摘 要

針對(duì)煤礦井下巷道圍巖清理作業(yè)特點(diǎn)，分析巷道清理裝備機(jī)器人化所面臨的技術(shù)難題，提出巷道清理機(jī)器人的基本架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合受限災(zāi)變空間和低照度作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)，研究清理目標(biāo)識(shí)別、電液比例高精度協(xié)同控制、機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其自主行走、清理目標(biāo)識(shí)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(lái)源：《智能礦山》2025年第11期“礦山機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐特刊”

第一作者：張幼振，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事煤礦智能鉆探技術(shù)裝備與機(jī)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(tuán)）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(jī)器人研發(fā)[J].智能礦山，2025，6(11)：92-96.

點(diǎn)擊文末左下角閱讀原文，免費(fèi)下載閱讀pdf全文

關(guān)注微信公眾號(hào)，了解更多礦山智能化建設(shè)進(jìn)展

隨著我國(guó)煤礦逐漸進(jìn)入深部開(kāi)采階段，巷道圍巖控制與治理問(wèn)題日益顯現(xiàn)，圍巖二次支護(hù)、多次清理翻修的場(chǎng)景屢見(jiàn)不鮮。受煤礦井下機(jī)械設(shè)備自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度高、作業(yè)人員多、危險(xiǎn)系數(shù)高等特點(diǎn)，為煤礦安全高效生產(chǎn)帶來(lái)隱患。

當(dāng)前，煤機(jī)裝備的智能化技術(shù)已成為礦山智能化建設(shè)最重要的驅(qū)動(dòng)力之一，煤礦機(jī)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(jī)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(shè)備迫切需求，巷道清理類設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用方面取得了諸多進(jìn)展。國(guó)外主要以德國(guó)哈澤瑪格、戴爾曼哈尼爾公司和美國(guó)特雷克斯公司等研制的巷道修復(fù)機(jī)為典型代表，具有操作簡(jiǎn)便、安全性及可靠性高等特點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)的巷道清理設(shè)備以功能性和自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展為主，實(shí)現(xiàn)了視距內(nèi)遙控操作和部分功能模塊的PLC自動(dòng)化程序控制，主要在巷道底鼓清理中得到了有效應(yīng)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(wú)法直接應(yīng)用于煤礦井下巷道清理設(shè)備，導(dǎo)致其整體水平尚處于機(jī)械化和初級(jí)自動(dòng)化水平，無(wú)法安全高效完成復(fù)雜的巷道清理任務(wù)。

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(jī)器人屬于運(yùn)輸類煤礦機(jī)器人?！睹旱V機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》的基本要求為具有擴(kuò)幫、起底、破碎、鏟裝功能，實(shí)現(xiàn)自主或遙控移機(jī)、巷道變形快速檢測(cè)、精確定位作業(yè)位置、變形巷道修復(fù)及評(píng)測(cè)等功能，提升巷道清理工作效率。

根據(jù)設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀分析，迫切需要在傳統(tǒng)巷道清理機(jī)的基礎(chǔ)上開(kāi)展機(jī)器人化升級(jí)技術(shù)研發(fā)，通過(guò)受人指揮、預(yù)先編程、人工智能規(guī)劃的方式，實(shí)現(xiàn)智能協(xié)同作業(yè)、人機(jī)交互控制，無(wú)人操作完成復(fù)雜的巷道清理任務(wù)。除了巷道輔助作業(yè)機(jī)器人普遍面臨的共性技術(shù)難題外，巷道清理機(jī)器人需重點(diǎn)解決以下3個(gè)方面的問(wèn)題。

（1）復(fù)雜動(dòng)態(tài)變形巷道的清理目標(biāo)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(fù)雜，視覺(jué)識(shí)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(biāo)和清理目標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走路徑規(guī)劃與自主避障，是清理機(jī)器人需要首先關(guān)注并解決的問(wèn)題。

（2）多自由度工作臂位姿精準(zhǔn)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(jī)械臂在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)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(biāo)，多自由度工作臂各關(guān)節(jié)協(xié)同作用下的位姿精準(zhǔn)調(diào)控及軌跡規(guī)劃技術(shù)方面亟待突破。

（3）多清理目標(biāo)作業(yè)模塊化快速更換

為滿足巷道清理目標(biāo)多變的需求，適應(yīng)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(duì)接效率低下的問(wèn)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(dòng)更換技術(shù)進(jìn)行智能化革新，確保復(fù)雜清理任務(wù)的高效執(zhí)行。

煤礦巷道清理機(jī)器人整體方案

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

圖1 巷道清理機(jī)器人機(jī)械架構(gòu)

（1）工作裝置主要由快換機(jī)構(gòu)與不同工作屬具組成。

（2）機(jī)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(tái)組成，通過(guò)安裝的激光雷達(dá)、視覺(jué)相機(jī)等傳感器進(jìn)行定位。

（4）控制系統(tǒng)的車體定位數(shù)據(jù)、機(jī)械臂位姿數(shù)據(jù)和巷道機(jī)器人清理數(shù)據(jù)等可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層上傳至后臺(tái)，完成進(jìn)一步的處理和分析。

（5）動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)包括防爆電機(jī)和泵站等。

煤礦巷道清理機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

圍繞巷道清理機(jī)器人特性難題，開(kāi)展了基于多傳感器融合的巷道多目標(biāo)識(shí)別、工作臂多關(guān)節(jié)協(xié)同控制與軌跡優(yōu)化和多目標(biāo)作業(yè)屬具模塊快換自動(dòng)對(duì)接技術(shù)的重點(diǎn)攻關(guān)。

3.1 復(fù)雜條件下的多清理目標(biāo)識(shí)別技術(shù)

對(duì)多清理目標(biāo)的識(shí)別與定位是智能作業(yè)提高動(dòng)作輸出精度、完成清理任務(wù)的重要保證。巷道清理機(jī)器人搭配的激光雷達(dá)與視覺(jué)融合硬件系統(tǒng)，具有精確目標(biāo)探測(cè)和快速數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)，提高了環(huán)境感知的準(zhǔn)確性和魯棒性。保證清理目標(biāo)檢測(cè)精確率的前提下，通過(guò)卡爾曼濾波算法得到清理點(diǎn)位置信息，引導(dǎo)破碎錘、挖斗等作業(yè)屬具實(shí)現(xiàn)定位作業(yè)。

巷道清理機(jī)器人自主行走與清理目標(biāo)識(shí)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(jì)算資源上的分布情況。巷道清理機(jī)器人接收到任務(wù)指令后，自主行走至清理目標(biāo)點(diǎn)。通過(guò)車體安裝的前/頂/后激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和IMU測(cè)得的加速度、角速度及姿態(tài)信息，構(gòu)建清理機(jī)器人所在巷道三維環(huán)境的點(diǎn)云地圖，點(diǎn)云地圖和機(jī)器人位姿傳送到機(jī)器人自主行走控制模塊，用于進(jìn)行路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中的履帶轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的動(dòng)態(tài)性，其間根據(jù)紅外人員檢測(cè)結(jié)果和激光雷達(dá)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行障礙物和行人規(guī)避。

圖2 巷道清理機(jī)器人自主行走與清理目標(biāo)識(shí)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(jī)器人多自由度機(jī)械臂核心功能是通過(guò)多關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的巷道清理作業(yè)，機(jī)械臂通過(guò)安裝底座與履帶車體平臺(tái)剛性連接，確保在復(fù)雜巷道環(huán)境中的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性。

建立了巷道清理機(jī)器人工作臂的D-H坐標(biāo)系模型（圖3），并對(duì)工作臂的正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析。利用 Multitool 配置了機(jī)械臂 EPEC 控制器的端口和控制報(bào)文，基于現(xiàn)場(chǎng)樣機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)械臂快速到達(dá)指定空間區(qū)域后待命。

圖3 工作臂的 D-H 坐標(biāo)系模型

3.3 多作業(yè)屬具模塊快換自動(dòng)對(duì)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(biāo)的復(fù)雜動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，液壓快換機(jī)構(gòu)使用在機(jī)械臂上，并連接在機(jī)械臂本體與屬具之間，在使用時(shí)可實(shí)現(xiàn)屬具與機(jī)械臂本體之間的快速安裝與拆卸。快換機(jī)構(gòu)示意如圖4所示，臂架連接頭上方對(duì)稱焊有側(cè)板及軸套，臂架連接頭下方裝配液壓滑塊，當(dāng)液壓滑塊上的進(jìn)油口進(jìn)油時(shí)，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。

圖4 快換機(jī)構(gòu)示意

快換機(jī)構(gòu)是起連接作用的中間構(gòu)件，清理機(jī)器人通過(guò)快換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)接不同作業(yè)屬具的功能。屬具自動(dòng)對(duì)接分為2個(gè)過(guò)程。

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

（2）運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂將上耦合件與待裝屬具對(duì)接，并鎖緊快換機(jī)構(gòu)。采用鎖緊液壓缸替代了常規(guī)手動(dòng)結(jié)構(gòu)中的鎖緊銷，精準(zhǔn)完成捕捉與定位，具有一定的位姿補(bǔ)償能力。通過(guò)多作業(yè)屬具自動(dòng)對(duì)接技術(shù)提高了多場(chǎng)景適用性，并滿足無(wú)人化操作要求。

煤礦巷道清理機(jī)器人工程試驗(yàn)

針對(duì)井下巷道清理作業(yè)自動(dòng)化與智能化需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種集成多模態(tài)控制的巷道清理機(jī)器人任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)。通過(guò)構(gòu)建四維功能架構(gòu)，融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自主導(dǎo)航算法和遠(yuǎn)程交互控制機(jī)制。核心技術(shù)突破體現(xiàn)為以下4個(gè)方面。

（1）開(kāi)發(fā)了多源信息融合的任務(wù)調(diào)度引擎，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航路徑與工藝參數(shù)的雙向耦合下發(fā)，支持動(dòng)態(tài)環(huán)境下的工藝自適應(yīng)調(diào)整。

（2）采用工業(yè)級(jí)低延遲通信協(xié)議，研制具有力反饋特征的遠(yuǎn)程控制終端，操控響應(yīng)時(shí)間短。

（3）建立設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)智能感知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件動(dòng)作工序的實(shí)時(shí)展示。

（4）提出基于有限狀態(tài)機(jī)的全流程控制策略，在任務(wù)下發(fā)、開(kāi)始導(dǎo)航、開(kāi)始破碎、開(kāi)始銑挖4個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置自主決策控制。

巷道清理機(jī)器人工程應(yīng)用工藝流程如圖5所示，清理機(jī)器人根據(jù)巷道圍巖變形情況進(jìn)行3個(gè)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(shí)為核心基礎(chǔ)工藝，通過(guò)任務(wù)派發(fā)，移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行初步定位，機(jī)械臂通過(guò)雷達(dá)與視覺(jué)融合系統(tǒng)進(jìn)行高精找正（清理目標(biāo)識(shí)別），巷道清理機(jī)器人按照不同功能要求進(jìn)行作業(yè)。

圖5 巷道清理機(jī)器人工程應(yīng)用工藝流程

在地面應(yīng)用試驗(yàn)中，巷道清理機(jī)器人目標(biāo)形變檢測(cè)誤差為3.36%，目標(biāo)識(shí)別定位的測(cè)量誤差為3.33%，為清理任務(wù)下發(fā)和清理效果判識(shí)提供了準(zhǔn)確的決策依據(jù)。任務(wù)執(zhí)行中實(shí)現(xiàn)了給定空間內(nèi)多個(gè)循環(huán)的自主破碎與鏟裝功能，通過(guò)實(shí)際測(cè)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(biāo)，工作效率是人工的6～8倍。

試驗(yàn)表明，巷道清理機(jī)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(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的作業(yè)人數(shù)，可有效保障復(fù)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(shè)提供了創(chuàng)新性解決方案。

結(jié) 語(yǔ)

巷道清理機(jī)器人是用于煤礦井下巷道圍巖清理修復(fù)施工的專用智能化裝備，整機(jī)具備自主破碎、銑挖、裝載以及遠(yuǎn)程控制等功能，六自由度工作臂可實(shí)現(xiàn)工作屬具的自主更換與抓取，智控系統(tǒng)可實(shí)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(yùn)動(dòng)控制等智能化功能。為煤礦井下巷道清理類輔助作業(yè)實(shí)現(xiàn)減人、增安、提效提供了技術(shù)裝備支撐，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

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(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)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(jiǎn)介

《智能礦山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中國(guó)煤炭科工集團(tuán)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(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國(guó)法院士

刊載欄目：企業(yè)/團(tuán)隊(duì)/人物專訪政策解讀視角·觀點(diǎn)智能示范礦井對(duì)話革新·改造學(xué)術(shù)園地、專題報(bào)道等。

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

?? 征稿函詳見(jiàn)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(lái)，策劃出版了“中國(guó)煤科煤礦智能化成果”“陜煤集團(tuán)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(jìn)展發(fā)布會(huì)”“煤炭清潔高效利用先進(jìn)成果發(fā)布會(huì)”“《智能礦山》理事、特約編輯年會(huì)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(yùn)維與技術(shù)創(chuàng)新高新研修班”等活動(dòng)20余次。組建了理事會(huì)、特約編輯團(tuán)隊(duì)、卓越人物等千余人產(chǎn)學(xué)研用高端協(xié)同辦刊團(tuán)隊(duì)，打造了“刊-網(wǎng)-號(hào)-群-庫(kù)”全覆蓋的1+N全媒體傳播平臺(tái)，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(yàn)。

?? 具體詳見(jiàn)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(hào)：82-476

?? 期刊訂閱詳見(jiàn)鏈接：歡迎訂閱┃《智能礦山》雜志2026年訂閱開(kāi)始了！

往期薦讀

• 重磅通知┃關(guān)于召開(kāi)煤炭無(wú)人化開(kāi)采數(shù)智技術(shù)研討暨成果發(fā)布會(huì)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(yùn)維與技術(shù)創(chuàng)新高級(jí)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(kāi)

• 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(kāi)

• 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(kāi)始了！

• 行業(yè)聚焦┃2024年煤礦智能化重大進(jìn)展發(fā)布會(huì)成功召開(kāi)

• 《智能礦山》創(chuàng)刊5周年回顧

• 王國(guó)法院士煤礦智能化觀點(diǎn)集錦

• 新書(shū)訂閱 ┃《中國(guó)煤礦智能化發(fā)展報(bào)告（2024年）》（王國(guó)法，劉峰 主編）

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

往期特刊

中國(guó)煤科特刊

陜煤集團(tuán)特刊

神東專欄

重大進(jìn)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(hào)

版權(quán)聲明

本刊對(duì)已出版文章持有電子版、網(wǎng)絡(luò)版及進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)交流和與各網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)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(qǐng)?jiān)谕陡鍟r(shí)聲明。

---

聲明：本文系轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng)，請(qǐng)讀者僅作參考，并自行核實(shí)相關(guān)內(nèi)容。若對(duì)該稿件內(nèi)容有任何疑問(wèn)或質(zhì)疑，請(qǐng)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。