《煤炭科学技术》“煤矿机器人”研究领域 | 热文精选

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《煤炭科学技术》“煤矿机器人”研究领域 | 热文精选

来源：煤炭科学技术

为了协助读者了解煤矿机器人研究领域内的研究热点和前沿问题，促进学术交流与合作，编辑部根据论文在中国知网的下载、引用等指标，整理了22篇《煤炭科学技术》2022年至今刊出的“煤矿机器人”研究领域最受关注论文，以飨读者。以刊期排序。

行业视野: 煤炭科学技术
类别; 88个
关键词; 95位
专家; 19篇
论文; 4392IP
点击量; 15909次
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矿井轮式物料运输机器人设计

作者(Author)：郝明锐

摘要：为实现煤矿井下物料标准化装载、智能化配送、自动化转运和无人化运输的连续型辅助运输工艺，解决当前煤矿无轨辅助运输存在的系统能耗高、尾气污染严重、自动化和信息化水平落后，难以满足标准化、智能化的现代物流要求等问题，提出了一种矿井轮式物料运输机器人的设计方案，其具备清洁动力、环境感知、定位导航和自动驾驶等功能，可作为煤矿智能辅助运输系统的运载平台。该方案采用模块化设计将运输机器人的行走、装载等基本功能划分为独立的单元模块，根据不同需求进行组合，完成多种作业任务，达到减少车型种类，增加部件通用性的目的，为实现矿井物料运输的标准化和无人化提供装备基础。① 针对煤矿巷道的特殊工况和物料运输需求，提出了该型机器人的技术指标和总体架构，明确了各系统的层级关系和单元组成。② 介绍了作为机器人主要功能载体的行走底盘的结构形式和技术特点，进行了动力系统的匹配设计，并通过建立底盘运动学模型和相应的微分方程，提出了预测机器人行驶状态的描述参数和控制变量。③ 介绍了机器人环境感知、无线通讯和自主定位等系统的设计方案：环境感知系统综合采用RGB-D深度相机和平面激光雷达等多种传感设备，实现机器人在巷道运行时的实时数据采集；无线通讯系统通过在巷道内部署低延迟的WiFi+LoRa+UWB防爆基站，实现机器人运行范围内无线通信网络的全覆盖；自主定位系统综合利用了无线通信定位功能和环境感知定位技术，以实现机器人运行时的精确定位与导航。

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煤炭科学技术

2022年第04期

79

456
煤矿水泵房巡检机器人路径规划与跟踪算法的研究

作者(Author)：金书奎, 寇子明, 吴娟

摘要：目前煤矿水泵房排水设备的巡检工作仍需要人工完成，存在工人巡检懈怠，巡检不及时，巡检不到位，巡检结果数字化不便等问题。结合里程计定位技术、轮式移动机器人导航和避障技术，以ROS机器人开发平台为基础，研究了一种适用于井下水泵房环境的巡检机器人全局路径规划与跟踪算法，可实现巡检机器人在无人为干预，无磁轨、线缆或GPS辅助的情况下按照设定的路径自主移动完成水泵房设备的巡检工作。首先根据水泵房的平面图建立二维栅格地图，通过PRM路径规划算法在建好的二维栅格地图中规划一条经过所有检测点和行进点的无障碍路径，接着通过Pure Pursuit路径跟踪算法计算巡检机器人沿该路径行走需要的实时线速度和角速度，将其发送给巡检机器人运动控制器，然后控制器根据雷达数据实时监测机器人10 cm范围内障碍物情况，决定巡检机器人是否采用当前的线速度和角速度沿规划路径行走，最后在机器人到达检测点后对排水设备进行拍照和运行数据的采集。通过对巡检机器人的模拟实验结果分析得出：巡检机器人能够避开路径上的障碍物，准确到达巡检点，机器人实际位置平均误差为4 cm，姿态角度平均误差为 0.095 rad ，满足机器人巡检工作的要求。

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煤炭科学技术

2022年第05期

66

3114
煤矿带式输送机巡检机器人关键技术研究

作者(Author)：方崇全

摘要：针对带式输送机巡检机器人在煤矿井下的环境适应性、自主快速安全充电、基于音视频分析的带式输送机异常工况智能识别等关键技术问题，阐述了煤矿带式输送机巡检机器人系统总体设计；设计了一种模块化、两节车厢挂载式巡检机器人本体及吊挂单轨式、滚轮与链轮链条混合驱动的巡检机器人行走机构，可适应煤矿井下输送带运输复杂环境；提出了煤矿井下电—机—电能量转换充电方法，设计了基于鼓形齿的充电自动对接机构，可实现巡检机器人在煤矿井下自主快速安全充电，满足井下远距离巡检需求；提出了基于托辊运转的声压1/3倍频程谱及声品质尖锐度特征指标的托辊故障识别方法，针对井下多粉尘、浓雾气、低照度场景下视频质量差导致视频识别难的问题，提出了自适应图像增强算法框架，增强图像质量，在此基础上，基于目标轮廓先验知识，构建深度神经网络模型，实现煤矿井下人员、煤流、带面异物、带面损伤等特征不显著目标的视频智能识别，提高带式输送机巡检机器人智能化水平。对带式输送机巡检机器人样机及带式输送机异常工况音视频样本进行了验证测试，结果表明：巡检机器人最小转弯半径1 m，在负重220 kg、巡检速度0.4 m/s的情况下，可在角度为20°的坡道上平稳运行；在充电站端的电动机额定功率2.2 kW情况下，机器人本体端的发电机能稳定输出功率800 W；基于音视频分析的带式输送机异常工况智能识别方法具有应用可行性。煤矿带式输送机巡检机器人关键技术的突破，将加速带式输送机巡检机器人的推广应用，有力促进智能化矿井建设。

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煤炭科学技术

2022年第05期

181

3174
柔性轨道式环境巡检机器人设计原理与试验

作者(Author)：曹现刚, 许罡, 吴旭东, 刘思颖, 李莹

摘要：针对煤矿井下特种巡检机器人运动受限于三维环境重建和非结构环境运动轨迹规划等关键技术问题,设计了一种固定柔性轨道式悬挂巡检机器人平台。采用模块化思想设计出防爆多轮悬挂式巡检机器人本体结构;通过理论计算分析多行走轮与多驱动轮情况下机器人在柔性轨道上的驱动能力,建立多轮牵引力数学模型,并根据多轮牵引力数学模型获取水平柔性轨道与给定爬坡角轨道下机器人的具体驱动能力参数,根据所获取的驱动能力参数观察多行走轮与多驱动轮下牵引力的存在形式,最终选择双轮双驱的机器人行走方式。对异侧驱动模块安装方式进行仿真试验,对同侧异轴及异侧异轴驱动模块安装方式进行实物试验。结果表明：采用双轮双驱的行走方式可保证巡检机器人良好的水平行走能力及爬坡能力,其中质量20 kg机器人的坡度角可达25°;异侧异轴驱动模块安装机器人绕运动方向的最大摆角绝对值为2°,同侧异轴驱动模块安装机器人绕运动方向的最大摆角绝对值为5.82°,双轮双驱中驱动模块异侧安装可降低机器人机身的摆动,但是异侧异轴及异侧同轴安装方式并不能消除机身摆动。该机器人在满足基本巡检功能外可提高非结构井下环境的适应性,可增强井下布控的灵活性,降低轨道铺设及回收投入,为煤矿环境巡检提供了新特种巡检平台。

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煤炭科学技术

2022年第06期

152

320
基于 WOA－FOPID算法的钻锚机器人机械臂运动控制研究

作者(Author)：张君

摘要：钻锚机器人是实现煤矿综掘智能化的重要装备，其机械臂的控制效果直接影响钻锚机器人支护作业的安全性和高效性。钻锚机械臂的控制通常采用PID控制器，但在环境恶劣、煤层复杂的工况下，PID控制器的参数选择对控制效果影响较大，且由于受整数阶PID控制算法和传统经验调参的限制，难以在短时间内找到控制效果最好的一组参数，导致机械臂末端不能及时准确定位。基于机器人技术、分数阶控制技术和智能优化算法，采用数值建模与仿真分析相结合的方法，利用鲸鱼算法（WOA）对分数阶FOPID控制器进行参数整定并应用于机械臂的运动控制。基于旋量理论利用D-H法建立机械臂关节坐标系及坐标变换矩阵表达式，采用蒙特卡洛算法求解机械臂工作空间点云图；基于独立关节控制理论利用Matlab-Simulink软件，并结合分数阶FOPID控制技术，搭建机械臂关节处液压马达/油缸单输入-单输出系统模型。基于遗传算法（GA）、粒子群算法（PSO）、鲸鱼算法（WOA），搜索算法（GPS）4种智能优化算法，从标准方差、超调量、稳定时间3个动态指标进行对比，分析液压马达/油缸的不同控制组合策略下阶跃影响的效果。通过仿真分析验证了鲸鱼算法（WOA）对整定FOPID参数的有效性。研究工作为无人钻锚机械臂精准定位和自动支护奠定了理论基础，同时也为相关运动控制策略设计提供了参考。

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煤炭科学技术

2022年第06期

143

362
数字孪生驱动的掘进机器人决策控制系统研究

作者(Author)：张旭辉, 吕欣媛, 王甜, 黄本鑫, 郑西利

摘要：针对掘进设备远程控制中存在的设备决策能力低，掘进效率不高，安全隐患大等问题，提出了一种数字孪生驱动的掘进机器人决策控制方法。通过分析对比当前数字孪生技术在煤矿领域的研究情况，设计了数字孪生驱动的掘进机器人决策控制系统体系框架，包含物理空间、虚拟空间、孪生数据、规划层、控制层、执行层6个模块，以实现虚拟样机自主规划决策，远程控制物理样机同步运动的目的。首先，结合虚拟现实技术研究了非结构化环境下的局部避障策略，建立掘进机器人运动控制模型与传感观测模型，利用激光雷达将巷道中的障碍物在虚拟环境中进行重建，采用Ray-Col方法进行机器人与障碍物之间的碰撞检测，为机器人的路径规划决策奠定基础；其次，结合深度强化学习技术研究了基于虚拟智能体的全局路径规划方法，提出了基于改进PPO算法的Muti-PPO算法，通过奖惩机制建立掘进机器人虚拟智能体，并在Unity3D平台中进行训练，训练结果表明Muti-PPO算法相比于PPO算法、SAC算法，平均奖励值分别提升了13.82％与11.31％；标准差分别下降了17.85％与16.81％；最高奖励值分别提升0.14％与0.43％，其性能在3种算法中达到最优；最后，搭建决策控制平台，将虚拟空间中产生的决策指令发送至物理样机的末端执行器，通过物理样机传感器数据驱动虚拟样机同步变化。根据系统的规划决策、双向映射与远程控制功能，设计路径规划试验与虚实同动试验对其进行验证。路径规划试验结果表明，在3种不同复杂程度的工况下，虚拟智能体路径规划结果与目标点的误差在1.2 cm以内，且能够将控制信息传输至物理空间中，远程控制机器人运动；虚实同动试验结果表明，在掘进机器人运行过程中，虚拟样机与物理样机保持同步运动，两者在巷道中的位姿均保持一致。该方法实现了“数据驱动、双向映射、碰撞检测、自主决策、人机协作”的无人化决策控制新模式，为掘进设备的智能化提供了新的思路。

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煤炭科学技术

2022年第07期

501

1233
基于功能分析的带式输送机自动巡检机器人设计

作者(Author)：孟娜娜, 钟鹏程, 雷超, 江帆, 杨龙, 李柱江

摘要：带式输送机具有长距离连续运输等优点，成为运输煤炭等矿山物料的重要设备。在长时间连续运行过程中，带式输送机关键部件的性能退化会引发输送带打滑、跑偏和断带等故障，迫切需要对其工作状态进行实时监测。针对传统带式输送机自动巡检系统上下坡驱动打滑、平稳性差等问题，设计了一种基于轨道摩擦和齿轮齿条啮合混合驱动的自动巡检机器人。基于功能分析，设计了巡检机器人的总体方案，提出了水平运动时采用行走轮和轨道的摩擦式驱动和上下坡运动时采用齿轮齿条啮合驱动的两阶段驱动方式，增加了巡检机器人的爬坡能力，避免了传统巡检装置存在的上下坡打滑的不足。考虑到带式输送机恶劣的巡检工况，详细设计了巡检机器人的驱动系统和行走系统等机械结构，并采用Creo软件建立了巡检机器人的三维模型。针对巡检机器人的控制系统实现的功能，完成了巡检机器人的控制系统硬件选型和控制系统程序的流程图设计，并计算出巡检机器人的续航时间。采用ANSYS软件对底板和托架进行了有限元分析，完成了底板轻量化设计并对底板和托架的强度进行了校核分析。采用ADAMS软件对巡检机器人的运动过程进行了仿真分析，运动学仿真结果表明：巡检机器人能够顺利实现水平运动和上下坡运动的无干涉平稳切换。

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煤炭科学技术

2022年第08期

225

428
煤仓清理机器人研发与应用

作者(Author)：王峥, 商守海, 高利强, 孙磊, 卢建宁, 薛道荣, 张国峰, 鲁杰为, 黄智, 何正勇, 刘建平, 袁广忠, 张海福, 丁红, 朱宴南, 陈闯, 齐连军, 褚立庆, 赵强, 于永昌, 董陆军, 张雷

摘要：储煤筒仓在我国应用广泛、现存量巨大，储煤筒仓的粘壁、蓬煤、堵塞现象，长期以来一直给煤矿、电厂等企业带来困扰。储煤筒仓内部呈圆柱体，底部有多个方锥形落料口，落料口通常为一米见方远小于煤仓内径，原煤自上而下靠自重下落，这种结构形式决定了锥形落料口附近原煤流速变缓、受挤压、易粘壁蓬堵，再遇上煤料颗粒细、含水量高、存煤时间长等情况，粘壁更易发生，粘壁使煤料流动通道更为狭窄、流速更慢，进而逐渐发展为堵塞，这种情况很难完全避免；在冬季气温很低的地区，含水量较高的煤料还会形成冻粘壁，进而逐渐发展为冻堵，更加难以疏通。目前煤矿解决粘壁蓬堵是靠人工巡检发现蓬堵、定期人工清理粘壁、人工疏通堵塞，人员须钻入煤仓中手动清理，环境恶劣劳动强度大、耗时长效果差，且存在极大的安全隐患，每年都有因人工煤仓清堵而导致的人身伤亡事故；而且对于放小炮也无效的冻堵只能等待来年回暖，使煤仓使用率降低，给煤矿及电厂的正常生产带来影响。为解决上述问题，运用特种工业机器人技术和控制算法，针对储煤筒仓研发了一套煤仓全方位智能清理机器人系统，在不改变储煤筒仓现有结构的情况下，在每个落煤口内部安装一套以液压为动力、可往复移动、捶打破煤的机器人执行单元，由机器人集群控制软件操控，根据每个落煤口布置的堵煤监测传感器及其他传感器的信号，实现自动监测判断蓬堵情况，自动选择最优的清理措施、操控相关机器人协调动作，使落煤口迅速恢复畅通。整个系统全自动无人值守运行，可迅速有效解决储煤筒仓中的蓬煤、粘壁、冻煤等落煤不畅和阻塞的情况，以成体系的技术化手段安全有效地替代人工高危工作，避免了因人工清堵而导致伤亡的可能，解决了长期困扰煤矿、电厂的痛点，提高储煤系统运行安全性。详细说明了煤仓清理机器人的运行机理、安装布局、样机试验测试、煤矿企业应用效果等情况，证明了煤仓清理机器人是解决煤仓粘壁、蓬煤、冻煤等落煤不畅和煤仓阻塞情况的有效手段。

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煤炭科学技术

2022年第09期

212

414

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