中国煤科常州研究院张健强：基于电驱伺服机械臂的矿井巷道冲尘机器人系统设计

2025年12月17日 17:58 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

摘要

为解决煤矿井下粉尘治理中人工冲尘劳动强度大、健康风险高，以及现有轮轨式冲尘车机动性差、冲尘装备自动化程度低等问题，设计了基于电驱伺服机械臂的矿井巷道冲尘机器人系统。该系统集成执行与驱动、感知、控制与决策、定位、供电与电源管理、人机通信知-决策-执行闭环架构；研究了六自由度伺服机械臂精准控制、多传感器环境感知、激光视觉辅助定位等关键技术。该系统可实现井下巷道自主移动、精准冲尘与动态调整，有效提升冲尘覆盖率与效率，降低人员健康风险，满足矿井高效、安全、智能的粉尘治理需求。

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”

作者简介：张健强，主要从事矿用智能电驱执行器开发研究工作。E-mail：412639040@qq.com

作者单位：天地（常州）自动化股份有限公司

引用格式：张健强.基于电驱伺服机械臂的矿井巷道冲尘机器人系统设计[J].智能矿山，2025，6(11)：86-91.

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煤矿井下粉尘问题是影响安全生产和职工健康的重要因素之一。在井下复杂的作业环境中，大量煤尘在采掘、运输、转运等过程中持续生成，成为诱发尘肺病、粉尘爆炸以及设备磨损等系列问题的主要根源。由煤尘引发的职业病，特别是尘肺病高发。数据显示全国范围内新发尘肺病例中，约50%与煤矿作业直接相关，煤矿尘肺新发数量约占煤矿职业病总量的70%，职业健康问题形势依然严峻。

煤矿井下粉尘治理存在问题

目前，多数矿井粉尘治理仍以人工为主，特别是在长距离巷道或非固定作业点的冲尘过程中，作业人员通常需要手持水管进行喷雾清洗，劳动强度大、喷洒覆盖不均、清洁死角多，人员在作业过程中暴露在高浓度粉尘环境中，健康风险高。

目前部分矿井引入了轮轨式冲尘车等设备，在一定程度上提高了效率，但由于其机动性和适应性有限，难以应对复杂多变的巷道条件，尤其在狭小、转弯或设备密布区域，作业效果不佳。

巷道冲尘机器人具备自主移动、粉尘浓度检测、自适应冲尘控制和环境感知等能力，以替代人工完成高风险、高强度的冲洗作业。但当前多数巷道冲尘装备处于功能单一、自动化程度低、作业效果不稳定的初级阶段，难以满足高效、安全、智能的矿井运行需求。

为应对井下复杂环境下的冲尘作业需求，电驱伺服机械臂因其具备多自由度操控能力与高度柔性控制特性，成为构建智能冲尘系统的关键技术方案。相比传统冲尘车或固定喷洒装置，机械臂在有限空间内灵活运动，执行多角度、定点且动态调整的精准冲尘任务；电驱控制系统响应速度快、运行稳定，便于与视觉感知等智能模块协同工作，提升了作业覆盖率和除尘效率。

笔者以此为切入点，重点探讨电驱伺服机械臂在井下巷道冲尘场景中的系统架构、感知控制策略与作业流程设计，进一步分析其在矿山智能除尘方向上的工程应用价值与发展前景。

电驱伺服机械臂冲尘系统整体设计

电驱伺服机械臂巷道冲尘系统面向煤矿井下高粉尘、高风险作业场景，集成了执行与驱动系统、感知系统、控制与决策系统、定位系统、供电与电源管理系统、人机通信系统6个子系统，构建了感知-决策-执行闭环的信息控制架构，具备良好的智能化作业能力与复杂环境适应性。各子系统之间通过有线或无线通信链路实现高效协同运行，确保系统在井下复杂环境中具备高效、灵活、安全的智能冲尘能力，电驱伺服机械臂冲尘系统总体架构如图1所示。

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图1 电驱伺服机械臂冲尘系统总体架构

（1）执行与驱动系统为核心作业单元，通过多自由度电驱伺服机械臂搭载高压喷雾模块，结合轨道行走或轮式底盘平台，实现对巷道粉尘的定点、分区、高效冲洗作业。

（2）感知系统分布式布设粉尘传感器、温湿度传感器、激光雷达与视觉模块，全面获取作业环境数据，为后续冲尘策略的制定与路径规划提供可靠依据。

（3）控制与决策系统作为整套系统的信息中枢，融合感知信息与定位数据，完成任务调度、路径规划、作业指令下发与动作执行反馈等关键流程，确保作业过程的准确性与安全性。

（4）供电与电源管理系统支持矿用防爆电缆或电池组供电方式，并集成电源管理与多级安全保护机制，为各子系统稳定运行提供能源保障。

（5）定位系统基于激光SLAM和视觉辅助定位算法，实现机械臂本体及喷雾末端在三维空间内的高精度自主定位，辅助冲尘区域识别与作业路径微调，提升系统运行的可靠性与智能水平。

（6）人机通信系统是操控端与作业系统之间的交互接口，承担参数配置、任务下达、数据回传与远程监控等功能，实现对系统运行状态的全面掌控与动态调度。

2.1 执行与驱动系统

驱动与执行系统是电驱伺服机械臂冲尘系统中最核心的工作单元，负责实际冲尘动作的完成、空间姿态的灵活调整以及末端作业任务的具体实施。该系统主要由六自由度伺服机械臂、末端作业装置（包括高压喷雾与机械清扫组件）以及支撑与移动平台3部分构成，驱动与执行系统组成如图2所示。

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图2 驱动与执行系统组成

（1）六自由度伺服机械臂

六自由度伺服机械臂是关键执行结构，依托高性能电驱伺服电机对各关节进行独立精准控制，具备高速响应、位置精度高、路径控制灵活等优点。臂长约2 700 mm，重复定位精度优于±0.05 mm，腕部最大负载能力为220 kg，结构防护等级达到基体IP54、手腕区域IP67级别，在煤矿巷道复杂多变、空间受限的工作环境中执行重载作业，完成多方位、多姿态的作业调度。

（2）末端作业装置

末端执行器部分集成高压喷雾与毛刷清扫2种作业功能。喷雾模块由喷头、高压泵、供水管路和电控阀门组成，可根据粉尘浓度、空间构型及作业任务智能调节喷雾角度、流量与范围。

机械清扫模块配置柔性毛刷或旋转刷头，适用于积尘严重区域，并通过六自由度机械臂末端姿态灵活调整或柔顺控制，实现对不规则区域的自适应物理清除，进一步增强系统对顽固粉尘的处置能力。2种末端模式可根据作业场景实现独立或联合驱动，提升冲尘效果的全面性与适应性。

（3）支撑与移动平台

支撑与移动平台为系统提供稳定的支撑和机动能力，支持轨道式或轮式配置，满足不同煤矿环境的部署需求。整个驱动与执行系统安装于具备一定承载与移动能力的底盘平台上，平台可根据不同矿井条件选用轮式、履带式或轨道行走方式，在保证安全稳定的前提下实现局部移动与姿态调整，便于系统部署与冲尘路径优化。

机械臂与喷雾装置的动作协调依赖于驱动单元内部的伺服驱动器、位置编码器与反馈控制模块，实现高精度的运动控制和状态闭环调节。在系统运行过程中，驱动与执行系统接收控制与决策系统下发的运动与喷雾指令，实时响应来自感知系统反馈的信息，如定位位置、粉尘浓度、环境变化等，形成闭环调度与智能决策支持。该系统是冲尘任务落地的直接执行者，体现了整套机器人系统的操作性能、任务适应能力与智能化水平，对实现矿井智能除尘目标起着决定性作用。

2.2 控制与决策系统

控制与决策系统作为电驱伺服机械臂冲尘平台的核心指挥中枢，完成对各子系统的统一调度、智能分析与精准控制，是保障整体作业高效、稳定运行的关键所在。该系统以工业级主控单元（如PLC或嵌入式工业PC）为核心，融合路径规划、作业策略、反馈控制等多个功能模块，实现从任务接收、环境感知到动作执行的闭环控制流程。

控制与决策系统主要功能：接收用户输入或上位调度指令，结合感知系统采集的巷道信息与粉尘浓度数据，动态生成最优作业路径与冲尘策略；在作业过程中，对机械臂的运动轨迹、水泵喷雾状态、喷头角度等参数进行实时调度与联动控制；具备实时反馈能力，可基于执行结果和传感器回传数据动态调整冲尘计划，提升整体作业的鲁棒性与适应性。

控制与决策系统高度模块化，可与视觉识别、激光建图、定位模块等智能单元深度集成，实现自主导航、目标识别与区域感知等智能化功能。在算法层面，集成多种路径生成与轨迹优化算法，支持基于规则的预设模式与基于场景变化的自适应模式切换，增强系统在不同巷道结构与粉尘分布下的作业灵活性。同时，控制系统还负责与通信与人机交互系统进行数据对接，接收远程监控平台指令、上传作业状态与环境数据，并支持本地或远程故障诊断与更新维护，控制与决策系统框架如图3所示。

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图3 控制与决策系统框架

2.3 感知系统

感知系统是电驱伺服机械臂冲尘平台实现智能化作业的核心支撑，负责对作业环境及关键作业变量的实时感知与数据采集，为控制与决策系统提供精准的输入信息，构建起系统的“视觉”与“触觉”，感知系统组成如图4所示。

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图4 感知系统组成

感知系统涵盖多类型传感器与感知装置，主要包括粉尘浓度传感器（如PM2.5/PM10颗粒物监测）、环境参数传感器（温度、湿度、气压等）、激光雷达（用于巷道建图与避障）以及工业相机或深度视觉模块（用于定位、区域识别及作业目标检测）等。

在实际运行中，感知系统通过粉尘传感器实时监测巷道空气中悬浮颗粒浓度，辅助判断冲尘效果和区域清洁优先级；环境传感器感知当前作业环境的综合参数，为喷雾量调控和作业安全性评估提供依据；激光雷达配合SLAM建图算法，实现对矿井巷道空间结构的高精度建图与动态更新，助力定位系统完成自主导航与精确定位；视觉系统则主要用于识别巷道结构特征、定位冲尘目标区域、跟踪执行过程中的关键位置变化，进一步提升系统的智能性与作业精准度。针对高粉尘环境，系统采用高防护等级传感器、多传感器数据融合和视觉滤波算法，降低粉尘对感知精度和稳定性的影响。

在粉尘浓度测量参数上，传感器测量范围为0.01～200 mg/m³，对于清洁控制或浓度监测均适用；传感器具备高灵敏度（约0.05 mg/m³）、响应迅速、抗粉尘干扰能力强。视觉与深度感知方面，无标定的LiDAR系统测距精度为0.5～10 mm，水平与垂直定位误差控制为±1 cm以内，适用于地图构建与路径规划；高分辨率结构光深度摄像头则可提供亚毫米级点云精度与空间分辨率，满足近距离目标识别与细节捕捉需求。

2.4 人机通信系统

人机通信系统是电驱伺服机械臂冲尘平台实现操作指令下达、状态监测与数据交互的关键枢纽，传递用户与机器人之间的信息流，是系统内部逻辑与外部操作者之间的桥梁。主要功能包括本地操作、远程通信、数据上传、状态可视化以及故障报警等，确保整个系统在封闭、复杂的井下环境中依然具备良好的人机交互体验与高效的信息管理能力，人机通信系统组成如图5所示。

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图5 人机通信系统组成

在人机接口方面，配备有本地控制终端，通常为防爆工业触控屏或手持式遥控装置，操作者可通过图形化界面进行任务设定、参数调整、模式切换及状态查询等操作，实现对冲尘任务的快速部署与灵活控制。

人机通信系统支持远程通信功能，借助有线或无线通信模块（如工业WiFi、EtherCAT、CAN总线等）将感知信息、运行状态、作业记录等上传至地面控制中心或矿山调度平台，实现远程监管、数据归档与系统升级。

在人机通信系统运行过程中，实时接收来自控制与决策系统的状态反馈信息，并将用户输入的操作命令或参数变更指令传递至主控单元，间接影响机械臂的运动轨迹、喷雾模式或系统策略的调整。提供系统外部对内部作业流程的可控入口，通过信息共享机制支撑各子系统间的数据协调，是实现智能化、可视化操作管理的重要支撑平台。

2.5 供电与电源管理系统

供电与电源管理系统是电驱伺服机械臂冲尘系统稳定运行的基础保障单元，为整个平台的各功能模块提供持续、可靠、安全的电力支持。根据井下作业的不同部署需求，供电系统可采用2种典型供能方式。

（1）基于锂电池或磷酸铁锂电池组的独立供能方案，适用于对灵活性和移动性要求较高的场景。

（2）通过防爆电缆接入矿井电网，实现连续不间断供电，更适合部署在固定轨道或半固定作业平台上。

在电源管理方面，系统集成了专用的电源控制单元（如BMS电池管理系统），具备对电压、电流、温度、SOC状态等参数的实时监测与动态调节能力，确保各关键子系统在合适的电气条件下稳定运行；系统配置多重安全保护机制，包括过流保护、过压保护、欠压保护、短路保护和高温断电等功能，规避电气故障引发的系统风险，提升整体运行的安全性和可靠性。

供电系统与其他各子系统建立了清晰的供电路径与管理逻辑。电驱伺服电机、主控工控机、高压水泵、传感器模组、通信模块等均由电源系统统一调配供电资源，在负载需求动态变化的情况下，实现智能功率分配与能量回收（如部分伺服驱动系统支持能量回馈）。供电系统实时与控制与决策系统协同联动，根据作业状态调节功率输出或切换作业模式，实现节能运行与智能调度。

2.6 定位系统

定位系统是电驱伺服机械臂冲尘平台实现自主作业和高精度冲尘的关键支撑单元，主要承担作业平台在井下巷道环境中的空间感知、位置识别与姿态估计等功能。鉴于矿井环境结构复杂、光照条件不稳定、传统GPS信号受限等问题，本系统采用多源融合的定位技术架构，通过激光雷达（LiDAR）、视觉识别模块、惯性测量单元（IMU）等传感器协同配合，实现对平台全局位置与局部精细姿态的稳定感知与动态跟踪。

激光雷达模块作为定位系统的主感知源之一，获取巷道高精度轮廓信息，构建实时点云地图，并通过SLAM算法实现平台在井下环境中的自主定位与建图，在移动机器人或测绘场景中具有亚厘米级水平定位精度（约±1 cm）与垂直分辨率，适用于复杂巷道的地图构建与实时定位。

视觉识别系统用于识别冲尘目标区域、避障目标或关键巷道标志物，增强定位系统的环境理解能力与场景感知精度。IMU模块负责采集平台在移动过程中的加速度与角速度数据，在短时间GPS/激光数据丢失情况下提供运动补偿，确保轨迹连续性与鲁棒性。IMU的采样频率通常在100～400 Hz，确保对加速度与角速度的及时响应。角度测量精度为±0.1°，单次定位误差在短时间内可控制在较小范围，短时漂移亦控制得更合理，GPS更新频率范围为2～10 Hz，为IMU提供必要的校准数据。

在系统架构层面，定位系统与控制与决策系统实现深度集成，所有位置信息、姿态数据与建图结果均实时上传至主控单元，为路径规划、目标定位、机械臂姿态调整等核心控制逻辑提供支持。定位数据还可反馈至执行系统，用于实时更新目标点位和冲尘姿态，确保喷雾作业的精准性与覆盖度。部分定位信息也可用于通信与人机交互系统中的状态展示与远程监控，提高操作透明度与系统可控性。

总结

（1）电驱伺服机械臂冲尘系统通过多子系统协同集成，构建了集智能感知、自主控制、精确执行于一体的智能除尘作业平台。各子系统在功能和信息交互高度融合，共同支撑系统在复杂矿井环境下的稳定运行与高效作业。

（2）执行与驱动系统完成精准动作输出，感知与定位系统提供动态环境信息，控制与决策系统进行全局统筹与指令生成，供电系统确保持续稳定供能，人机通信系统实现系统操控、监测与远程交互。

（3）电驱伺服机械臂冲尘系统结构清晰、功能全面，具有良好的工程应用基础和扩展潜力，可为矿山智能除尘技术发展提供有力支撑。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

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