矿山领域机器人典型应用场景名单 | ⑥管路安装场景

• 井下管道安装

• 煤矿巷道管路安装

• 矿用管路智能安装与拆卸

• 自动化辅助接管

制造及应用单位：

山东天河科技股份有限公司、山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿

案例介绍：

山东天河科技股份有限公司管道安装机器人通过三级仿人式机械臂和内错式机械手进行管路的夹持、举升、对接等，可代替人工进行井下管道安装，大幅度降低工人劳动强度，实现减人提效，保障作业安全。

管道安装机器人具备以下技术特点：

1. 具备手动与遥控两种操作方式。远程操作可保证工人安全性，并可全方位观察设备在接管过程中的巷道情况和管路配合的情况 ;

2. 可转管的夹持机械手设计，机械手中间布置聚氨酯轮，防止夹伤管路，实现管路在机械手中角度调整，以实现两端法兰的精准对接；

3. 设备抓举重量大，最大可抓举500kg重管路 ;

4. 设备紧凑，通过性好 ;

5. 可靠的液压系统设计，实现各操作环节点动、互锁功能，避免误操作产生的安全隐患。 

 技术参数

而潞安环能五阳煤矿的实践中，则通过运用气动辅助安装车，破解了人工安装井下风水管路成本高、效率低、难度大、影响巷道观感等诸多弊端，实现了风水管路安装的智能高效。

该安装车由机械臂、机械手及作业平台构成，采用全液压传动，履带式驱动，适合多种型号管道安装，投运后代替了人工安装风水管路，实现了井下管路夹持、举升和对接等安装作业的自动化，极大地减轻工人劳动强度，保障了作业安全。

截至2023年10月，引进使用气动辅助安装车半年来，风水管路安装人工投入由以前的5人减少为3人，而且效率提升了30%，劳动强度减低了50%，管路安装作业安全风险降低了90%，避免了因打设起吊锚杆影响巷道观感的问题。

制造及应用单位：

中煤科工机器人科技有限公司、陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司、杭州海康威视数字技术股份有限公司

案例介绍：

中国煤科沈阳研究院特种机器人事业部联合中煤科工机器人研发的抓管机器人亮相陕煤集团神木柠条塔项目，其具有自主/遥控行走、电子围栏等功能，主要实现煤矿巷道内的不同规格尺寸的管道识别、抓取、举升控制等全过程的作业。可有效辅助人员完成管道搬运、提升、安装等工序，且具有全自主作业，远程遥控作业、视距遥控作业等多种作业模式，可根据现场实际情况选择不同的作业模式，进而可有效降低井下作业人员的负担，同时可大大提高工作效率及井下安全等。

▲操作实测

抓管机器人用于煤矿井下巷道内管路安装及搬运任务，特别适应狭小空间巷道、采掘工作面物料搬运 ; 并且辅助管路架设与安装以及锚杆、刮板等物料短距离搬运。可显著提高作业安全性和作业工作效率，降低人员劳动强度和危险性。

抓管机器人主要由移动底盘、液压机械臂、遥控器、视觉系统等部分组成。移动底盘采用履带式移动底盘，上装部分集成液压机械臂、液压系统、控制系统等。机器人采取液压驱动，具有功率大，负载高的特点。在抓取巷道内的水管时，通过人工遥控把机器人开至相应位置，自主抓管时，人工在水管中间位置贴上识别标签，机器人视觉系统通过识别标签确定管路位置及抓取位置，通过算法自动抓取水管。

主要功能：视觉识别自动抓取、无级调速式行走、语音播报、自检、井上视频监控、急停、超声波避障报警、视距遥控；具有视觉识别及定位、液压臂轨迹控制等功能，实现地面及空中管路的定位与自主抓举；具有一键归位、语音告警、姿态感知等功能。

数据参数

功能介绍

①避障功能

机器人搭载超声避障传感器，当传感器探测到障碍物时，机器人自动停止行走。

②通讯功能

机器人通过无线路由器与本地设备的有线通讯，通过OPC系统实现了部分参数井上管控平台和本地通讯。

③路径规划导航功能

机器人搭载激光测距传感器，在行走过程中始终保持与目标侧巷道壁距离不变。

▲激光测距

④车辆姿态感知功能

通过倾角传感器、编码器获得自身的当前位姿，超过安全限度即时报警。

⑤视觉功能

机器人通过视觉识别管路，完成管路坐标的识别，将坐标数据发送给控制系统。

（左）视觉扫描界面（右）管道点云显示

⑥语音提示功能

机器人具有语音提示功能，可以合理对故障及隐患进行预报警，提高作业时的安全性。

⑦自动抓举功能

机器人的控制系统通过机械臂正逆解算法，运算系统自动解析出端拾器运动轨迹，实现管路自动抓取和举升。

▲自动抓举

⑧运算控制功能

机器人通过在机械臂上加装的编码器、倾角传感器等，结合机械臂结构参数，建立机械臂数学模型。通过实时采集各传感器数据，形成闭环，实现端拾器的精准控制。

▲编码器

抓管机器人亮相陕煤集团神木柠条塔项目

     现阶段煤矿井下管道安装采取的常规安装方法是人力和辅助设备相结合的传统方法，首先把起吊架固定在梭矿车上。用手拉葫芦来 起吊煤矿管道。起吊的高度一般在2.25 m左右，高度一定要比槽钢托架高。简支梁套在槽钢托架上松开葫芦和索具，进而煤矿管道可以自行移动到设计好的地方，并且用法兰盘进行连接，用卡箍来固定。设备存在如下缺点：现场施工环境恶劣，顶板及巷帮不好；装车后水管捆绑不牢固；卸车时人员配合不当；水管安装未清理水管，水管内部有杂物；水管安装未进行耐压试验；拆卸水管时，未将水管固定牢固等。上述潜在危险源往往会导致发生裂层掉落伤人、造成水管掉落伤人、易造成水管断裂或裂口，碰伤，射伤人员、易发生水管掉落伤人等危险性事故发生，对现场工作人员的人身安全造成极大损害，并产生连锁的经济财产损失和煤矿生产的应急性停产，产生了连锁性恶性后果。

针对以上问题，中国煤科沈阳研究院特种机器人事业部与中煤科工机器人研发抓管机器人，解决了项目施工难题，有效辅助人员完成管道搬运、提升、安装等工序，且具有半自主作业，远程遥控作业、人工就地作业等多种作业模式，可根据现场实际情况选择不同的作业模式，进而可有效降低井下作业人员的负担，同时可大大提高工作效率及井下安全等。

管路安装机器人工作原理及主要功能

管路安装机器人以液压履带底盘为载体，集 成抓管机械臂 （双臂）、液压驱动、控制系统、 供电系统、无线通信系统等，通过对管线抓取、举 升、对接等运动轨迹的技术研究，采用防倾斜自行 走移动机构、三级防人式机械臂结构及设计控制系 统对液压驱动进行决策指令控制，实现机器人的自 主行走与机械臂的精准作业，以保证在狭小、倾角 大等复杂条件下对管路进行安全、高效安装。 

管路安装机器人主要功能有以下9点： 

（1）管路安装机器人整机采用液压驱动，可 抓取的圆管最大直径为400 mm，目前额定抓取负 载为500 kg，额定臂展2 m（距车身边缘）。 

（2）管路安装机器人抓取系统（机械臂和机 械夹爪）包括2个回转自由度和4个俯仰自由度， 每个自由度可独立控制。其中：2个回转自由度分 别为抓取系统（机械臂和机械夹爪）绕底盘270° 旋转和机械夹爪绕小臂90°旋转，在底盘不动的前提下，通过调整机械臂姿态能够在长×宽×高为 2.0 m ×3.2 m ×3.5 m的取物空间内进行无障碍取 物作业。

（3）管路安装机器人机身采用履带式行走方 式，履带由液压马达、行走减速机和刹车系统等组 成，2个液压马达分别独立驱动，可实现前进、后 退、左右转向等功能。 

（4）管路安装机器人采用立式液压支柱支 撑，液压支柱张开时的整机最大宽度为2.22 m，液 压支柱收回时的整机最大宽度为1.4 m，具备狭窄 空间作业能力。 

（5）管路安装机器人具备无线遥控功能，最 大遥控距离40 m（与作业环境有关），可实现遥 控/自动切换。 

（6）管路安装机器人具有应急保护功能，机 身及遥控器均具有急停按钮，按下任一急停按钮， 均可切断管路安装机器人的主动力源，无论急停还 是突发断电，机械臂均可保持当前姿态，防止因突 发情况导致机械臂坠落而造成的危险。

（7）管路安装机器人具备自行走功能，导航 系统可根据作业需求，感知机器人当前位姿及环境 信息，对机器人行走路径进行规划。 

（8）管路安装机器人具备语音播放、告警提 示、命令指示等功能。

（9）管路安装机器人防爆等级为Ⅰ类防爆， 防爆型式为矿用隔爆兼本安型。

管路安装机器人技术与创新

1.管路安装机器人工艺路线及技术方案 

围绕煤矿井下管路安装的实际过程，制定了 管路安装工艺路线为“行、识、抓、举”4个部分 （图1）。首先，机器人行走至管路摆放区时，深 度相机识别管路法兰特征；其次，根据所得空间 坐标，拟合当前抓手位置坐标，进行合理的路径规 划；最后，得出机械臂及抓手各油缸位移及角度偏 移量，完成抓举。 

管路安装机器人主要技术研究内容包括机器 人本体结构设计、机器人自主导航、管路作业目标 物视觉检测、管路作业机器人抓管动作规划。 

（1）多关节防爆液压机械臂 

多关节防爆液压机械臂是管路安装机器人的 重要组成部分，设计机械臂为6+1个自由度，分别 为腰部回转、大臂俯仰、中臂俯仰、中臂伸缩、腕 部俯仰、腕部侧摆及夹手开合。多关节防爆液压机 械臂采取液压驱动，通过液压伺服来控制机械臂的 运动状态，具有负载自重比高、环境适用性好等特 点。多关节防爆液压机械臂底座与机器人移动平台 采用法兰连接。 

夹手是多关节防爆液压机械臂直接用于抓取 和握紧工件的部件，安装于机械臂末端。机械臂夹 手采用弧形结构设计，夹手表面增加花纹或包覆耐 磨材料，用于提高对目标物的抓取摩擦力。多关节 防爆液压机械臂末端弧形夹手如图2所示。

采用SolidWorks软件对机械臂进行三维仿真，多关节防爆液压机械臂作业姿态展示效果如图3所示。 

图3 多关节防爆液压 机械臂作业姿态

（2）高稳定可靠控制系统 

管路安装机器人可实现自主作业和远程遥控 作业2种作业方式，因此，机器人控制系统应具备 机器人自身及外界信号采集、机器人运动学解算及 控制指令接收与下达功能，从而解析机器人的运动 需求，实现机器人的伺服控制及末端作业目标物抓 取。管路安装机器人控制系统架构如图4所示。

图4 管路安装机器人 控制系统架构

（3）基于三维激光雷达与惯性里程计相结合 的SLAM环境自主导航 

采用紧耦合联合优化的激光雷达惯性里程计 和点云地图构建技术，在紧耦合联合优化的激光雷 达惯性里程计部分，首先对IMU数据进行预积分， 对激光雷达帧内运动和帧间运动进行运动解算；然 后将计算得到的点云数据进行预处理操作，去除运 动畸变的影响，数据预处理之后对点云数据进行特 征提取，同步完成IMU状态预测；最后，根据建立 的IMU约束和激光雷达约束共同构建非线性优化模 型，通过求解该模型获取建图过程所需的状态量。在构建点云地图部分，首先将点云地图进行体素 化，然后根据里程计部分的优化结果对激光雷达点 云和点云地图进行匹配，最后对点云地图进行降采 样处理，以便减小点云地图的体量。管路安装机 器人自主导航流程如图5所示。

图5 管路安装机器人 自主导航流程

2.管路安装机器人技术创新 

管路安装机器人的技术创新包括以下2点：

（1）基于候选区域的抓管检测方法 

创新性地提出了一种基于候选区域的抓管检 测方法，基于resNet网络模型并加以改进，对抓管 区域进行特征提取及检测，得到了较好的判别检测网络模型，提高了抓管检测判断的准确率。 

（2）基于双目视觉的抓管动作规划方法 

根据机器人关节姿态信息，采用双目视觉传 感器对轨迹偏差进行补偿和纠正，解决了机械臂多 关节累计控制误差导致的抓取精度低问题，提高了 管路安装机器人的绝对定位精度。

管路安装机器人实践应用 

图6 管路安装机器人现场应用

管路安装机器人现场应用如图6所示，替代了 传统的人工抓管工作，不仅从根本上改变了工人 的工作方式，缩短了工人工作时间，降低了工人劳 动强度，大幅减少了重大安全事故的发生，而且提 高了抓管数据可视化和利用程度，增加了数据附加 值，实现了生产过程精细化管理。下一步，管路安 装机器人将应用于陕煤集团神木柠条塔矿业有限公 司的回风巷。

制造及应用单位：

陕西小保当矿业有限公司、廊坊景隆重工机械有限公司

案例介绍（以下以景隆重工在神东的应用为例）：

由廊坊景隆重工机械有限公司承担的神华集团技术攻关项目“管路安装预埋孔钻车”和“管路安装机械手台车”于2017年5月11日出厂，交付神东开拓准备中心投入使用。

煤矿巷道和工程隧道在巷帮需要安装供排水管等大量管件，传统工艺采用人工手持风钻或煤电钻在巷道侧壁或顶部钻孔并施工支承预埋件；管路安装时，多采用人抬或吊链起吊作业，施工难度大，用人多，效率低，劳动强度高，安全性差。

本项目研发成功的两种新型机械化施工装备具有以下技术特点：

►机械化作业，可极大提高施工效率，减少作业人员60%以上，明显改善作业安全性，大大减轻工人劳动强度。

►外形尺寸小，结构紧凑，操作简便，工作时只占半幅巷道，不影响其它车辆通行。

►油电双动力，液压四轮驱动：行走动力源为防爆发动机，工作机构动力源可在防爆发动机和防爆电机间切换，工作时噪音低、污染小，适于巷道内施工。

►设有带护栏的可升降、可伸展的工作平台，便于不同位置高度的预制件安装、法兰紧固等施工作业。

管路安装预埋孔钻车

管路安装预埋孔钻车可在巷道侧帮和顶板钻管路预埋件安装孔，侧帮打孔高度500～4000mm，钻孔直径φ80～180mm，顶板钻孔范围φ18～32mm，孔深最大1800mm，作业人员由以往的4～5人减少为1～2人。

管路安装机械手台车

管路安装机械手台车能够抓举多种直径规格（φ150～500mm，最大长度9m）的管件，最大安装高度4m。其抓举机构灵活可靠，具有抓、举、让、转、移等功能，可实现前后、左右、上下摆动（或扭转），以适应不同工作环境的管路安装工作要求，作业人员由以往的5～6人减少为1～2人。

新型“管路安装预埋孔钻车”和“管路安装机械手台车”的研发成功，填补了国内外空白。在煤矿巷道和隧道管路安装作业中能明显减少用人并显著提高施工效率，同时可极大改善施工安全性并减轻工人劳动强度。为煤矿企业落实国家安监总局关于“机械化换人、自动化减人”及控制入井人数等政策措施将起到积极示范作用。

GZC1.5/500Y型防爆柴油管路抓举车

防爆柴油机管路抓举车

（管路安装机器人）

压风、供水、排水管路是井下生产的生命线， 每天管路搬运和管路安装牵扯了大量的检修力量， 管路安装困难导致工作时间延长，影响正常的生产开机。神东布尔台煤矿引进管路抓举机器人，采用全机械化作业，可以在井下环境中完成管路的安装和拆装等任务。作业人员只需负责紧固管路螺丝等简单操作，而其他复杂的搬运和安装任务全部由抓举机器人完成。

布尔台管路抓举机器人

制造及应用单位：

中煤陕西榆林能源化工有限公司、中煤电气有限公司

案例介绍：

自动化接管机器人集成履带式运载底盘、液压机械臂、液压控制站、控制系统以及遥控终端，通过空间机械手臂运动学建模、图像和点云数据作业目标识别、机械动作解算和接管作业辅助控制算法模型智能研发，打通机械手臂控制、比例液压驱动、嵌入式系统等相关技术难题，用于煤矿井下巷道中管路接管安装和拆管，替代高危环境人工作业，保障安全生产，提高作业效率。

自动化接管机器人可在宽度小于1.8m的狭窄巷道运行，臂展长达4.5m，举升重量为1t，机械臂位置控制精度小于2mm，实现水管、注氮管、通风管等多种管径管路抓取，适用高空、狭窄、受限等空间场景的精细化作业需求。

接管机器人核心单元与部件

包括了履带式运载底盘、液压机械臂、液压 控制站、控制系统、驾驶室和遥控终端。 

1.液压机械臂：液压机械臂控制元件选用电液比例伺服阀，可实现液压流量 与液压压力的实时调制，具有动态响应快、控制精度高和使用寿命长等优点。 

2.控制系统：控制系统集成底盘状态监测、机械手臂位置监测、传感器数据 监测、指令信号传输、上下级数据交互、故障诊断报警以及数据实时分析等功能， 最终实现辅助接管机器人整机作业过程控制。 

3.遥控终端：完成机器人各液压油缸控制、机械臂位置移动、运载底盘行走 和管路拖车取/放控制等功能，同时可查看机器人当前运行参数和报警信息。

自动化接管机器人功能

辅助定位功能：通过该系统能够辅助引导机器人准确到达下一个接管位置点； 

机械手臂位置检测功能：通过位置检测装置控制系统，控制机械手臂的执行 速度和位移，实现位置自行调整，使机械手臂以一定的精度达到设定位置； 

目标识别功能：实现目标钢管识别抓取和待接钢管位置锁定； 

自主检测功能：机器人通过将单次接管过程参数进行监测和分析，结合经验 数据和历史数据，实现单次作业质量检测分析。

接管机器人控制系统集成三维激光雷达，用于井下巷道场景重构，为机器人 目标识别和辅助定位功能提供可靠的数据支撑。 作业时可通过遥控终端启动三维激光雷达， 根据激光点云扫描数据进行三维建模与场景重构，实现管路与支架的智能辅助识别功能。 

自动化接管机器人适用于煤矿井下 200-400mm 直径管道的安装及拆卸工作。 以中煤大海则煤矿377 管路为例，接管机器人本地操作只需约 2~3 人，接管作业时长约 4 分；人工安装管路需要 5 人，接管作业时长约 10 分，最大限度地解除人员作业 时的安全隐患实现减人换人，保障煤矿生产安全、提高作业效率以提升煤矿本质 安全水平。