《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; 103个
关键词; 104位
专家; 22篇
论文; 4259IP
点击量; 15907次
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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

193

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磁轮驱动钢罐道巡检机器人研究

作者(Author)：封华, 李强, 陈朋朋

摘要：钢罐道作为矿井提升容器的导向限位装置，其自身表面受损程度、与罐道梁的安装状态以及每段罐道间的位置关系等会直接影响提升容器的安全运行。目前钢罐道的巡检方式仍然为人工巡检，存在安全性差、效率低、漏检率高等问题。为提高立井钢罐道的巡检效率及安全性，提出了一种新型的磁轮驱动巡检机器人模型，并试制了原型样机。首先，根据立井钢罐道实际巡检工况的功能需求分析，对机器人进行结构设计，并研究了磁轮驱动下的可靠运行条件，进而对磁轮的设计尺寸进行优化；其次，在扩展卡尔曼滤波（EKF）方法的基础上，借助加速度计、陀螺仪和磁传感器（合称MARG传感系统）对所设计的机器人进行了姿态估计，并运用反步法对机器人在罐道面上的高效运行进行了步态规划；最后，通过仿真和试验的方法对所设计的磁轮驱动巡检机器人进行了验证。结果表明：① 所提出的姿态估计方法可以实现对机器人当前姿态的准确估计，偏差浮动范围保持在±0.1°内；② 所设计的巡检机器人可以实现直线和圆轨迹的快速、准确跟踪，当跟踪时间达到3 s时，局部位置误差趋于稳定并收敛到0；〖JP2〗③ 所设计的巡检机器人能够进行壁面跨越，当左右两侧舵机转速为0.1 m/s，〖JP〗转弯半径为49.5 mm时，可实现0°～90°的转弯，在转弯初始阶段会出现一定的偏差，当偏差达到1 mm左右时趋于稳定。

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煤炭科学技术

2022年第11期

117

394
综采工作面巡检机器人柔性轨道设计与运动学仿真

作者(Author)：张旭辉, 杜永刚, 霍鑫健, 王川伟

摘要：煤矿井下综采工作面空间狭小、设备动作频繁，位置关系复杂等问题，导致常规巡检机器人难以直接在工作面运行，自动化监测难度大。根据工况需求，结合环境及设备群动作特点，提出工作面巡检轨道设计要求，采用模块化设计、仿真模拟和样机试验的方法，设计一种新型跨座式巡检机器人柔性轨道，实现在工作面环境的安装调节及当安装设备发生动作变形时轨道自身的自适应补偿。首先设计了巡检机器人柔性轨道的机械结构并确定安装运行方式。其次，以轨道跨接在刮板输送机线缆槽一侧为例，分析刮板输送机在平直、弯曲和起伏3种工况下的弯曲和俯仰变形量，并对柔性轨道进行运动学仿真。在3种工况下，该轨道可随工作面设备完成水平弯曲0~5.4°、竖直倾斜0~6°、伸缩变形0~120 mm，满足实际工况要求。巡检机器人通过柔性轨道时，其主运动方向始终保持匀速直线运动，水平或竖直方向在柔性过度段存在波动，波动幅值均在安全允许范围内。最后搭建柔性轨道物理样机及工作面试验平台，对工作面巡检机器人柔性轨道进行性能验证。结果表明：新型跨座式巡检机器人柔性轨道结构设计合理，可以适应工作面巡检的不同工况，对实现煤矿井下综采工作面机器人巡检具有重要意义。

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煤炭科学技术

2022年第12期

128

279
基于改进A*和势场法的轮式煤矿救援机器人路径规划

作者(Author)：王宏伟, 李超, 梁威, 姚林虎, 李永安

摘要：煤矿救援机器人在非结构化井下巷道环境中进行搜救任务，传统的路径规划算法用于搜索空间较大或者复杂度较高的非结构化环境时，可能会面临效率低、非最优路径和平滑度较差等问题；此外，巷道存在复杂的交叉口等环境特征，机器人在该区域容易偏离预设路线或与路口壁面发生剐蹭。为了克服这些问题并提高机器人的导航精度，本文提出了针对轮式煤矿救援机器人路径规划算法改进方案：（1）改进A*算法，通过分层邻域搜索与剪枝的方法改进邻域搜索方式，优化代价函数以更好地平衡实际代价和启发式代价的影响，更准确地评估每个节点的代价，使其适应实际情况且缩减了计算量，并利用B样条方法对路径进行平滑处理；（2）利用RANSAC拟合算法构建煤矿巷道壁面的几何模型，以便提取交叉路口特征点坐标纳入规划系统，利用B样条基函数的局部支撑性优化路径，当后续添加路径优化点时，仅影响相应区间的曲线形状，对路径的其余部分不产生影响；（3）根据构建的环境几何模型和提取的特征点建立综合局部势力场，引入调整系数优化势场分布，并使用PSO优化的PID算法实现运动控制，增强机器人针对巷道交叉口等复杂环境通行的适应能力。本文通过MATLAB和ROS仿真验证了算法原理与应用的可行性；实验证明该方法可以实现在复杂交叉环境中路径规划、自主行驶等功能。

煤炭科学技术

83
基于ORB-SLAM3视觉与惯导融合的煤矿机器人定位算法研究

作者(Author)：陈伟, 巫帅达, 田子建, 张帆, 刘毅

摘要：针对煤矿井下空间狭窄、光线昏暗且严重不均匀，使矿井图像存在照度低、纹理稀疏、颜色失真等缺陷，严重影响了视觉SLAM特征点提取匹配结果，导致定位性能急剧下降。提出一种基于改进ORB-SLAM3算法的煤矿移动机器人单目视觉定位算法。首先对ORB-SLAM3定位算法进行改进，在前端特征点提取（ORB）算法的基础上引入了直方图均衡化、非极大值抑制法、自适应阈值法以及基于四叉树策略的特征点均匀化性质；然后在特征点匹配工作中，引入了基于图像金字塔的LK光流法，减少优化的迭代次数，在特征点匹配完成后加入RANSAC算法去除误匹配的特征点，提高特征点的匹配准确率。在后端通过三角测量的方法，得到像素的深度信息，将2D-2D位姿求解问题转化成3D-2D（pnp）位姿求解问题。根据视觉惯导紧耦合的原理，通过融合视觉残差和IMU残差构建整个定位系统的残差函数，并使用基于非线性优化的滑动窗口BA算法不断迭代优化残差函数，获取精确的移动机器人位姿估计。将改进后的算法在四个数据集下与ORB-SLAM3算法以及VINS-Mono算法进行了充分的对比实验。研究表明：①相比于ORB-SLAM3算法以及VINS-Mono算法，提出定位系统的运动轨迹和真值轨迹最接近；②提出定位系统的APE各项指标均优于ORB-SLAM3算法以及VINS-Mono算法；③提出定位系统均方根误差为0.049m（四次实验平均值），相较于ORB-SLAM3均方根误差降低了31.1％（四次实验平均值）。

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基于视觉实时引导的煤矸石精准跟踪方法

作者(Author)：曹现刚, 王虎生, 王鹏, 吴旭东, 向敬芳, 李虎

摘要：现有煤矸分拣机器人在分拣煤矸石时存在误抓取、空抓、碰撞等问题，其主要原因是煤矸石随皮带运输过程中存在打滑、跑偏等现象，依靠带速的煤矸石跟踪方法难以实时获取其精准位姿信息，导致机械臂抓取时出现较大误差，影响机器人分拣效率。针对该问题，提出一种基于视觉实时引导的煤矸石跟踪方法，即通过相机获取煤矸石实时位姿信息，引导机械臂调整动作完成煤矸石跟踪抓取。首先，通过视觉识别模块获取待抓取目标初始位姿与跟踪模板，由控制系统进行策略分配，将煤矸石分配给对应机械臂进行抓取；当目标煤矸石进入机械臂抓取工作区后，由基于孪生网络构建的单目标跟踪模型获取煤矸石实时位姿信息，并实时调整机械臂动作，完成抓取。最后，对不同带速下的煤矸石进行视觉跟踪实验，并构建煤矸分拣机器人仿真系统完成不同程度打滑、跑偏工况的煤矸石跟踪轨迹规划仿真。仿真实验结果表明，构建的煤矸石跟踪模型跟踪准确率为96.9%，跟踪速度为39fps，满足实时引导的需求。当存在不同程度打滑、跑偏时，基于视觉实时引导的机械臂抓取误差均降低至1mm以内。相较于基于带速的跟踪方法，可有效消除运输过程中由于皮带打滑、跑偏等带来的累积误差，提高系统实时响应能力，进一步提升煤矸石分拣效率。

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