煤科總院付鑫：煤礦四足機器人巡檢系統設計與研發

2025年12月11日 16:13 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

摘要

針對煤礦巡檢任務面臨的復雜環境挑戰，提出了一種四足機器人巡檢系統設計方案。集成激光雷達、慣性測量單元、腿部關節編碼器等多傳感器融合技術，結合自主導航算法與無線充電技術，開發出具備自主建圖、路徑規劃、動態避障和自主充電功能的四足機器人巡檢系統。經在煤礦地面變電所實際工作場景測試，能實現自主流暢移動，完成環境數據采集與實時監測，巡檢速度最高為0.6 m/s，無線充電定位精度<5 cm，具備較高的巡檢效率與安全性。

文章來源：《智能礦山》2025年第11期“礦山機器人技術創新與實踐特刊”

第一作者：付鑫，主要從事煤礦智能機器人具身智能與強化學習研發工作。 E-mail： [email protected]

通訊作者：朱西碩，主要從事煤礦智能機器人控制算法與仿真研發工作。 E-mail：[email protected]

作者單位：煤炭科學研究總院有限公司

引用格式：付鑫，朱西碩.煤礦四足機器人巡檢系統設計與研發[J].智能礦山，2025，6(11)：71-75.

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煤炭作為我國能源體系的支柱，穩定生產高度依賴電力系統的可靠運行。地面室內變電所作為礦區供電的核心樞紐，承擔著關鍵功能，部分區域存在高電壓、強電磁場等安全風險，巡檢任務還需應對狹窄通道及動態障礙。因此，常態化、精細化的巡檢對于及時發現隱患、保障電力系統安全至關重要。

傳統人工巡檢方式存在勞動強度大、效率低下、易受主觀因素影響、數據信息化程度低等弊端，且在高風險區域安全隱患突出，難以滿足智能化、精細化運維的需求。

隨著機器人技術、人工智能的飛速發展，引入機器人系統替代或輔助人工巡檢已成為提升效率、降低風險的重要趨勢。四足機器人因其靈活的運動姿態、較高的負載能力及對復雜地形的良好適應性，在室內變電所巡檢中展現出獨特優勢，能更有效地穿梭于狹窄空間、繞避障礙。

針對煤礦室內變電所的特定需求，設計了1套強調自主巡檢與能源自給能力的四足機器人巡檢系統。通過融合多種傳感器與智能算法，實現精準環境感知、自主路徑規劃與動態避障，確保在復雜場景下高效完成巡檢任務。結合無線充電技術，機器人可實現自主定位充電，支持長時間無人值守運行。

煤礦四足機器人巡檢系統構成

煤礦四足機器人巡檢系統主要由四足機器人本體、無線充電平臺和遠程控制中心組成，四足機器人巡檢系統如圖1所示。

圖1 四足機器人巡檢系統

（1）四足機器人本體使用了高機動性平臺，擁有12個自由度，結構緊湊，行動靈活，可有效適應復雜與狹窄的作業環境。機器人內部集成高性能電池模組、嵌入式控制板以及機載工業計算機，外部配置了16線激光雷達、攝像頭云臺等傳感器，實現多模態環境感知和定位導航。

（2）機器人與遠程控制中心通過現場部署的WiFi無線網絡進行實時數據與指令的通信，支持遠程任務調度、狀態監控和巡檢數據回傳。

（3）無線充電平臺為機器人提供了非接觸式的無線充電功能，配備了機械限位與姿態調整機制，確保充電過程的安全、高效與可靠。

（4）遠程控制中心下發巡檢任務指令，接收、存儲并分析巡檢數據，實現任務管理、機器人行為調度和異常情況報警等功能。

煤礦四足機器人巡檢系統程序與功能

巡檢系統程序涵蓋了自主啟動、節點巡檢、狀態判斷與實時上報、自主返航、自動充電以及異常情況處理等核心功能模塊，巡檢系統程序功能模塊如圖2所示。

圖2 巡檢系統程序功能模塊

（1）巡檢流程由遠程控制中心通過一鍵式操作啟動，隨后機器人自動完成包括攝像頭在內的各項傳感器與檢測設備的初始化，并根據具體巡檢任務進行地圖加載以及預設巡檢節點隊列的讀取。

（2）巡檢系統導航與路徑規劃模塊依據多源傳感器獲取的環境信息，動態生成前往各巡檢點的最優路徑，并控制機器人按照規劃路徑依次移動，具備實時動態避障能力。在每個預設的巡檢節點，巡檢系統會自動控制云臺及攝像頭采集高清視頻與紅外圖像，并結合其他傳感器數據，通過AI圖像識別算法智能識別儀器儀表讀數、設備開關狀態，所有檢測結果將實時回傳至遠程控制中心進行存儲、分析與歸檔。

（3）當所有巡檢節點任務完成后，機器人會自主規劃返航路徑，準確返回至無線充電站。到達充電站后，巡檢系統自動執行對位和充電操作，充電過程中實時監控充電狀態和相關安全參數。若在運行過程中遭遇設備故障、電池電量過低或接收到緊急終止指令，機器人立即停機并進入預設的安全保護模式。

煤礦四足機器人無線充電系統

為實現長時間自主巡檢和無人值守運行設計并集成了一套無線充電系統。該系統結合了結構機械定位、電氣控制邏輯和無線能量傳輸等技術。

3.1 無線充電系統硬件結構

無線充電系統主要由充電臺本體、機械定位結構、狀態指示單元、無線充電發射板、多組檢測開關以及輔助引導坡道等模塊組成，煤礦四足機器人無線充電系統如圖3所示。

圖3 煤礦四足機器人無線充電系統

（1）充電臺前方設計有輔助引導坡道，便于機器人按照自主導航規劃的路徑移動到充電臺上方。充電區域中央布置有無線充電發射板，上方和下方設有機械定位限位槽，協助機器人實現精確的機械對位，確保無線能量傳輸的耦合效果達到最佳，減少因位置偏差導致的充電效率下降或潛在安全隱患。

（2）機械定位限位槽的底部設計微動開關檢測機構，當機器人行駛并精確定位就位后，自身結構會觸發相應的微動開關，準確獲取機器人在位狀態，并聯動控制后續的充電動作。

3.2 無線充電系統電氣系統設計

無線充電系統電氣系統設計如圖4所示，無線充電臺通過WiFi信號接收模塊實時獲取由遠程任務調度中心下發的充電指令，并同步監控機器人的到位信號。當機器人成功到達充電位置后，觸發微動開關，信號作用于充電控制板，啟動供電開關。

圖4 無線充電系統電氣系統設計

充電控制板是核心組件，實現對整個充電流程的智能化管理與充電狀態實時上報等。供電開關直接控制主回路電流通斷，接通后為無線充電電路模塊供電。無線充電電路模塊將輸入的交流市電高效轉換為適合無線傳輸的高頻電流，再經由無線充電發射板向安裝在機器人底部的接收模塊發射能量，實現非接觸式的高效充電。

煤礦四足機器人建圖導航與規劃

基于多傳感器融合算法，構建高效、魯棒的自主導航技術體系，實現從環境感知到路徑規劃和運動控制的閉環協同。建圖導航與規劃系統集成IMU、激光雷達及關節編碼器等多種傳感器，獲取機器人及環境信息。傳感器數據經過統一的時間戳同步、噪聲濾波與坐標系配準處理，保證數據的時空一致性和高可靠性，為后續建圖與定位提供準確基礎，煤礦四足機器人建圖導航規劃系統如圖5所示。

圖5 煤礦四足機器人建圖導航規劃系統

（1）在煤礦四足機器人建圖與定位模塊，系統采用3個算法模塊協同工作，包括LIO-SAM構建高精度三維環境地圖與融合IMU實現位姿估計，確保三維空間結構的準確還原；GMapping生成二維柵格地圖，實時定位與損失地圖的建立，提升地圖的完備性并輔助規劃算法進行路徑規劃；NDT-Localization完成點云匹配與回環檢測，增強機器人在環境重復及動態變化場景下的定位魯棒性。

（2）采用的3個算法模塊產生的地圖數據和定位信息匯總至統一的地圖與坐標系管理模塊，系統輸出全局和局部地圖，構建包括全局坐標系、局部導航坐標系和機器人機身坐標系在內的多層級TF樹，支持后端導航和控制模塊的空間參考需求。

（3）路徑規劃與自主導航環節則基于ROS Navigation的框架實現。全局路徑規劃器依據已構建的地圖及遠程下達的巡檢任務節點序列，實現巡檢節點間的最優路徑規劃，保證任務全覆蓋和時間效率。局部路徑規劃器結合激光雷達和視覺傳感器的實時環境信息，動態調整路徑以避讓臨時障礙，實現高效的動態避障能力。任務調度模塊實現對巡檢節點的順序切換和任務流的智能管理，保障機器人在復雜環境中的任務執行連續性和穩定性。

（4）規劃生成的路徑與導航指令通過底層控制模塊Unitree Legged SDK實現精準轉換，完成機器人姿態調整、速度控制及運動反饋，確保四足機器人平穩、靈活行走。

煤礦四足機器人現場測試

為驗證煤礦四足機器人巡檢系統在真實環境下的性能，在煤礦地面室內變電所進行了系統性現場測試，煤礦四足機器人巡檢系統現場測試如圖6所示。測試環境中包括有高低壓開關柜、儀表盤等關鍵監測對象，現場測試主要包括以下4個步驟。

圖6 煤礦四足機器人巡檢系統現場測試

（1）機器人待機狀態位于無線充電平臺上方，處于對接狀態，依托高精度機械定位及無線傳輸技術，實現了充電定位誤差低于5 cm的精準對位，保證無線充電過程安全高效。

（2）機器人根據遠程控制中心下發的任務指令啟動，完成傳感器與檢測設備的初始化，并自動沿預設路徑依次到達各巡檢節點。測試中，機器人能夠穩定調整姿態應對巡檢路徑、檢測節點與人員障礙物，充分體現了其良好的環境適應能力和導航精度。

（3）在巡檢任務執行階段，機器人基于多傳感器融合實現定位以及動態避障功能。基于激光雷達、IMU等傳感器的實時數據，機器人順利構建環境地圖并實現精準定位，準確抵達巡檢設備旁的各個檢測節點，并正確觸發檢測模塊功能，調用攝像頭云臺完成對儀表讀數和開關狀態的檢測與圖像采集。配合攝像頭云臺與AI圖像識別技術，實現了對關鍵設備狀態的智能判斷和數據實時回傳。

（4）多輪測試表明，機器人運動平穩可靠，巡檢速度最高為0.6 m/s，無碰撞或誤判，急停、返航充電等功能機制表現穩定。完成任務后，機器人自主規劃返航路徑，精準返回充電站完成自動充電。

總結

（1）圍繞煤礦四足機器人在煤礦地面室內變電所的巡檢任務需求，系統性闡述了其整體結構設計、多傳感器感知融合方案、高精度建圖定位技術、智能路徑規劃策略以及自主無線充電平臺的集成與實現，提出了一種具備高精度環境適應能力與高度自主作業能力的智能化巡檢解決方案。

（2）在真實煤礦變電所環境中進行的現場測試結果充分表明，煤礦四足機器人系統能夠高效、穩定地完成各項預設的巡檢任務，在高精度地圖構建、實時準確定位、復雜路徑智能規劃以及充電過程全自動化等多個關鍵技術方面均表現出優良的性能。

（3）煤礦四足機器人系統通過聯合激光雷達定位與機械限位設計，解決了四足機器人無線充電所面臨的高精度對準問題，實現了精確的無線耦合與穩定高效的自主充電功能。

（4）煤礦四足機器人系統通過引入多源信息融合、人工智能識別以及先進的智能控制技術，解決了傳統人工巡檢方式普遍存在的人工參與度高、巡檢過程連續性不足以及數據信息化程度低下等瓶頸問題。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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