中國煤科常州研究院張健強：基于電驅伺服機械臂的礦井巷道沖塵機器人系統設計

2025年12月17日 17:58 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

摘要

為解決煤礦井下粉塵治理中人工沖塵勞動強度大、健康風險高，以及現有輪軌式沖塵車機動性差、沖塵裝備自動化程度低等問題，設計了基于電驅伺服機械臂的礦井巷道沖塵機器人系統。該系統集成執行與驅動、感知、控制與決策、定位、供電與電源管理、人機通信知-決策-執行閉環架構；研究了六自由度伺服機械臂精準控制、多傳感器環境感知、激光視覺輔助定位等關鍵技術。該系統可實現井下巷道自主移動、精準沖塵與動態調整，有效提升沖塵覆蓋率與效率，降低人員健康風險，滿足礦井高效、安全、智能的粉塵治理需求。

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”

作者簡介：張健強，主要從事礦用智能電驅執行器開發研究工作。E-mail：[email protected]

作者單位：天地（常州）自動化股份有限公司

引用格式：張健強.基于電驅伺服機械臂的礦井巷道沖塵機器人系統設計[J].智能礦山，2025，6(11)：86-91.

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煤礦井下粉塵問題是影響安全生產和職工健康的重要因素之一。在井下復雜的作業環境中，大量煤塵在采掘、運輸、轉運等過程中持續生成，成為誘發塵肺病、粉塵爆炸以及設備磨損等系列問題的主要根源。由煤塵引發的職業病，特別是塵肺病高發。數據顯示全國范圍內新發塵肺病例中，約50%與煤礦作業直接相關，煤礦塵肺新發數量約占煤礦職業病總量的70%，職業健康問題形勢依然嚴峻。

煤礦井下粉塵治理存在問題

目前，多數礦井粉塵治理仍以人工為主，特別是在長距離巷道或非固定作業點的沖塵過程中，作業人員通常需要手持水管進行噴霧清洗，勞動強度大、噴灑覆蓋不均、清潔死角多，人員在作業過程中暴露在高濃度粉塵環境中，健康風險高。

目前部分礦井引入了輪軌式沖塵車等設備，在一定程度上提高了效率，但由于其機動性和適應性有限，難以應對復雜多變的巷道條件，尤其在狹小、轉彎或設備密布區域，作業效果不佳。

巷道沖塵機器人具備自主移動、粉塵濃度檢測、自適應沖塵控制和環境感知等能力，以替代人工完成高風險、高強度的沖洗作業。但當前多數巷道沖塵裝備處于功能單一、自動化程度低、作業效果不穩定的初級階段，難以滿足高效、安全、智能的礦井運行需求。

為應對井下復雜環境下的沖塵作業需求，電驅伺服機械臂因其具備多自由度操控能力與高度柔性控制特性，成為構建智能沖塵系統的關鍵技術方案。相比傳統沖塵車或固定噴灑裝置，機械臂在有限空間內靈活運動，執行多角度、定點且動態調整的精準沖塵任務；電驅控制系統響應速度快、運行穩定，便于與視覺感知等智能模塊協同工作，提升了作業覆蓋率和除塵效率。

筆者以此為切入點，重點探討電驅伺服機械臂在井下巷道沖塵場景中的系統架構、感知控制策略與作業流程設計，進一步分析其在礦山智能除塵方向上的工程應用價值與發展前景。

電驅伺服機械臂沖塵系統整體設計

電驅伺服機械臂巷道沖塵系統面向煤礦井下高粉塵、高風險作業場景，集成了執行與驅動系統、感知系統、控制與決策系統、定位系統、供電與電源管理系統、人機通信系統6個子系統，構建了感知-決策-執行閉環的信息控制架構，具備良好的智能化作業能力與復雜環境適應性。各子系統之間通過有線或無線通信鏈路實現高效協同運行，確保系統在井下復雜環境中具備高效、靈活、安全的智能沖塵能力，電驅伺服機械臂沖塵系統總體架構如圖1所示。

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圖1 電驅伺服機械臂沖塵系統總體架構

（1）執行與驅動系統為核心作業單元，通過多自由度電驅伺服機械臂搭載高壓噴霧模塊，結合軌道行走或輪式底盤平臺，實現對巷道粉塵的定點、分區、高效沖洗作業。

（2）感知系統分布式布設粉塵傳感器、溫濕度傳感器、激光雷達與視覺模塊，全面獲取作業環境數據，為后續沖塵策略的制定與路徑規劃提供可靠依據。

（3）控制與決策系統作為整套系統的信息中樞，融合感知信息與定位數據，完成任務調度、路徑規劃、作業指令下發與動作執行反饋等關鍵流程，確保作業過程的準確性與安全性。

（4）供電與電源管理系統支持礦用防爆電纜或電池組供電方式，并集成電源管理與多級安全保護機制，為各子系統穩定運行提供能源保障。

（5）定位系統基于激光SLAM和視覺輔助定位算法，實現機械臂本體及噴霧末端在三維空間內的高精度自主定位，輔助沖塵區域識別與作業路徑微調，提升系統運行的可靠性與智能水平。

（6）人機通信系統是操控端與作業系統之間的交互接口，承擔參數配置、任務下達、數據回傳與遠程監控等功能，實現對系統運行狀態的全面掌控與動態調度。

2.1 執行與驅動系統

驅動與執行系統是電驅伺服機械臂沖塵系統中最核心的工作單元，負責實際沖塵動作的完成、空間姿態的靈活調整以及末端作業任務的具體實施。該系統主要由六自由度伺服機械臂、末端作業裝置（包括高壓噴霧與機械清掃組件）以及支撐與移動平臺3部分構成，驅動與執行系統組成如圖2所示。

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圖2 驅動與執行系統組成

（1）六自由度伺服機械臂

六自由度伺服機械臂是關鍵執行結構，依托高性能電驅伺服電機對各關節進行獨立精準控制，具備高速響應、位置精度高、路徑控制靈活等優點。臂長約2 700 mm，重復定位精度優于±0.05 mm，腕部最大負載能力為220 kg，結構防護等級達到基體IP54、手腕區域IP67級別，在煤礦巷道復雜多變、空間受限的工作環境中執行重載作業，完成多方位、多姿態的作業調度。

（2）末端作業裝置

末端執行器部分集成高壓噴霧與毛刷清掃2種作業功能。噴霧模塊由噴頭、高壓泵、供水管路和電控閥門組成，可根據粉塵濃度、空間構型及作業任務智能調節噴霧角度、流量與范圍。

機械清掃模塊配置柔性毛刷或旋轉刷頭，適用于積塵嚴重區域，并通過六自由度機械臂末端姿態靈活調整或柔順控制，實現對不規則區域的自適應物理清除，進一步增強系統對頑固粉塵的處置能力。2種末端模式可根據作業場景實現獨立或聯合驅動，提升沖塵效果的全面性與適應性。

（3）支撐與移動平臺

支撐與移動平臺為系統提供穩定的支撐和機動能力，支持軌道式或輪式配置，滿足不同煤礦環境的部署需求。整個驅動與執行系統安裝于具備一定承載與移動能力的底盤平臺上，平臺可根據不同礦井條件選用輪式、履帶式或軌道行走方式，在保證安全穩定的前提下實現局部移動與姿態調整，便于系統部署與沖塵路徑優化。

機械臂與噴霧裝置的動作協調依賴于驅動單元內部的伺服驅動器、位置編碼器與反饋控制模塊，實現高精度的運動控制和狀態閉環調節。在系統運行過程中，驅動與執行系統接收控制與決策系統下發的運動與噴霧指令，實時響應來自感知系統反饋的信息，如定位位置、粉塵濃度、環境變化等，形成閉環調度與智能決策支持。該系統是沖塵任務落地的直接執行者，體現了整套機器人系統的操作性能、任務適應能力與智能化水平，對實現礦井智能除塵目標起著決定性作用。

2.2 控制與決策系統

控制與決策系統作為電驅伺服機械臂沖塵平臺的核心指揮中樞，完成對各子系統的統一調度、智能分析與精準控制，是保障整體作業高效、穩定運行的關鍵所在。該系統以工業級主控單元（如PLC或嵌入式工業PC）為核心，融合路徑規劃、作業策略、反饋控制等多個功能模塊，實現從任務接收、環境感知到動作執行的閉環控制流程。

控制與決策系統主要功能：接收用戶輸入或上位調度指令，結合感知系統采集的巷道信息與粉塵濃度數據，動態生成最優作業路徑與沖塵策略；在作業過程中，對機械臂的運動軌跡、水泵噴霧狀態、噴頭角度等參數進行實時調度與聯動控制；具備實時反饋能力，可基于執行結果和傳感器回傳數據動態調整沖塵計劃，提升整體作業的魯棒性與適應性。

控制與決策系統高度模塊化，可與視覺識別、激光建圖、定位模塊等智能單元深度集成，實現自主導航、目標識別與區域感知等智能化功能。在算法層面，集成多種路徑生成與軌跡優化算法，支持基于規則的預設模式與基于場景變化的自適應模式切換，增強系統在不同巷道結構與粉塵分布下的作業靈活性。同時，控制系統還負責與通信與人機交互系統進行數據對接，接收遠程監控平臺指令、上傳作業狀態與環境數據，并支持本地或遠程故障診斷與更新維護，控制與決策系統框架如圖3所示。

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圖3 控制與決策系統框架

2.3 感知系統

感知系統是電驅伺服機械臂沖塵平臺實現智能化作業的核心支撐，負責對作業環境及關鍵作業變量的實時感知與數據采集，為控制與決策系統提供精準的輸入信息，構建起系統的“視覺”與“觸覺”，感知系統組成如圖4所示。

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圖4 感知系統組成

感知系統涵蓋多類型傳感器與感知裝置，主要包括粉塵濃度傳感器（如PM2.5/PM10顆粒物監測）、環境參數傳感器（溫度、濕度、氣壓等）、激光雷達（用于巷道建圖與避障）以及工業相機或深度視覺模塊（用于定位、區域識別及作業目標檢測）等。

在實際運行中，感知系統通過粉塵傳感器實時監測巷道空氣中懸浮顆粒濃度，輔助判斷沖塵效果和區域清潔優先級；環境傳感器感知當前作業環境的綜合參數，為噴霧量調控和作業安全性評估提供依據；激光雷達配合SLAM建圖算法，實現對礦井巷道空間結構的高精度建圖與動態更新，助力定位系統完成自主導航與精確定位；視覺系統則主要用于識別巷道結構特征、定位沖塵目標區域、跟蹤執行過程中的關鍵位置變化，進一步提升系統的智能性與作業精準度。針對高粉塵環境，系統采用高防護等級傳感器、多傳感器數據融合和視覺濾波算法，降低粉塵對感知精度和穩定性的影響。

在粉塵濃度測量參數上，傳感器測量范圍為0.01～200 mg/m3，對于清潔控制或濃度監測均適用；傳感器具備高靈敏度（約0.05 mg/m3）、響應迅速、抗粉塵干擾能力強。視覺與深度感知方面，無標定的LiDAR系統測距精度為0.5～10 mm，水平與垂直定位誤差控制為±1 cm以內，適用于地圖構建與路徑規劃；高分辨率結構光深度攝像頭則可提供亞毫米級點云精度與空間分辨率，滿足近距離目標識別與細節捕捉需求。

2.4 人機通信系統

人機通信系統是電驅伺服機械臂沖塵平臺實現操作指令下達、狀態監測與數據交互的關鍵樞紐，傳遞用戶與機器人之間的信息流，是系統內部邏輯與外部操作者之間的橋梁。主要功能包括本地操作、遠程通信、數據上傳、狀態可視化以及故障報警等，確保整個系統在封閉、復雜的井下環境中依然具備良好的人機交互體驗與高效的信息管理能力，人機通信系統組成如圖5所示。

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圖5 人機通信系統組成

在人機接口方面，配備有本地控制終端，通常為防爆工業觸控屏或手持式遙控裝置，操作者可通過圖形化界面進行任務設定、參數調整、模式切換及狀態查詢等操作，實現對沖塵任務的快速部署與靈活控制。

人機通信系統支持遠程通信功能，借助有線或無線通信模塊（如工業WiFi、EtherCAT、CAN總線等）將感知信息、運行狀態、作業記錄等上傳至地面控制中心或礦山調度平臺，實現遠程監管、數據歸檔與系統升級。

在人機通信系統運行過程中，實時接收來自控制與決策系統的狀態反饋信息，并將用戶輸入的操作命令或參數變更指令傳遞至主控單元，間接影響機械臂的運動軌跡、噴霧模式或系統策略的調整。提供系統外部對內部作業流程的可控入口，通過信息共享機制支撐各子系統間的數據協調，是實現智能化、可視化操作管理的重要支撐平臺。

2.5 供電與電源管理系統

供電與電源管理系統是電驅伺服機械臂沖塵系統穩定運行的基礎保障單元，為整個平臺的各功能模塊提供持續、可靠、安全的電力支持。根據井下作業的不同部署需求，供電系統可采用2種典型供能方式。

（1）基于鋰電池或磷酸鐵鋰電池組的獨立供能方案，適用于對靈活性和移動性要求較高的場景。

（2）通過防爆電纜接入礦井電網，實現連續不間斷供電，更適合部署在固定軌道或半固定作業平臺上。

在電源管理方面，系統集成了專用的電源控制單元（如BMS電池管理系統），具備對電壓、電流、溫度、SOC狀態等參數的實時監測與動態調節能力，確保各關鍵子系統在合適的電氣條件下穩定運行；系統配置多重安全保護機制，包括過流保護、過壓保護、欠壓保護、短路保護和高溫斷電等功能，規避電氣故障引發的系統風險，提升整體運行的安全性和可靠性。

供電系統與其他各子系統建立了清晰的供電路徑與管理邏輯。電驅伺服電機、主控工控機、高壓水泵、傳感器模組、通信模塊等均由電源系統統一調配供電資源，在負載需求動態變化的情況下，實現智能功率分配與能量回收（如部分伺服驅動系統支持能量回饋）。供電系統實時與控制與決策系統協同聯動，根據作業狀態調節功率輸出或切換作業模式，實現節能運行與智能調度。

2.6 定位系統

定位系統是電驅伺服機械臂沖塵平臺實現自主作業和高精度沖塵的關鍵支撐單元，主要承擔作業平臺在井下巷道環境中的空間感知、位置識別與姿態估計等功能。鑒于礦井環境結構復雜、光照條件不穩定、傳統GPS信號受限等問題，本系統采用多源融合的定位技術架構，通過激光雷達（LiDAR）、視覺識別模塊、慣性測量單元（IMU）等傳感器協同配合，實現對平臺全局位置與局部精細姿態的穩定感知與動態跟蹤。

激光雷達模塊作為定位系統的主感知源之一，獲取巷道高精度輪廓信息，構建實時點云地圖，并通過SLAM算法實現平臺在井下環境中的自主定位與建圖，在移動機器人或測繪場景中具有亞厘米級水平定位精度（約±1 cm）與垂直分辨率，適用于復雜巷道的地圖構建與實時定位。

視覺識別系統用于識別沖塵目標區域、避障目標或關鍵巷道標志物，增強定位系統的環境理解能力與場景感知精度。IMU模塊負責采集平臺在移動過程中的加速度與角速度數據，在短時間GPS/激光數據丟失情況下提供運動補償，確保軌跡連續性與魯棒性。IMU的采樣頻率通常在100～400 Hz，確保對加速度與角速度的及時響應。角度測量精度為±0.1°，單次定位誤差在短時間內可控制在較小范圍，短時漂移亦控制得更合理，GPS更新頻率范圍為2～10 Hz，為IMU提供必要的校準數據。

在系統架構層面，定位系統與控制與決策系統實現深度集成，所有位置信息、姿態數據與建圖結果均實時上傳至主控單元，為路徑規劃、目標定位、機械臂姿態調整等核心控制邏輯提供支持。定位數據還可反饋至執行系統，用于實時更新目標點位和沖塵姿態，確保噴霧作業的精準性與覆蓋度。部分定位信息也可用于通信與人機交互系統中的狀態展示與遠程監控，提高操作透明度與系統可控性。

總結

（1）電驅伺服機械臂沖塵系統通過多子系統協同集成，構建了集智能感知、自主控制、精確執行于一體的智能除塵作業平臺。各子系統在功能和信息交互高度融合，共同支撐系統在復雜礦井環境下的穩定運行與高效作業。

（2）執行與驅動系統完成精準動作輸出，感知與定位系統提供動態環境信息，控制與決策系統進行全局統籌與指令生成，供電系統確保持續穩定供能，人機通信系統實現系統操控、監測與遠程交互。

（3）電驅伺服機械臂沖塵系統結構清晰、功能全面，具有良好的工程應用基礎和擴展潛力，可為礦山智能除塵技術發展提供有力支撐。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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