中国煤科常州研究院强：基于电驱伺服机械臂的

　　为处理煤矿井下粉尘管理中人工冲尘劳动强度大、健康风险高，以及现有轮轨式冲尘车灵活性差、冲尘配备从动化程度低等问题，设想了基于电驱伺服机械臂的矿井巷道冲尘机械人系统。该系统集成施行取驱动、、节制取决策、定位、供电取电源办理、人机通信知-决策-施行闭环架构；研究了六度伺服机械臂精准节制、多传感器、激光视觉辅帮定位等环节手艺。该系统可实现井下巷道自从挪动、精准冲尘取动态调整，无效提拔冲尘笼盖率取效率，降低人员健康风险，满脚矿井高效、平安、智能的粉尘管理需求。援用格局：强。基于电驱伺服机械臂的矿井巷道冲尘机械人系统设想[J]。智能矿山，2025，6(11)：86-91。煤矿井下粉尘问题是影响平安出产和职工健康的主要要素之一。正在井下复杂的功课中，大量煤尘正在采掘、运输、转运等过程中持续生成，成为诱发尘肺病、粉尘爆炸以及设备磨损等系列问题的次要根源。由煤尘激发的职业病，出格是尘肺病高发。数据显示全国范畴内新发尘肺病例中，约50%取煤矿功课间接相关，煤矿尘肺新发数量约占煤矿职业病总量的70%，职业健康问题形势仍然严峻。目前，大都矿井粉尘管理仍以人工为从，出格是正在长距离巷道或非固定功课点的冲尘过程中，功课人员凡是需要手持水管进行喷雾清洗，劳动强度大、喷洒笼盖不均、洁净死角多，人员正在功课过程中正在高浓度粉尘中，健康风险高。目前部门矿井引入了轮轨式冲尘车等设备，正在必然程度上提高了效率，但因为其灵活性和顺应性无限，难以应对复杂多变的巷道前提，特别正在狭小、转弯或设备密布区域，功课结果欠安。粉尘浓度检测、自顺应冲尘节制和等能力，以替代人工完成高风险、高强度的冲刷功课。但当前大都巷道冲尘配备处于功能单一、从动化程度低、功课结果不不变的初级阶段，难以满脚高效、平安、智能的矿井运转需求。为应对井下复杂下的冲尘功课需求，电驱伺服机械臂因其具备多度操控能力取高度柔性节制特征，成为建立智能冲尘系统的环节手艺方案。比拟保守冲尘车或固定喷洒安拆，机械臂正在无限空间内矫捷活动，施行多角度、定点且动态调整的精准冲尘使命；电驱节制系统响应速度快、运转不变，便于取视觉等智能模块协同工做，提拔了功课笼盖率和除尘效率。笔者以此为切入点，沉点切磋电驱伺服机械臂正在井下巷道冲尘场景中的系统架构、节制策略取功课流程设想，进一步阐发其正在矿山智能除尘标的目的上的工程使用价值取成长前景。电驱伺服机械臂巷道冲尘系统面向煤矿井下高粉尘、高风险功课场景，集成了施行取驱动系统、系统、节制取决策系统、定位系统、供电取电源办理系统、人机通信系统6个子系统，建立了-决策-施行闭环的消息节制架构，具备优良的智能化功课能力取复杂顺应性。各子系统之间通过或无线通信链实现高效协同运转，确保系统正在井下复杂中具备高效、矫捷、平安的智能冲尘能力，电驱伺服机械臂冲尘系统总体架构如图1所示。（1）施行取驱动系统为焦点功课单位，通过多度电驱伺服机械臂搭载高压喷雾模块，连系轨道行走或轮式底盘平台，实现对巷道粉尘的定点、分区、高效冲刷功课。（2）系统分布式布设粉尘传感器、温湿度传感器、激光雷达取视觉模块，全面获取功课数据，为后续冲尘策略的制定取径规划供给靠得住根据。（3）节制取决策系统做为整套系统的消息中枢，融合消息取定位数据，完成使命安排、径规划、功课指令下发取动做施行反馈等环节流程，确保功课过程的精确性取平安性。（4）供电取电源办理系统支撑矿用防爆电缆或电池组供电体例，并集成电源办理取多级平安机制，为各子系统不变运转供给能源保障。（5）定位系统基于激光SLAM和视觉辅帮定位算法，实现机械臂本体及喷雾结尾正在三维空间内的高精度自从定位，辅帮冲尘区域识别取功课径微调，提拔系统运转的靠得住性取智能程度。（6）人机通信系统是操控端取功课系统之间的交互接口，承担参数设置装备摆设、使命下达、数据回传取近程等功能，实现对系统运转形态的全面掌控取动态安排。驱动取施行系统是电驱伺服机械臂冲尘系统中最焦点的工做单位，担任现实冲尘动做的完成、空间姿势的矫捷调整以及结尾功课使命的具体实施。该系统次要由六度伺服机械臂、结尾功课安拆（包罗高压喷雾取机械清扫组件）以及支持取挪动平台3部门形成，驱动取施行系统构成如图2所示。六度伺服机械臂是环节施行布局，依托高机能电驱伺服电机对各关节进行精准节制，具备高速响应、精度高、径节制矫捷等长处。臂长约2 700 mm，反复定位精度优于±0。05 mm，腕部最大负载能力为220 kg，布局防护品级达到基体IP54、手腕区域IP67级别，正在煤矿巷道复杂多变、空间受限的工做中施行沉载功课，完成多方位、多姿势的功课安排。结尾施行器部门集成高压喷雾取毛刷清扫2种功课功能。喷雾模块由喷头、高压泵、供水管和电控阀门构成，可按照粉尘浓度、空间构型及功课使命智能调理喷雾角度、流量取范畴。机械清扫模块设置装备摆设柔性毛刷或扭转刷头，合用于积尘严沉区域，并通过六度机械臂结尾姿势矫捷调整或和婉节制，实现对犯警则区域的自顺应物理断根，进一步加强系统对粉尘的措置能力。2种结尾模式可按照功课场景实现或结合驱动，提拔冲尘结果的全面性取顺应性。支持取挪动平台为系统供给不变的支持和灵活能力，支撑轨道式或轮式设置装备摆设，满脚分歧煤矿的摆设需求。整个驱动取施行系统安拆于具备必然承载取挪动能力的底盘平台上，平台可按照分歧矿井前提选用轮式、履带式或轨道行走体例，便于系统摆设取冲尘径优化。机械臂取喷雾安拆的动做协调依赖于驱动单位内部的伺服驱动器、编码器取反馈节制模块，实现高精度的活动节制和形态闭环调理。正在系统运转过程中，驱动取施行系统领受节制取决策系统下发的活动取喷雾指令，及时响应来自系统反馈的消息，如定位、粉尘浓度、变化等，构成闭环安排取智能决策支撑。该系统是冲尘使命落地的间接施行者，表现了整套机械人系统的操做机能、使命顺应能力取智能化程度，对实现矿井智能除尘方针起着决定性感化。节制取决策系统做为电驱伺服机械臂冲尘平台的焦点批示中枢，完成对各子系统的同一安排、智能阐发取精准节制，是保障全体功课高效、不变运转的环节所正在。该系统以工业级从控单位（如PLC或嵌入式工业PC）为焦点，融合径规划、功课策略、反馈节制等多个功能模块，实现从使命领受、到动做施行的闭环节制流程。节制取决策系统次要功能：领受用户输入或上位安排指令，连系系统采集的巷道消息取粉尘浓度数据，动态生成最优功课径取冲尘策略；正在功课过程中，对机械臂的活动轨迹、水泵喷雾形态、喷头角度等参数进行及时安排取联动节制；具备及时反馈能力，可基于施行成果和传感器回传数据动态调整冲尘打算，提拔全体功课的鲁棒性取顺应性。节制取决策系统高度模块化，可取视觉识别、激光建图、定位模块等智能单位深度集成，实现自从、方针识别取区域等智能化功能。正在算法层面，集成多种径生成取轨迹优化算法，支撑基于法则的预设模式取基于场景变化的自顺应模式切换，加强系统正在分歧巷道布局取粉尘分布下的功课矫捷性。同时，节制系统还担任取通信取人机交互系统进行数据对接，领受近程平台指令、上传功课形态取数据，并支撑当地或近程毛病诊断取更新，节制取决策系统框架如图3所示。系统是电驱伺服机械臂冲尘平台实现智能化功课的焦点支持，担任对功课及环节功课变量的及时取数据采集，为节制取决策系统供给精准的输入消息，建立起系统的“视觉”取“触觉”，系统构成如图4所示。次要包罗粉尘浓度传感器（如PM2。5/PM10颗粒物监测）、参数传感器（温度、湿度、气压等）、激光雷达（用于巷道建图取避障）以及工业相机或深度视觉模块（用于定位、区域识别及功课方针检测）等。正在现实运转中，系统通过粉尘传感器及时监测巷道空气中悬浮颗粒浓度，辅帮判断冲尘结果和区域洁净优先级；传感器当前功课的分析参数，为喷雾量调控和功课平安性评估供给根据；激光雷达共同SLAM建图算法，实现对矿井巷道空间布局的高精度建图取动态更新，帮力定位系统完成自从取切确定位；视觉系统则次要用于识别巷道布局特征、定位冲尘方针区域、施行过程中的环节变化，进一步提拔系统的智能性取功课精准度。针对高粉尘，系统采用高防护品级传感器、多传感器数据融合和视觉滤波算法，降低粉尘对精度和不变性的影响。正在粉尘浓度丈量参数上，传感器丈量范畴为0。01～200 mg/m³，对于洁净节制或浓度监测均合用；传感器具备高活络度（约0。05 mg/m³）、响应敏捷、抗粉尘干扰能力强。视觉取深度方面，无标定的LiDAR系统测距精度为0。5～10 mm，程度取垂曲定位误差节制为±1 cm以内，合用于地图建立取径规划；高分辩率布局光深度摄像头则可供给亚毫米级点云精度取空间分辩率，满脚近距离方针识别取细节捕获需求。人机通信系统是电驱伺服机械臂冲尘平台实现操做指令下达、形态监测取数据交互的环节枢纽，传送用户取机械人之间的消息流，是系统内部逻辑取外部操做者之间的桥梁。次要功能包罗当地操做、近程通信、数据上传、形态可视化以及毛病报警等，确保整个系统正在封锁、复杂的井下中仍然具备优良的人机交互体验取高效的消息办理能力，人机通信系统构成如图5所示。正在人机接口方面，配备有当地节制终端，凡是为防爆工业触控屏或手持式遥控安拆，操做者可通过图形化界面进行使命设定、参数调整、模式切换及形态查询等操做，实现对冲尘使命的快速摆设取矫捷节制。人机通信系统支撑近程通信功能，借帮或无线通信模块（如工业WiFi、EtherCAT、CAN总线等）将消息、运转形态、功课记实等上传至地面节制核心或矿山安排平台，实现近程监管、数据归档取系统升级。正在人机通信系统运转过程中，及时领受来自节制取决策系统的形态反馈消息，并将用户输入的操做号令或参数变动指令传送至从控单位，喷雾模式或系统策略的调整。供给系统外部对内部功课流程的可控入口，通过消息共享机制支持各子系统间的数据协调，是实现智能化、可视化操做办理的主要支持平台。供电取电源办理系统是电驱伺服机械臂冲尘系统不变运转的根本保障单位，为整个平台的各功能模块供给持续、靠得住、平安的电力支撑。按照井下功课的分歧摆设需求，供电系统可采用2种典型供能体例。（2）通过防爆电缆接入矿井电网，实现持续不间断供电，更适合摆设正在固定轨道或半固定功课平台上。正在电源办理方面，系统集成了公用的电源节制单位（如BMS电池办理系统），具备对电压、电流、温度、SOC形态等参数的及时监测取动态调理能力，确保各环节子系统正在合适的电气前提下不变运转；系统设置装备摆设多沉平安机制，包罗过流、过压、欠压、短和高温断电等功能，规避电气毛病激发的系统风险，提拔全体运转的平安性和靠得住性。供电系统取其他各子系统成立了清晰的供电径取办理逻辑。电驱伺服电机、从控工控机、高压水泵、传感器模组、通信模块等均由电源系统同一调配供电资本，正在负载需求动态变化的环境下，实现智能功率分派取能量收受接管（如部门伺服驱动系统支撑能量回馈）。供电系统及时取节制取决策系统协同联动，按照功课形态调理功率输出或切换功课模式，实现节能运转取智能安排。次要承担功课平台正在井下巷道中的空间、识别取姿势估量等功能。鉴于矿井布局复杂、光照前提不不变、保守GPS信号受限等问题，本系统采用多源融合的定位手艺架构，通过激光雷达（LiDAR）、视觉识别模块、惯性丈量单位（IMU）等传感器协同共同，实现对平台全局取局部精细姿势的不变取动态。激光雷达模块做为定位系统的从源之一，获取巷道高精度轮廓消息，建立及时点云地图，并通过SLAM算法实现平台正在井下中的自从定位取建图，正在挪动机械人或测绘场景中具有亚厘米级程度定位精度（约±1 cm）取垂曲分辩率，合用于复杂巷道的地图建立取及时定位。视觉识别系统用于识别冲尘方针区域、避障方针或环节巷道标记物，加强定位系统的理解能力取场景精度。IMU模块担任采集平台正在挪动过程中的加快度取角速度数据，正在短时间GPS/激光数据丢失环境下供给活动弥补，确保轨迹持续性取鲁棒性。IMU的采样频次凡是正在100～400 Hz，确保对加快度取角速度的及时响应。角度丈量精度为±0。1°，单次定位误差正在短时间内可节制正在较小范畴，短时漂移亦节制得更合理，GPS更新频次范畴为2～10 Hz，为IMU供给需要的校准数据。正在系统架构层面，定位系统取节制取决策系统实现深度集成，所有消息、姿势数据取建图成果均及时上传至从控单位，为径规划、方针定位、机械臂姿势调整等焦点节制逻辑供给支撑。定位数据还可反馈至施行系统，用于及时更新方针点位和冲尘姿势，确保喷雾功课的精准性取笼盖度。部门定位消息也可用于通信取人机交互系统中的形态展现取近程，提高操做通明度取系统可控性。（1）电驱伺服机械臂冲尘系统通过多子系统协同集成，建立了集智能、自从节制、切确施行于一体的智能除尘功课平台。各子系统正在功能和消息交互高度融合，配合支持系统正在复杂矿井下的不变运转取高效功课。（2）施行取驱动系统完成精准动做输出，取定位系统供给动态消息，节制取决策系统进行全局统筹取指令生成，供电系统确连结续不变供能，人机通信系统实现系统操控、监测取近程交互。（3）电驱伺服机械臂冲尘系统布局清晰、功能全面，具有优良的工程使用根本和扩展潜力，可为矿山智能除尘手艺成长供给无力支持。煤炭科学研究总院期刊出书公司具有科技期刊21种。此中，SCI收录1种，Ei收录5种、CSCD收录6种、Scopus收录8种、中文焦点期刊9种、中国科技焦点期刊11种、中国科技期刊杰出步履打算入选期刊4种，是煤炭行业最主要的科技窗口取学术交换阵地，也是行业最大最权势巨子的期刊集群。《智能矿山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中国煤炭科工集团无限公司从管、煤炭科学研究总院无限公司从办的聚焦矿山智能化范畴产学研用新进展的分析性手艺刊物。期刊：创刊5年来，筹谋出书了“中国煤科煤矿智能化”“陕煤集团智能化扶植”“聚焦煤炭工业‘十四五’高质量成长”等特刊/专题30多期。从办“煤矿智能化严沉进展发布会”“煤炭洁净高效操纵先辈发布会”“《智能矿山》理事、特约编纂年会暨智能化扶植论坛”“智能矿山零距离”“矿山智能化扶植运维取手艺立异高新班”等勾当20余次。组建了理事会、特约编纂团队、杰出人物等千余人产学研用高端协同办刊团队，打制了“刊-网-号-群-库”全笼盖的1+N全平台，全方位发布矿山智能化范畴新手艺、新产物、新经验。沉磅通知┃关于召开煤炭无人化开采数智手艺研讨暨发布会的通知(2026年1月9—11日)！