中国煤科西安研究院张幼振研究员：煤矿井下巷道清理机器人研发

2025年12月18日 16:14 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

摘要

针对煤矿井下巷道围岩清理作业特点，分析巷道清理装备机器人化所面临的技术难题，提出巷道清理机器人的基本架构和关键技术。结合受限灾变空间和低照度作业环境特点，研究清理目标识别、电液比例高精度协同控制、机械臂自主作业规划、多功能工作属具快换等关键技术，研发巷道清理辅助作业机器人系统，实现其自主行走、清理目标识别、多工作属具快换作业等功能，为煤矿井下巷道辅助作业智能化装备发展提供支撑。

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：张幼振，研究员，博士，博士生导师，主要从事煤矿智能钻探技术装备与机电新产品的研发工作。E-mail：zhangyouzhen@cctegxian.com

作者单位：中煤科工西安研究院（集团）有限公司

引用格式：张幼振，李旺年，李旭涛，等.煤矿井下巷道清理机器人研发[J].智能矿山，2025，6(11)：92-96.

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随着我国煤矿逐渐进入深部开采阶段，巷道围岩控制与治理问题日益显现，围岩二次支护、多次清理翻修的场景屡见不鲜。受煤矿井下机械设备自动化与智能化水平限制，煤矿井下巷道围岩清理作业存在劳动强度高、作业人员多、危险系数高等特点，为煤矿安全高效生产带来隐患。

当前，煤机装备的智能化技术已成为矿山智能化建设最重要的驱动力之一，煤矿机器人研发为解决矿山领域减人、增安、提效的难题提供了有效技术路径。

巷道清理机器人技术现状分析

面向煤矿井下巷道围岩清理专用设备迫切需求，巷道清理类设备研发与应用方面取得了诸多进展。国外主要以德国哈泽玛格、戴尔曼哈尼尔公司和美国特雷克斯公司等研制的巷道修复机为典型代表，具有操作简便、安全性及可靠性高等特点。

国内的巷道清理设备以功能性和自动化技术发展为主，实现了视距内遥控操作和部分功能模块的PLC自动化程序控制，主要在巷道底鼓清理中得到了有效应用。但由于煤矿井下特殊环境条件限制，成熟的感知与控制技术无法直接应用于煤矿井下巷道清理设备，导致其整体水平尚处于机械化和初级自动化水平，无法安全高效完成复杂的巷道清理任务。

按照煤矿井下作业区域、作业功能定位的不同，巷道清理机器人属于运输类煤矿机器人。《煤矿机器人重点研发目录》的基本要求为具有扩帮、起底、破碎、铲装功能，实现自主或遥控移机、巷道变形快速检测、精确定位作业位置、变形巷道修复及评测等功能，提升巷道清理工作效率。

根据设备发展现状分析，迫切需要在传统巷道清理机的基础上开展机器人化升级技术研发，通过受人指挥、预先编程、人工智能规划的方式，实现智能协同作业、人机交互控制，无人操作完成复杂的巷道清理任务。除了巷道辅助作业机器人普遍面临的共性技术难题外，巷道清理机器人需重点解决以下3个方面的问题。

（1）复杂动态变形巷道的清理目标感知

由于巷道光线、粉尘、湿度等环境因素以及围岩变形状态复杂，视觉识别和巷道建模存在巨大困难。因此，在环境下快速建立巷道的三维模型，获取巷道三维坐标和清理目标位置，实现机器人行走路径规划与自主避障，是清理机器人需要首先关注并解决的问题。

（2）多自由度工作臂位姿精准调控及轨迹规划

煤矿井下变形巷道非结构化特征明显，作为核心执行部件的多自由度机械臂在结构设计、运动学建模及控制算法要求较高，需满足末端定位精度和综合作业效率等指标，多自由度工作臂各关节协同作用下的位姿精准调控及轨迹规划技术方面亟待突破。

（3）多清理目标作业模块化快速更换

为满足巷道清理目标多变的需求，适应破碎、挖掘等多样化的作业要求，提升工作效率和作业质量，解决人工更换属具对接效率低下的问题，需研发巷道破碎-铣挖-铲装多功能模块化作业单元，以及配套快速自动更换技术进行智能化革新，确保复杂清理任务的高效执行。

煤矿巷道清理机器人整体方案

为满足巷道清理机器人的功能和性能要求，构建了巷道清理机器人的技术架构：机器人本体-自主导航-清理目标感知-多任务作业控制-清理效果检测，支撑井下巷道清理场景应用。巷道清理机器人机械架构主要由工作装置、机械臂、履带底盘、控制系统和动力系统等5部分组成，巷道清理机器人机械架构如图1所示。

图1 巷道清理机器人机械架构

（1）工作装置主要由快换机构与不同工作属具组成。

（2）机械臂主要由回转装置与各关节臂组成，安装有编码器、拉绳传感器、压力传感器等作业感知装置。

（3）履带底盘由履带总成和车体平台组成，通过安装的激光雷达、视觉相机等传感器进行定位。

（4）控制系统的车体定位数据、机械臂位姿数据和巷道机器人清理数据等可通过网络层上传至后台，完成进一步的处理和分析。

（5）动力机械系统包括防爆电机和泵站等。

煤矿巷道清理机器人关键技术研发

围绕巷道清理机器人特性难题，开展了基于多传感器融合的巷道多目标识别、工作臂多关节协同控制与轨迹优化和多目标作业属具模块快换自动对接技术的重点攻关。

3.1 复杂条件下的多清理目标识别技术

对多清理目标的识别与定位是智能作业提高动作输出精度、完成清理任务的重要保证。巷道清理机器人搭配的激光雷达与视觉融合硬件系统，具有精确目标探测和快速数据处理的特点，提高了环境感知的准确性和鲁棒性。保证清理目标检测精确率的前提下，通过卡尔曼滤波算法得到清理点位置信息，引导破碎锤、挖斗等作业属具实现定位作业。

巷道清理机器人自主行走与清理目标识别系统如图2所示，控制系统数据在各模块之间的逻辑关系及各模块在计算资源上的分布情况。巷道清理机器人接收到任务指令后，自主行走至清理目标点。通过车体安装的前/顶/后激光雷达的点云数据和IMU测得的加速度、角速度及姿态信息，构建清理机器人所在巷道三维环境的点云地图，点云地图和机器人位姿传送到机器人自主行走控制模块，用于进行路径规划和运动控制；履带底盘左/右编码器的数据传送到自主行走控制模块中，用于机器人运动控制过程中的履带转速闭环控制，保证机器人运动控制的动态性，其间根据红外人员检测结果和激光雷达原始点云数据进行障碍物和行人规避。

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图2 巷道清理机器人自主行走与清理目标识别系统

3.2 工作臂协同控制与轨迹优化技术

巷道清理机器人多自由度机械臂核心功能是通过多关节协同运动实现高效、精准的巷道清理作业，机械臂通过安装底座与履带车体平台刚性连接，确保在复杂巷道环境中的稳定性和机动性。

建立了巷道清理机器人工作臂的D-H坐标系模型（图3），并对工作臂的正、逆运动学进行分析。利用 Multitool 配置了机械臂 EPEC 控制器的端口和控制报文，基于现场样机调试提出了作业属具末端位置相关的模糊 PID 控制方法，实现机械臂快速到达指定空间区域后待命。

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图3 工作臂的 D-H 坐标系模型

3.3 多作业属具模块快换自动对接技术

巷道硬岩底鼓、巷帮鼓起及渣料铲装等多清理目标的复杂动态场景，液压快换机构使用在机械臂上，并连接在机械臂本体与属具之间，在使用时可实现属具与机械臂本体之间的快速安装与拆卸。快换机构示意如图4所示，臂架连接头上方对称焊有侧板及轴套，臂架连接头下方装配液压滑块，当液压滑块上的进油口进油时，滑块活塞杆伸出，使滑块向前平移，固定销与属具安装座贴合，完成臂架连接头和属具的固定。

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图4 快换机构示意

快换机构是起连接作用的中间构件，清理机器人通过快换机构实现对接不同作业属具的功能。属具自动对接分为2个过程。

（1）解锁快换机构，将安装在机械臂末端快换机构上的待换属具与上耦合件分离。

（2）运动机械臂将上耦合件与待装属具对接，并锁紧快换机构。采用锁紧液压缸替代了常规手动结构中的锁紧销，精准完成捕捉与定位，具有一定的位姿补偿能力。通过多作业属具自动对接技术提高了多场景适用性，并满足无人化操作要求。

煤矿巷道清理机器人工程试验

针对井下巷道清理作业自动化与智能化需求，设计并实现了一种集成多模态控制的巷道清理机器人任务调度系统。通过构建四维功能架构，融合物联网技术、自主导航算法和远程交互控制机制。核心技术突破体现为以下4个方面。

（1）开发了多源信息融合的任务调度引擎，可实现导航路径与工艺参数的双向耦合下发，支持动态环境下的工艺自适应调整。

（2）采用工业级低延迟通信协议，研制具有力反馈特征的远程控制终端，操控响应时间短。

（3）建立设备状态的实时监测系统，通过智能感知系统实现关键部件动作工序的实时展示。

（4）提出基于有限状态机的全流程控制策略，在任务下发、开始导航、开始破碎、开始铣挖4个关键节点设置自主决策控制。

巷道清理机器人工程应用工艺流程如图5所示，清理机器人根据巷道围岩变形情况进行3个工作节拍的清理作业。智能清理工艺模型以定位-作业-判识为核心基础工艺，通过任务派发，移动平台进行初步定位，机械臂通过雷达与视觉融合系统进行高精找正（清理目标识别），巷道清理机器人按照不同功能要求进行作业。

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图5 巷道清理机器人工程应用工艺流程

在地面应用试验中，巷道清理机器人目标形变检测误差为3.36%，目标识别定位的测量误差为3.33%，为清理任务下发和清理效果判识提供了准确的决策依据。任务执行中实现了给定空间内多个循环的自主破碎与铲装功能，通过实际测定，破碎锤冲击功为610 J，铲斗最大的铲装容量为0.025 m，以人均方量作为考核指标，工作效率是人工的6～8倍。

试验表明，巷道清理机器人提升了巷道清理作业的安全性和作业效率，减少了危险区域内的作业人数，可有效保障复杂井下环境中的作业安全性与工艺可靠性，为矿山智能化建设提供了创新性解决方案。

结语

巷道清理机器人是用于煤矿井下巷道围岩清理修复施工的专用智能化装备，整机具备自主破碎、铣挖、装载以及远程控制等功能，六自由度工作臂可实现工作属具的自主更换与抓取，智控系统可实现巷道环境建模、施工作业决策、路径规划和精确运动控制等智能化功能。为煤矿井下巷道清理类辅助作业实现减人、增安、提效提供了技术装备支撑，市场应用前景广阔。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

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