檢測節(jié)點與人員障礙物，充分體現(xiàn)了其良好的環(huán)境適應(yīng)能力和導(dǎo)航精度。

（3）在巡檢任務(wù)執(zhí)行階段，機器人基于多傳感器融合實現(xiàn)定位以及動態(tài)避障功能?；诩す饫走_、IMU等傳感器的實時數(shù)據(jù)，機器人順利構(gòu)建環(huán)境地圖并實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，準(zhǔn)確抵達巡檢設(shè)備旁的各個檢測節(jié)點，并正確觸發(fā)檢測模塊功能，調(diào)用攝像頭云臺完成對儀表讀數(shù)和開關(guān)狀態(tài)的檢測與圖像采集。配合攝像頭云臺與AI圖像識別技術(shù)，實現(xiàn)了對關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)的智能判斷和數(shù)據(jù)實時回傳。

（4）多輪測試表明，機器人運動平穩(wěn)可靠，巡檢速度最高為0.6 m/s，無碰撞或誤判，急停、返航充電等功能機制表現(xiàn)穩(wěn)定。完成任務(wù)后，機器人自主規(guī)劃返航路徑，精準(zhǔn)返回充電站完成自動充電。

總 結(jié)

（1）圍繞煤礦四足機器人在煤礦地面室內(nèi)變電所的巡檢任務(wù)需求，系統(tǒng)性闡述了其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、多傳感器感知融合方案、高精度建圖定位技術(shù)、智能路徑規(guī)劃策略以及自主無線充電平臺的集成與實現(xiàn)，提出了一種具備高精度環(huán)境適應(yīng)能力與高度自主作業(yè)能力的智能化巡檢解決方案。

（2）在真實煤礦變電所環(huán)境中進行的現(xiàn)場測試結(jié)果充分表明，煤礦四足機器人系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定地完成各項預(yù)設(shè)的巡檢任務(wù)，在高精度地圖構(gòu)建、實時準(zhǔn)確定位、復(fù)雜路徑智能規(guī)劃以及充電過程全自動化等多個關(guān)鍵技術(shù)方面均表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。

（3）煤礦四足機器人系統(tǒng)通過聯(lián)合激光雷達定位與機械限位設(shè)計，解決了四足機器人無線充電所面臨的高精度對準(zhǔn)問題，實現(xiàn)了精確的無線耦合與穩(wěn)定高效的自主充電功能。

（4）煤礦四足機器人系統(tǒng)通過引入多源信息融合、人工智能識別以及先進的智能控制技術(shù)，解決了傳統(tǒng)人工巡檢方式普遍存在的人工參與度高、巡檢過程連續(xù)性不足以及數(shù)據(jù)信息化程度低下等瓶頸問題。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)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(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡介

《智能礦山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中國煤炭科工集團有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

刊載欄目：企業(yè)/團隊/人物專訪政策解讀視角·觀點智能示范礦井對話革新·改造學(xué)術(shù)園地、專題報道等。

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

?? 征稿函詳見鏈接： 征稿┃《智能礦山》面向廣大讀者征稿，歡迎投稿

期刊成果：創(chuàng)刊5年來，策劃出版了“中國煤科煤礦智能化成果”“陜煤集團智能化建設(shè)成果”“聚焦煤炭工業(yè)‘十四五’高質(zhì)量發(fā)展”等特刊/專題30多期。主辦“煤礦智能化重大進展發(fā)布會”“煤炭清潔高效利用先進成果發(fā)布會”“《智能礦山》理事、特約編輯年會暨智能化建設(shè)論壇”“智能礦山零距離”“礦山智能化建設(shè)運維與技術(shù)創(chuàng)新高新研修班”等活動20余次。組建了理事會、特約編輯團隊、卓越人物等千余人產(chǎn)學(xué)研用高端協(xié)同辦刊團隊，打造了“刊-網(wǎng)-號-群-庫”全覆蓋的1+N全媒體傳播平臺，全方位發(fā)布礦山智能化領(lǐng)域新技術(shù)、新產(chǎn)品、新經(jīng)驗。

?? 具體詳見鏈接：《智能礦山》創(chuàng)刊5周年回顧

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

郵發(fā)代號：82-476

?? 期刊訂閱詳見鏈接：歡迎訂閱┃《智能礦山》雜志2026年訂閱開始了！

往期薦讀

• 重磅通知┃關(guān)于召開煤炭無人化開采數(shù)智技術(shù)研討暨重大進展發(fā)布會的通知(2026年1月9—11日北京)

• 行業(yè)聚焦┃2025年礦山智能化建設(shè)運維與技術(shù)創(chuàng)新高級研修班成功在威海舉辦

• 行業(yè)聚焦┃2025智慧礦山技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇（新疆）成功召開

• 行業(yè)聚焦┃2024年煤炭清潔高效利用智能化成果發(fā)布暨選煤廠智能化建設(shè)論壇順利召開

• 征稿┃《智能礦山》面向廣大讀者征稿，歡迎投稿

• 歡迎訂閱┃《智能礦山》雜志2026年訂閱開始了！

• 行業(yè)聚焦┃2024年煤礦智能化重大進展發(fā)布會成功召開

• 《智能礦山》創(chuàng)刊5周年回顧

• 王國法院士煤礦智能化觀點集錦

• 新書訂閱 ┃《中國煤礦智能化發(fā)展報告（2024年）》（王國法，劉峰 主編）

• 訂閱┃探秘太陽石的奧秘 呈現(xiàn)煤的真身：太陽石系列科普叢書重磅發(fā)售

往期特刊

中國煤科特刊

陜煤集團特刊

神東專欄

重大進展特刊

露天礦特刊

理事單位特刊

紅柳林煤礦特刊

創(chuàng)新技術(shù)特刊

創(chuàng)刊號

版權(quán)聲明

本刊對已出版文章持有電子版、網(wǎng)絡(luò)版及進行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)交流和與各網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫合作的權(quán)利，稿酬一次性付清，版權(quán)歸本刊與作者共同所有，如不同意，請在投稿時聲明。

---

聲明：本文系轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng)，請讀者僅作參考，并自行核實相關(guān)內(nèi)容。若對該稿件內(nèi)容有任何疑問或質(zhì)疑，請立即與鐵甲網(wǎng)聯(lián)系，本網(wǎng)將迅速給您回應(yīng)并做處理，再次感謝您的閱讀與關(guān)注。