机器人特刊┃中科院沈阳自动化所郎智明副研究员：矿井巷道垂直起降式管道螺孔对接机器人设计与分析

2025年12月01日 15:33 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

摘要

为解决煤矿井下管道安装中法兰螺栓孔对接难度大、人工操作强度高、传统机械臂效率低等问题，设计了垂直起降式管道螺孔对接机器人。采用叉车式举升机构替代传统机械臂，搭配平移、旋转、倾斜机构及新型主动滚动抓取夹手，并增设临时托架优化作业流程;基于改进D−H法建立机器人连杆坐标系与运动学模型，利用ADAMS开展动力学仿真(验证夹取接触力、液压缸推力达标)，搭建试验台对主动滚动夹手进行功能验证。结果表明：机器人可实现管道精准夹取、举升、平移及螺孔定位(孔心偏差≤±1 mm)，满足井下管道半自动化安装需求，降低人力成本与安全风险，为巷道管道智能化安装提供技术支撑。

文章来源：《智能矿山》2025年第11期“矿山机器人技术创新与实践特刊”

第一作者：郎智明，副研究员，主要从事机器人结构设计研发工作。 E-mail：langzhiming@sia.cn

作者单位：中国科学院沈阳自动化研究所；沈阳理工大学

引用格式：郎智明，欧阳子江，卜春光，等.矿井巷道垂直起降式管道螺孔对接机器人设计与分析[J].智能矿山，2025，6(11)：15-23.

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我国煤矿井下管道安装与维护的工程量巨大，每年新铺设管道长度超过 40 000 km，管道维护长度超过 20 000 km。井下空间狭窄、管道类型与管径规格多、质量大，目前管道安装分为人工操作和机械臂操作2种形式，其中人工操作施工难度大、作业强度高、标准化程度低和安全风险大等突出问题；而传统机械臂设计复杂，自由度多，算法运行效率低。针对以上问题，笔者设计了一种垂直起降式管道安装机器人替代人工完成管道对接，并进行了三维建模，开展运动学、动力学仿真分析，对部分零部件完成了试验验证，以期实现井下管道安装的半自动化、智能化。

为提升管道安装作业效率，区别于传统管道安装机器人使用的常规机械臂，创新采用直线升降式叉车车架，缩短作业周期，提高工作效率；辅以其他自由度，实现管道倾斜、偏转和滚转，精准完成管道法兰螺纹孔的对接。由于管道长度通常超过巷道的高与宽，机器人底盘设置临时托架，可将管道从巷道一侧转移至另一侧，完成管道卸车或安装作业，进一步优化了作业流程。

巷道管道安装机器人设计

垂直起降式管道安装机器人作业巷道高和宽均为5 m，针对直径为108～355 mm的钢管进行抓取，钢管≥ 500 kg。机械臂安装在车辆底盘上，底盘高1 m。底盘上具有平移、水平旋转2个自由度，夹取机构具有倾斜和管道滚转两个自由度，能控制管道与墙壁之间的距离、夹角和倾角，以适应管道在巷道不同的安装空间位置，并在抓取后实现管道滚转，以调整安装法兰螺栓孔的相对位置，顺利实现管道对接。

井下巷道垂直起降式管道螺孔对接机器人设计主要由车辆底盘、举升机构、平移机构、旋转机构、倾斜机构、夹取机构和临时托架等部分组成，其中叉车式举升机构包括基座、一级举升机构和二级举升机构，机器人最小空间尺寸为2 200×3 800×3 600 mm³（宽 × 长 × 高），井下巷道垂直起降式管道螺孔对接机器人主要组成部分如图1所示。

图1 井下巷道垂直起降式管道螺孔对接机器人主要组成部分

1.1 举升机构设计方案

叉车原理的垂直起降机构与传统式机械臂相比，更适用于井下管道安装的工况，设计为三倍行程的举升结构，举升结构原理示意如图2所示。

图2 举升结构原理示意

与常规叉车门架之间使用滚轮与导槽不同，本设计在举升基座与一级举升结构和一级举升结构与二级举升结构之间使用的是多组直线导轨，保证这两组运动的稳定性。

为保证在大负载工况下举升机构完全升起后顶端的精度，直线导轨与滑块连接处的重叠≥600 mm；同时，由垂直举升机构安装在1 m高的移动车辆底盘上，该机构的二级举升机构最低点应使机械抓手中心水平面不高于放置于地面的钢管中心水平面。因此，一级举升机构高度为2 075 mm、二级举升机构高度为2 425 mm，可以抓取地面上的钢管，安装高于地面4 900 mm的钢管。

1.2 旋转机构及平移机构设计

举升机构的水平旋转运动动力源为液压马达，采用蜗轮蜗杆实现低速高转矩，举升结构随涡轮旋转可做出360°回转，也可微调管道与巷壁之间的夹角。蜗轮蜗杆作为传动装置，保证了足够的力矩使之正常运行，还具备自锁功能，旋转机构设计如图3所示。

图3 旋转机构设计

为使机器人拥有足够工作空间，还需1个能实现水平面平移自由度的结构，平移机构设计原理如图4所示。该运动为大负载、大行程、中低速的水平直线运动，因此选用液压马达作为动力源，并采用链轮链条传动将旋转运动转化为直线运动，链条长度可随行程调整。液压马达驱动链轮链条，选取几节链条与移动滑台固定，移动滑台底面设有2组直线导轨，滑台可随链条运动平移，直线导轨用来确保运动的直线度与平稳性。

图4 平移机构设计原理

1.3 主动滚动抓取夹手设计

对于管道主动滚转的自由度，国内外目前尚无实现管道主动滚转的夹持工具，为实现该功能，需设计1种带有滚轮的机械爪，夹持管道时，始终保持有3个及以上滚轮与管道接触，其中至少有1个滚轮具有主动旋转功能。旋转时，通过2个相互挤压的外接圆柱构成摩擦轮传动，利用二者始终保持夹紧的摩擦力，带动管道在夹爪内滚转。

设计适应管径范围为巷道内常用的直径为108∼355 mm，质量≥500 kg。抓取方式为垂直于地面对称式，整个夹取过程采用的是“连夹带搂”方式，使其最终与夹爪之间的接触完全通过4个滚轮，主动滚动抓取夹手抓取过程如图5所示。

图5 主动滚动抓取夹手抓取过程

为实现顺利抓取，设计细节包括以下3个方面。

（1）夹爪最末端安装能被动旋转的柱辊，通过柱辊与管道之间的滚动接触，管道能顺利离开地面。

（2）夹爪末端设计成较小的曲率半径，以便夹爪末端能顺利探入管道下方，避免夹伤管道。曲率半径由末端向上逐渐增大，该曲线首选渐开线，其次也可由若干圆弧拟合而成。

（3）由于夹爪完全夹紧管道后其下部有可能会相交，所以必须设计为交错式夹手。一侧为双手、一侧为单手，夹取结构侧视示意如图6所示。

图6 夹取结构侧视示意

在主动滚转机构设计中，主动轮为夹爪上安装的橡胶滚轮，从动轮为管道，动力源为液压马达。常规井下管道的法兰螺栓孔数量最少为8个，所以对接螺孔时管道滚转的最大角度为22.5°。该角度非常小，也就是螺孔对接时管道滚转的速度很低，夹取结构示意如图7所示。

图7 夹取结构示意

液压马达通常以高转矩低转速的方式工作，但对本设计工况，液压马达的额定转速较高，液压马达在低速工作时易发生爬行情况（指在转速过低时，马达不能保持匀速的状态，时动时停），因此需设计减速箱对液压马达进行减速，同时在主动橡胶滚轮的一端安装增量编码器，用来控制法兰螺栓光孔之间错位角度的调整。

1.4 管道倾斜机构设计

为控制管道安装时与地面的俯仰角度，需要设计1个倾斜管道机构，管道倾斜机构示意如图8所示。

图8 管道倾斜机构示意

机械抓手的安装座通过一悬臂轴安装于举升机构之上，驱动元件为液压缸。为获得足够的转矩，液压缸置于悬臂轴的一侧并保持一定距离，液压缸外筒与举升机构铰接、活塞杆与机械抓手的安装座铰接，当活塞杆伸缩时，机械抓手带着夹持的管道做俯仰运动。

1.5 临时托架设计

鉴于巷道内空间受限，钢管长度通常大于巷道宽度，水平旋转钢管存在较大难度，增设1套临时托架配合机器人作业。抓手在左右平移过程中，可将钢管暂置于临时托架之上，待完成自身旋转之后，再行抓取管道，继而将管道由巷道的一侧转移至另一侧。托架的钢管支撑部分为直径为365 mm 的半圆弧，放置直径为108 ∼355 mm 的钢管，高度设定为2 600 mm，确保当钢管暂置于临时托架上之时，举升机构能够从钢管下钻过。临时托架的使用过程如图9所示，各分图呈现了利用临时托架实现钢管左右转移的运动流程。

图9 临时托架的使用过程

巷道管道安装机器人运动学建模

巷道管道安装机器人的结构设计结合改进的D-H 法建立连杆坐标系，建立机器人的连杆坐标系如图10所示。其中0坐标系为大地，1～6坐标系分别对应平移机构、旋转机构、举升机构、管道倾斜机构和夹取机构（包括管道滚动结构））。

图10 机器人的连杆坐标系

由建立的机器人连杆坐标系以及机器人各关节参数得到改进的D-H参数见表1，其中：旋转关节中为为1~6）变量，移动关节中为1~3）为变量，_-1为绕_-1轴从到的角度，_-1为沿轴方向从_-1的距离。

表1 机器人连杆及关节参数

2.1 巷道管道安装机器人正运动学分析

机器人的正运动学是利用机器人各连杆和关节的参数与相邻坐标系间的齐次变换矩阵，求解末端执行器在基座坐标系中的位置和姿态的坐标，得到机械臂相对于基坐标系的末端空间位置与各个关节的变量和姿态之间的关系。合理给定各关节的运动状态，确定所需机械臂末端的空间位置和姿态。经过计算，得到初始位置姿态如图11所示。

图11 初始位置姿态

2.2 巷道管道安装机器人工作空间分析

工作空间是指末端执行器所能达到的最大空间。经过上节运动学分析后可知，在给定机器人各关节的角度后，便可以根据正运动学求出其末端点的位姿。

管道螺孔对接机器人具有2个移动关节和4个转动关节，使用蒙特卡罗法，利用 MATLAB机器人工具箱中的“fkine”函数进行5 000次描点，得到巷道管道安装机器人机械臂的工作空间示意如图12所示，该系统的工作空间包含了长宽高约为3 m × 0.5 m× 4.5 m的空间范围，由于夹爪结构本身占用了管道上方的空间（高约 0.55 m），以及夹取过程中管道会发生垂直向上移动（约 0.45 m），此2种情况无法在运动学中体现，所以该机械臂在垂直方向上已经达到了设计要求；同理，该机械臂在水平方向上也达到了设计要求。

图12 机器人工作空间界面示意

巷道管道安装机器人动力学仿真与分析

3.1 巷道管道安装机器人模型建立

采用 ADAMS 动力学仿真，先行定义机器人各部件之间的配合，包括：举升装置首先通过水平链条传动完成横向移动，再通过蜗轮蜗杆传动完成水平旋转运动；举升装置中，通过抬升链条来控制1级和2级举升机构实现上升或下降；2级举升机构与机械抓手之间的液压缸，控制机械抓手的倾斜；抓手通过两侧对称布置的液压缸，实现夹紧与打开。

由于ADAMS中默认系统中零部件无碰撞、无摩擦，本次仿真的真实工况在管道与地面、管道与抓手零部件间存在碰撞和摩擦，需对可能存在碰撞和摩擦的零件间添加接触力，即抓手的7个“手指”部位与6个摩擦轮，总计13个接触。

机器人动作总计多达7个驱动源，为达到真实模拟机器人工作的目的，通过使用运动工具箱（Motions）分别施加驱动。本系统在2级抬升结构中用到了滑轮组，仿真时需要在 ADAMS 中设置添加。设置滑轮属性维数部分中宽度为30.0 mm、深度为10.0 mm、半径为10.0 cm，角度为20.0°，接触参数部分没有特殊要求，默认即可。带轮的各项参数设置见表2。绳索缠绕顺序依次选择为c1，c2，c3，终止锚点选择为绳索终端固定，直径设置为20 cm，其余没有特殊要求，默认即可。

表2 滑轮布置参数

模型建立后，仿真抓手夹紧，举升和平移、旋转等主要运动过程，以4个摩擦轮与管道的接触力、夹紧过程中抓取液压缸的推力和举升过程中举升液压缸的推力为例进行分析。

3.2 巷道管道安装机器人夹取接触力测试

各位置的夹爪摩擦轮管道与夹紧力测量曲线如图13所示，分析得出以下4个方面的结论。

图13 各位置的夹爪摩擦轮管道与的夹紧力测量曲线

（1）开始时，夹取结构尚未夹取管道，摩擦轮与管道之间尚未接触，力为0。

（2）在1 s内，随着夹取结构的夹紧，各摩擦轮逐个与管道接触，随之产生夹紧力。因为夹紧过程为由松变紧，管道会在夹爪内晃动，接触力也会产生极大波动，最大值出现在右上部分的摩擦轮，为70 000 N，之后慢慢稳定，以上方2组摩擦轮刚接触且夹紧力为0时的稳定状态为初始夹紧状态，此时左、右下方2组摩擦轮与管道夹紧力分别约为3 290.14 N和2 517.30 N，与计算值3 259 N和 2 883 N接近。

（3）在2~4 s内，举升结构开始工作，管道在夹爪内匀速向上位移，各力出现不同波动，但力的矢量和基本不会发生太大变化。

（4）5~8 s和8~9 s是基座平移和旋转的运动过程，由于运动性质与举升过程类似，所以力的直观数据也会相似。

3.3 夹取液压缸的推力测试

通过仿真，得到了夹取液压缸的推力曲线如图14所示，运动过程与上文相同，由于在夹紧过程中所需推力最大，所以截取了前5 s的测量曲线作为代表，经过分析，夹取液压缸在夹紧过程中最大瞬时推力产生在管道与夹爪碰撞的时刻，导致数值极大，但并没有参考意义，后续夹取作业稳定后，左右2侧液压缸推力也会逐渐稳定至476.3 N与188.6 N，该液压缸的最大输出推力为30 kN，已经达到了该部分结构的目标需求。

图14 夹取液压缸的推力测量曲线

3.4 举升液压缸的推力测试

通过与上文同样的仿真，截取了前5 s的举升液压缸压力测量曲线如图15所示。经过分析，举升作业稳定后，举升液压缸推力逐渐稳定至约11 620 N，液压缸的最大输出推力为50 kN，达到了该部分结构的目标需求。

图 15 举升液压缸的推力测量曲线

主动滚动抓取夹手试验

4.1 试验台搭建

试验聚焦抓手的单独部件功能，搭建试验台实现抓手与举升装置的等效运动。采购载质量2 t级的手动液压叉车，模拟举升机构在垂直地面方向的运动，再将夹爪安装在叉车的货叉之上。

4.2 试验件选取

因市面难以采购到带法兰边的合适直径钢管，故采用预先在管道上标记刻度的方法。采购外径为355 mm钢管，在钢管端部的圆柱面上每隔10 cm弦长，用红色记号笔标记刻度；采购外径220 mm钢管，在钢管端部的圆柱面上每隔6 cm弦长，用红色记号笔标记刻度。采购外径110 mm钢管，在钢管端部的圆柱面上每隔3 cm弦长，用红色记号笔标记刻度，钢管刻度标记如图16所示。

图16 钢管刻度标记

4.3 试验具体步骤

试验由2人操作，1人操作叉车，实现抓取前夹爪向下的运动和抓取后夹爪连同管道向上提升的运动；1人操作夹爪的闭合与管道夹紧后与滚轮的旋转。试验流程分为如下8个步骤，抓管及管道主动滚动测试（355 mm圆管）如图17所示。

图17 抓管及管道主动滚动测试（355 mm直径圆管）

（1）测试前，保证夹爪处于最大张开状态。

（2）操作叉车向下运动，将夹爪最端部降低至钢管水平最大横截面高度以下，与即将接触地面之间的5种不同高度。

（3）操作液压缸，夹爪开始闭合，夹持钢管离开地面后升起叉车。

（4）升起叉车至一定高度后停止叉车运动，同时夹爪继续闭合。

（5）夹爪闭合至自动停止为止，开始操作液压马达，旋转橡胶滚轮。目测4组橡胶滚轮与钢管是否同时旋转，无打滑现象即说明夹持到位。

（6）操作滚轮旋转，观测刻度与指针对齐情况。

（7）调节液压马达旋转速度，继续操作滚轮旋转，观测刻度与指针对齐情况。

（8）更换其他直径钢管，重复过程步骤1—7。

4.4 试验结果

夹爪端部不同距地面高度，抓取355 mm直径圆管情况见表3，主动旋转355 mm直径圆管的刻度与指针对齐情况见表4，得到以下3个试验结论。

表3 夹爪端部距地面不同高度，抓取直径355 mm圆管情况

表4 主动旋转直径355 mm圆管的刻度与指针对齐情况

（1）当活动爪最端部刚刚低至管道水平最大横截面高度以下时，或距离地面太近时无法成功抓取，但在管道最大横截面高度与地面之间的绝大部分高度位置，皆可实现，3种直径规格管道的夹取，有效降低了操作难度。

（2）抓手可以在管道夹紧过程中，自动使其到达抓手内的预定位置。

（3）考虑到穿插螺栓的光孔尺寸要较螺栓的公称直径为大，例如M8螺栓的公称直径为8 mm，而穿插M8螺栓的光孔尺寸通常为10 mm，即可允许≯±1 mm的孔心偏差；在煤矿井下巷道中管道对接所使用螺栓，其公称直径一般为10 mm或>20 mm，而螺栓的公称直径越大，穿插螺栓的光孔尺寸也更大，使用中甚至允许≥±1 mm的孔心偏差。

试验结果表明，通过橡胶滚轮的主动旋转，实现了管道沿其轴向的主动旋转，精度可用于法兰螺栓孔的定位栓接。

结语

针对煤矿井下巷道特殊环境，设计了1种垂直起降式管道螺孔对接机器人，并完成了正运动学求解、工作空间仿真和动力学仿真，以及主动滚动抓手结构的试验验证。垂直起降装置辅以其他自由度能够高效的完成管道举升，临时托架的设置能够弥补该机器人构型在作业中的不足，创造性地设计了抓手内钢管的主动滚转机构，并完成了试验验证，对巷道管道的智能化安装提供了坚实的理论与技术支持。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

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