煤科总院马龙副研究员：球形机器人赋能智慧矿山的探索与前景分析

2025年12月12日 15:39 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

摘要

系统综述了球形机器人在煤矿井下场景的关键技术、应用能力与工程化路径。基于构型理-工况的映射关系，对比分析摆式偏心力矩、全向轮式偏心力矩与摩擦式内驱动方案；围绕矿山井下巡检与灾变应急侦测两类任务，评估抛投式快速部署、滚动信的效能，提出球形-双轮-飞行的多构态以弥补越障与可达性不足;归纳工程化落地的轻量化续航-I类防爆一体化设计、GNSS缺失与强干扰条件下的轻量级多源融合定位导航、面向非结构化地形的环境适应性结构创成与感知-控制协同优化的后受限空间侦测中潜力显著，但规模化部署仍需在防爆轻量化集成、低算力高精度导航与可重构多构态技术上形成可验证、可推广的工程解决方案。

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：马龙，博士，副研究员，主要从事矿山应急与辅助作业机器人技术研究。E-mail：malong89@126.com

作者单位：煤炭科学研究总院有限公司

引用格式：马龙，刘英杰，陈昌兵，等.球形机器人赋能智慧矿山的探索与前景分析[J].智能矿山，2025，6(11)：76-81.

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随着矿山智能化建设的深入推进，机器人已成为实现矿山井下作业减人-提效-增安的关键技术支撑。机器人系统的移动方式及结构设计直接影响在矿井复杂、严苛环境中的可靠性、灵活性与适应性。

当前，传统轮式或履带式移动机器人在平坦地形中具有较高的运动效率，但在矿山井下危险狭小的非结构化作业环境中，常面临机体倾覆、通行受限及关键部件暴露易损等问题，难以满足对高机动性、稳定性和可靠性的实际需求。相较之下，在多领域中已得到广泛应用的球形机器人，因其天然的几何对称性与密闭结构，在矿山井下作业场景中具有独特的技术优势与应用潜力。不同领域的球形机器人如图1所示。

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图1 不同领域的球形机器人

（1）球形机器人采用封闭式球壳结构，具备良好的抗倾覆能力和出色的自我保护性能，可提升井下作业过程中的整体稳定性与关键部件的耐久性。

（2）球形机器人凭借与地面的点接触特性，能在井下狭小空间内实现灵活的全向移动，降低作业响应时间与能耗，具备在复杂环境中高效运动的潜力。

基于此，笔者系统梳理球形机器人在矿山智能化建设中的技术优势、应用现状及未来发展潜力，重点分析其在矿山应急救援与智能巡检等典型场景中的适配性与拓展空间，旨在为球形机器人在矿山井下作业场景中的工程化应用提供思路，推动其由实验室研究走向实际部署。

球形机器人技术概述

球形机器人是以球体为基本外形，通过内部驱动机构产生力矩或偏心作用，实现球壳在地面滚动运动的移动机器人，其内部驱动机制决定了机器人系统的机动性、稳定性及结构复杂性。目前，学术界与工程界对球形机器人驱动方式的研究主要集中在摆式偏心力矩驱动、全向轮式偏心力矩驱动以及摩擦式内驱动3种机制，3种球形机器人驱动机制结构示意如图2所示。

图2 3种球形机器人驱动机制结构示意

（1）摆式偏心力矩驱动机制

通过在球壳内部设置偏心重物，利用其摆动产生的偏心力矩驱动球壳滚动。摆式偏心力矩驱动机制的内部结构复杂度低，与球壳之间连接简单，驱动效率高，运动速度高于另外2种驱动机制，使球形机器人面对不同任务需求时具备搭载能力与实用性方面的提升空间。在矿山等对系统可靠性和耐环境性要求较高的应用场景中，具有显著的推广潜力。

（2）全向轮式偏心力矩驱动机制

在球体内部配置多个全向轮，通过精确控制各个轮组的转速与方向，使得球体可以实现任意方向上的运动。全向轮式偏心力矩驱动机制与摩擦式内驱动机制对球壳和内部结构的设计加工精度有非常高的要求，同时驱动机制的复杂度高导致实际应用场景下搭载能力弱，运动过程中需要面对全向轮与球壳内壁之间打滑的情况，且具有运动速度低、控制精度差的缺陷。

（3）摩擦式内驱动机制

通过在内部设置多个与球壳接触的主动轮组，通过轮组与球壳之间的摩擦作用实现球体滚动。

近年来，随着机器人技术及应用场景需求的不断拓展，研究趋势由封闭式球壳结构逐渐转向可展开球壳结构及其外部感知和交互能力的提升方向。未来球形机器人需要具备灵活可靠的运动能力，更需兼顾环境感知与操作交互性能，以实现复杂环境下的自主工作和更广泛的应用场景覆盖。

球形机器人在矿山井下巡检中的应用前景

2.1 球形机器人在矿山井下巡检中的优势

带式输送机、变电所、水泵房等矿山井下机电设备与环境巡检是矿山高效生产的重要保障。当前矿山井下巡检机器人以轮履式结构为主，但在空间受限且非结构化特征明显的井下作业环境中，移动机器人在实际应用中逐渐暴露出倾覆风险高、运动灵活性不足、关键部件防护性较差等缺点。针对上述问题，与当前矿井普遍应用的传统轮式或履带式机器人相比，球形机器人表现出显著的技术优势与应用潜力。

（1）球形机器人自我保护性能突出，球壳内部元器件被完全密闭封装，在井下恶劣环境区域，可有效防止粉尘、碎石等对机器人造成的冲击损坏。

（2）球形机器人抗倾覆性能与能耗表现优异，球形外形能够有效抵抗倾覆风险，且运动过程的能耗水平低，可延长巡检作业时间。

（3）球形机器人可实现全向快速移动，灵活实现360°原地转向与响应，提高狭窄巷道巡检的效率。

然而，受限于单点接触与球形结构的局限性，球形机器人也面临明显不足，在面对矿井危险区域或灾难救援现场等复杂多变的非结构化环境时，球形机器人越障能力不足，难以应对高落差、陡坡、沟渠、碎石堆积等特殊地形条件，制约了其运动的灵活性与适用范围。但此缺点并非根本性技术障碍，通过合理机构设计与构态转换方法，可以有效加以改善。

2.2 空地两栖多构态球形机器人

煤炭科学研究总院应急机器人研究团队提出的空地两栖多构态球形机器人概念为上述问题提供了可行解决方案。该理念以摆式偏心力矩驱动机构为核心，融合重摆机构、可开合球壳机构及旋翼飞行机构，实现了球形-双轮-飞行的3种构态间灵活转换。

空地两栖多构态球形机器人示意如图3所示，以煤矿井下水泵房巡检为例，在危险环境区域，球形机器人的球壳处于密闭状态，利用内部长轴电机与短轴电机协同实现全方位快速移动，充分发挥原有结构优势。

图3 空地两栖多构态球形机器人示意

（1）在环境稳定区域，球形机器人可通过球壳的开合机构切换为双轮构态，此时两侧半球壳相对开启，通过长轴电机差速驱动即可高效实现越障移动与原地精准转向，利用球壳内部携带的传感器执行复杂监测任务。

（2）在复杂地形或滚动难以抵达区域时，球形机器人进一步转换为飞行构态，旋翼机构展开，依靠重摆机构与双旋翼实现起降、悬停、寻向和全向飞行，提升机器人对井下复杂地形的适应能力与越障性能。

球形机器人在矿山井下巡检领域的应用前景广阔，尤其在防倾覆性能、全向快速移动及自我保护性等方面，具有显著优势。现阶段存在越障能力不足的局限，但通过空地两栖多构态技术的创新与融合，此类技术局限有望得到根本性解决，进一步释放球形机器人在矿井巡检领域的巨大潜力。

球形机器人在矿井灾变应急侦测中的应用前景

矿山灾害发生后，井下空间形成大量封闭或半封闭的非结构化未知受限空间，高温、高湿、有毒有害气体及低能见度，严重制约人工和传统侦测装备的作业能力。灾后受限空间关键环境信息的快速获取，是矿井灾变应急侦测的瓶颈问题。现有中大型监测装备因体积大、通行性差、部署复杂，难以深入上述区域开展有效探测。球形机器人凭借密闭结构、小型化和全向机动性，为矿井灾变受限空间内的高效侦测提供了先进可行的解决方案，可抛掷球形机器人在矿井灾变受限空间内的侦测作业示意如图4所示。

图4 可抛掷球形机器人在矿井灾变受限空间内的侦测作业示意

（1）部署方式的优势是球形机器人在应急侦测场景中的突出表现。球形机器人的独特结构特征具备被动运动能力强、防倾覆性能优异的特点，可通过单兵抛投或简易释放装置，快速部署至灾区受限空间的核心位置，实现高效响应。特别是在矿井灾变的初期阶段，球形机器人可作为先遣侦测单元，快速进入受限空间开展环境感知与风险识别，提升信息采集效率与作业安全性。

（2）球形机器人对称式球壳结构，使其在碎石堆积、塌方堵塞、坡度变化等复杂地形中保持稳定运动，并有效避免关键部件暴露，增强系统可靠性。摆式偏心力矩驱动机制赋予了重摆在球壳内部的周向全方位可达能力，可通过重摆实现球形机器人运动方向的控制。融合设计弹跳结构与重摆结构，使重摆具备球壳内部周向全方位可达能力，在径向方向上快速释放弹性势能，实现球形机器人越障能力的提升，使球形机器人无需依赖连续整平的通行路径，通过滚动与弹跳配合实现灵活穿越、原地转向和越障，提高在非结构化空间内的通行能力与操作灵活性，契合矿井灾后受限空间的作业需求。

（3）井下灾变发生后，通信条件不稳定，传统通信系统易因塌方或巷道阻隔中断，降低了远程控制与数据回传效率。多台可抛掷球形侦测机器人可在复杂空间中部署形成临时自组网通信系统，通过跳跃式中继方式建立动态通信链路，拓展无线信号覆盖范围。打通了灾区至指挥中心之间的信息孤岛，支持多机器人高效协同，为复杂任务执行和实时数据共享提供了通信保障。

综上，球形机器人在矿井灾变后受限空间侦测中的应用，展现出部署快速、结构防护优越、环境适应广泛、通信能力增强等优势，形成针对性强、系统性高的应急响应解决方案。其理念的先进性不仅体现在结构形式与运动机制的创新，更体现在其多功能集成

球形机器人在矿山领域的关键技术挑战

面对矿山井下作业环境的复杂性与高风险性，球形机器人在推广应用过程中仍面临一系列关键技术挑战，主要集中在以下3个方面。

4.1 轻量化、长续航、可靠性与防爆性能的融合设计

矿井作业环境对机器人装备，提出了轻量化、长续航以及I类防爆等多重严格要求。由于球形机器人内部空间有限，在极其紧凑的结构中集成高能量密度的电源及可靠的防爆结构，设计难度高，在确保安全可靠的前提下，兼顾结构轻量化与能源效率，实现高效协同优化，是球形机器人实际部署应用的首要难题。

球形机器人在结构设计时普遍遵循减小球壳质量、降低机器人质心、增大重摆质量的核心原则。该原则与矿井I类防爆标准的严格要求存在一定矛盾，特别是在球壳选材与结构优化方面。

针对此问题，煤炭科学研究总院应急机器人研究团队成员深入开展了球壳材料与结构的专项研究，系统分析了低速冲击条件下玻璃纤维增强聚合物（GFRP）材质球壳的动力学响应及其损伤特性。研究结果表明，该材料在满足球壳机械强度要求的同时，具备良好的轻量化优势。GFRP材质有效避免了金属壳体对内部机构控制信号的屏蔽问题，并能满足I类防爆标准对非金属材料阻燃性能的严苛要求，为球壳内部非重摆机构的轻量化设计提供了技术路径，展现出较强的实际应用潜力。

满足I类防爆标准的轻量化、高功率密度驱动模块及高能量密度电池系统的开发，也成为球形机器人实际推广应用的关键技术难点。当前，国内外研究团队的主要研究思路集中在将电机定子与转子、高能量密度电池以及集成化控制模块等电气零部件，一体化融合设计防爆结构与机械承载结构，以降低整体驱动系统的体积和质量，解决防爆需求与结构紧凑性的矛盾，为球形机器人在矿山环境中的应用，提供了切实可行的解决方案。

4.2 矿井复杂环境下的精准定位与导航

精准定位导航是球形机器人井下自主作业的重要保障。矿井巷道封闭复杂，全球导航卫星系统（GNSS）信号缺失，电磁干扰强烈、粉尘多、光照不足，地面常规导航方法难以直接适用。球形机器人以点接触滚动移动方式运行，容易受巷道地形与滑移干扰，进一步降低了导航精度和稳定性。

为应对上述难题，研究团队积极探索激光雷达（LiDAR）、超宽带（UWB）、惯性测量单元（IMU）及视觉里程计（VO）等多传感器信息融合方案。上述多源信息融合的导航方法存在传感器冗余与计算复杂性高等问题，难以完全满足球形机器人在井下长时间自主作业对能耗与实时性要求高的需求。

近期研究的热点之一是发展轻量化的多源信息融合策略，如北京理工大学通过引入深度学习算法与自适应滤波技术，提高导航系统的计算效率与环境适应性。

针对球形机器人自身结构与运动特性，提出了一系列针对性算法优化。基于运动学模型与机器学习融合的轨迹预测方法，降低了定位误差与导航能耗，研究成果提升了球形机器人在矿井复杂作业环境中的自主导航性能，拓宽了其实际部署和作业场景适用范围。

矿井复杂环境下的精准定位与导航技术是球形机器人走向实用化部署的关键瓶颈。未来需要进一步加强多源信息融合方法与自主定位导航算法的研究与优化，充分结合矿井环境与机器人自身特性，推动球形机器人在矿山井下实际应用中实现高可靠性、高精度、自适应的导航性能。

4.3 面向井下任务需求的环境适应性结构创成技术

矿井常见高落差、陡坡、沟渠和碎石堆积等非结构化障碍物，对单一滚动运动的球形机器人提出严峻挑战，严重制约其作业范围。为提升适应性，研究探索弹跳、飞行等多构态集成方案，例如可展开球壳、旋翼系统等。多构态和可变结构设计通常增加机器人自身结构复杂度和质量，带来了能耗与续航能力之间的平衡问题。

环境适应性结构创成技术的核心目标是在功能多样性与结构轻量化之间取得最佳平衡。通过采用新型高强度轻质材料以及模块化设计策略，在保证结构强度和越障能力的同时，控制整体质量与功耗。基于智能感知与决策算法，自适应调整结构构态与运动模式，成为提升环境适应性的重要趋势。

面向井下任务需求的环境适应性结构创成技术，需从机械结构层面突破单一运动模式限制，更需从材料选择、智能控制算法以及多构态运动模式协调等多方面深入探索，以实现球形机器人在井下复杂环境中的高效、自主、灵活作业，推动矿山机器人的实际应用与广泛推广。

综上，尽管球形机器人具备广阔应用潜力，但在轻量防爆设计、井下精准导航及复杂地形适应等方面仍存在显著挑战。需依托多学科融合，持续推动技术创新，助力其实现从实验室验证向矿井实际部署的转化。

结语

球形机器人以其结构对称性与灵活机动的优势，在矿山井下巡检与应急侦测领域展现出传统装备难以企及的潜力。但从实际应用角度来看，仍需攻克轻量化与防爆融合、精准导航定位以及环境适应性拓展等关键技术难题。随着智能传感、结构设计与控制算法的持续创新与融合发展，球形机器人将逐步突破现有瓶颈，实现从实验室技术验证到井下实际部署的转化，助推矿山智能化建设迈向新阶段。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

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