中煤科工集团沈阳研究院有限公司（以下简称沈阳研究院）始建于1953年，是我国成立最早的煤矿安全专业研究机构。
作为专业从事煤矿安全技术研究、产品研发与生产制造、检测检验的高新技术企业，先后研制了膜分离制氮机、安全监控系统及仪表传感器、矿用应急救援装备、永磁技术装备等多类产品。在国家各部委陆续印发的煤矿智能化建设相关文件的引导下，沈阳研究院加快对煤矿机器人产业体系的布局，专门成立了特种机器人事业部进行煤矿机器人产业的孵化。特种机器人事业部制定了“多场景煤矿区机器人群解决方案提供商、系列化煤矿机器人及其核心元器件制造商、专业化煤矿机器人生产测试及服务团队”的发展愿景，相继突破了高效驱动、精准感知、自主导航等多项关键技术，现已研发出巡检机器人、辅助作业机器人等近30余款煤矿机器人以及机器人集群指挥调度系统，并提炼出60余项共性关键技术，产品覆盖15个煤矿应用场景，形成了“天-地-井”多场景煤矿机器人一体化解决方案（图1），为智能矿山建设提供了技术及成果支撑。
目前，我国煤矿机器人应用场景范围不断扩展，市场进入蓄势待发的重要时期。原国家煤矿安全监察局于2019年发布了《煤矿机器人重点研发目录》，重点阐述了掘进、采煤、运输、安控和救援5类38种煤矿机器人，首次系统、全面、科学、合理地阐述了煤矿机器人的定义及分类。
在煤矿机器人掘进、采煤、运输、安控和救援5个场景分类中，依据客户的实际需求及现场应用可重新定义分类。将安控类中的绝大部分机器人分为巡检类，采煤、掘进、运输3类机器人可分为直接作业类和辅助作业类，救援类机器人仍归结为救援类。直接作业类机器人主要包括采煤机器人、掘进机器人、掘进工作面机器人、探水钻孔机器人、钻锚机器人等大型工程装备类机器人，其余喷浆机器人、搬运机器人等为辅助作业类机器人。基于此，结合沈阳研究院自身业务范畴和研发能力，将煤矿机器人分为4大类，即巡检类、直接作业类、辅助作业类和救援类机器人，如图2所示。其中，巡检类机器人多为轨道式和轮式行走，同时在固定硐室、选煤厂等场景仍存在大量又迫切的巡检需求，因此，巡检类机器人涵盖了轨道机器人、固定场所巡检机器人、移动机器人和仿生类机器人。
图1 “天-地-井”多场景煤矿机器人一体化解决方案
图2 煤矿机器人分类
图3 煤矿机器人产品线展示
上述4类机器人中，沈阳研究院已基本完成对巡检类机器人的研制，并已实现煤矿现场应用。但作业类机器人的实践应用才能为煤矿生产带来更直接可观的效益，才能真正实现危重作业场合机器人替人的目标，降低人员作业强度及危险程度，因此，沈阳研究院正加大对作业类机器人的研发力度。目前，已先后研制出水仓清淤机器人、喷浆机器人、巷道清理机器人和选矸机器人等样机，并对部分样机进行了试点应用；同步正在研制搬运机器人、管路安装机器人、摊铺机器人和煤仓清理机器人等，实现了辅助作业类机器人从无到有。
沈阳研究院煤矿机器人产品线概况
沈阳研究院特种机器人事业部共规划8个产品线，现已研发的产品包括轨道式机器人、固定场所巡检机器人、长距离移动巡检机器人、大型辅助作业机器人、清理类机器人、仿生类机器人及抢险救援机器人等7类。其中，特别针对《煤矿机器人重点研发目录》中没有提到的变电所、水泵房和压风机房等场景巡检，提出了固定场所巡检机器人产品线；针对选煤厂、电缆沟等多层次结构空间提出了仿生类机器人产品线，沈阳研究院已研发的煤矿机器人产品线展示如图3所示。同时，矿鸿类机器人产品线可根据实际需求将矿鸿系统应用在上述7类机器人。 沈阳研究院总计规划了60余款煤矿机器人产品，其中，巡检类机器人共35种，辅助作业类和清理类机器人共15种，救援类机器人规划共10种。
（1）轨道机器人产品线
研制了钢丝绳牵引工字钢轨道机器人、可升降工字钢轨道机器人、拖缆供电工字钢轨道机器人、强攀爬能力巡检机器人、低温滑线取电轨道机器人等10余种轨道机器人产品，具备场景设备设施、环境检测、故障报警预警、语音双向对讲及数据交互等功能，适用于带式输送机、回风巷等场所，已在陕煤集团神木张家峁矿业有限公司、山西天地王坡煤业有限公司、神华北电胜利能源有限公司等多个煤矿现场进行应用，解决了现有低温巡检、巷道形变大及巡检距离短等难题，创新地采用自适应可升降自锁式机器人结构、多维度空间速度图像协同闭环控制系统、边缘计算等技术，推动巡检机器人向更高级的智能化方向迈进。部分轨道式机器人现场应用如图4所示。
（a）模块化可升降巡检机器人
（b）低温挂轨巡检机器人
图4 部分轨道式机器人现场应用
（a）双差速四轮巡检机器人
（b）扫拖一体巡检机器人
图5 部分固定场所巡检机器人
（a）六轮危险气体巡检机器人
（b）可升降瓦斯巡检机器人
图6 部分井下长距离移动巡检机器人
（2）固定场所巡检机器人产品线
研制了双差速驱动、两轮驱动+万向轮、四轮驱动3大类9个系列化产品，包括双差速轮式巡检机器人、麦克纳姆轮扫拖一体轮式巡检机器人、舵轮式巡检机器人等，部分产品如图5所示。创新引入了大功率高负载动力驱动技术、基于三维激光雷达与IMU的SLAM视觉导航技术等，具备图像标记识别、设备状态检测、湿度数据采集、红外测温、数据交互及自主导航等功能，适用于变电所、水泵房及通风机房等固定场所，现已在榆横矿区、榆神矿区、神东矿区等10余家煤矿进行现场应用，解决了人工巡检强度大、局部检测精度低、小空间无法探测等难题。
（3）移动机器人产品线
研制了面向长距离应用场景的六轮系和四轮系2大类10个系列化产品，包括六轮系危险气体巡检机器人、四轮系危险气体巡检机器人、全信息智慧巡检车等，部分产品如图6所示。突破了长续航高效率的能源匹配及管理技术、多轮系复杂地形高效驱动控制技术、长距离导航技术等阻碍井下移动机器人发展的关键技术，实现了对甲烷、一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氧化氮、氨气等危险气体的实时监测，以及对火情的监测和预警，实现了巷道断面变形监测及大数据处理分析，为矿井灾害预警分析提供实时、可靠的数据，解决了现有井下瓦检员人身安全难以保证、故障预警率低下、人工巡检信息延迟、统计数据存在人为误差等难题，大幅提高了巡检效率。
（4）大型辅助作业机器人产品线
（a）管路安装机器人
（b）选矸机器人
图7 大型辅助作业机器人
（a）水仓清淤机器人 （b）管道清理机器人 （c）煤仓清理机器人
图8 煤矿清理类作业机器人
沈阳研究院规划研发8种大型辅助作业机器人，已先后研制出管路安装机器人、选矸机器人、巷道修复机器人等样机，如图7所示。部分产品已在陕煤集团柠条塔煤矿、宁夏煤业集团红柳煤矿等进行了试点研发应用；同步进行搬运机器人、喷浆机器人、摊铺机器人等大型辅助作业机器人的研制，攻克了多自由度防爆机械臂、双机协同柔顺控制、多元识别及广域洗选等多项“卡脖子”技术，实现了辅助作业类机器人从无到有的突破，真正解决了危重作业场合机器人替人难题，降低了人员的劳动强度及作业危险程度。
（5）清理类机器人产品线
沈阳研究院规划研发了3种煤矿清理类作业机器人（图8），现已完成对水仓清理机器人的样机研制。清理类作业机器人攻克了清仓机进料集料装置，集成了料宽度可调、清仓机车架精益轻量化设计、液压负载敏感性控制、排污管路拖拽辅助滑动，以及泵送系统防堵塞反泵等关键技术，实现了不同工况下水仓大范围有效清理；创新地提出了进料集料装置地面自适应柔性清淤技术，解决了机器人面对不平整水仓地面时难以自适应控制的问题。
针对煤矿其他清理类作业场景，沈阳研究院进行了对煤仓清理机器人和管道清理机器人的同步，围绕强冲击性煤仓清理可伸缩性机械臂及煤铲结构、基于图像处理的仓壁不同黏结物精准识别、基于涡轮驱动旋转刷头与伸缩装置，以及旋转动态下机器人淤泥处理位置精准定位等核心技术展开攻关，可实现不同管径的清淤除垢作业、360°立体煤仓高效清理，降低了管道、煤仓的维护成本，实现了清理自动化。
（6）仿生类机器人产品线
沈阳研究院现已研发出四足仿生机器人、仿生蛇形机械臂、仿生六足机器人等4种仿生类煤矿机器人，如图9所示。针对煤矿特殊场景下巡检任务的要求，借助生物优异的行走、转向、跳跃能力，从材料、结构、驱动、传感、建模和控制等方面开展深入研究，使其具备导航避障、音频识别、视觉识别等功能，解决了现有选煤厂巡检多层次空间巡检劳动强度大、漏检漏查等问题，实现了对复杂应用场景的有效巡检。
（a）仿生四足巡检机器人 （b）仿生蛇形探测机械臂
图9 仿生类机器人
图10 蛇形救援类机器人模型
图11 蛇形救援类机器人技术攻关内容
（7）救援类机器人产品线
为了使矿难救灾工作顺利开展，提高救援效率，减少矿井灾害造成的人员伤亡，并最大限度地保护救灾人员的安全，沈阳研究院正在进行仿生蛇形、水陆两栖2种救援机器人产品的技术攻关，蛇形救援类机器人模型及其技术攻关内容如图10和 图11所示。针对井下灾后受限的空间环境，围绕机器人新构型机理、位姿控制所涉及到的关键科学问题开展了深入研究，通过建立有效的数学模型及解耦方式，创新地提出了非结构化环境变构型机构优化设计及控制方法，精准描述了本体结构与驱动空间的映射关系，提高了机器人的运动能力及作业范围。该救援类机器人的成功研制，将会突破现有救援产品运动模式的应用缺陷，能够迅速、有效、可靠地响应煤矿救援工作，对灾后煤矿救援工作高效开展具有积极的推进作用。
（8）矿鸿类机器人
国家能源集团与华为技术有限公司联合发布了矿鸿操作系统，沈阳研究院以此为契机，推出了探索者、指挥者等多款搭载矿鸿系统的智能化煤矿机器人，其中矿鸿系统仿生四足机器人如图12所示。该类机器人基于鸿蒙系统，能够将场景中的各类终端进行整合，完成不同终端设备间的快速连接，实现底层设备兼容互联控制和本体状态信息获取；同时，采用多种分布式软总线技术与组件化设计方法，可以更好地实现集群管理控制，提高机器人的协同作业处理能力。
图12 矿鸿系统仿生四足机器人
图13 机器人集群指挥调度系统部分界面展示
（a）多轮系挂轨机器人行走机构
（b）轮式移动底盘
图14 部分行走机构成果展示
（9）机器人集群指挥调度系统
沈阳研究院研制的煤矿机器人集群指挥调度系统（图13），以实现机器人群规模化应用为目标，攻克了规模化分布式机器人云计算平台构建、基于大数据挖掘的评估体系架构及可视化技术的数据分析管理等关键技术，创新地将机器人群与机器人操控平台及指控中心高效整合，探究出系统中关键组成要素的连接、功能交互及组织行为间的映射规律；创新地将机器人群在观察、定位、决策和行动等过程中产生的信息交互关系有效融合，提出了要素之间的多种调度关联，完成了煤矿机器人系统的运维管理，提高了机器人群指挥调度系统的交互性，提升了机器人群的作业效率，并借助数字孪生系统，实现了单人多机管理的信息立体化。
沈阳研究院煤矿机器人技术线概况
煤矿机器人共性关键技术主要包括煤矿机器人防爆安全设计理论及方法、长续航高能量密度机器人动力技术、井下受限封闭环境下机器人自主精准定位导航技术、机器人高可靠抗干扰通信技术、煤矿复杂环境下智能感知与险情识别技术等。依据上述技术范畴，沈阳研究院特种机器人事业部共规划机械结构领域、智能感知领域、动力能源领域和控制领域4大技术领域6个技术线，共计60余项核心技术。现已基本完成巡检类机器人的技术攻关，可实现较为成熟的应用，但作业类机器人关键技术攻关仍存在壁垒。
沈阳研究院特种机器人事业部现已完成受限空间下多种可靠行走机构、高负载自重比机械臂、全域煤矿机器人自主导航技术及低照度大粉尘工况下多场景图像识别技术等40余项，具有雄厚的技术积累。
（1）受限空间下多种可靠行走机构
针对煤矿系统不同的应用场景及地面特征，现已实现全向轮式、双差速轮式、麦克纳姆轮式、舵轮式、双履带式、轮履复合式等行走机构的研发，创新地提出了离线式长距离架空传动装置、自适应可升降轨道机构、自锁式七轮系轨道机构、全防爆兼具扫拖一体的四轮式机构、复杂崎岖路面全向移动的六轮式机构，以及高负载轻量化变结构履带式机构，解决了机器人强耦合、非线性与性能依赖位形等问题，实现了煤矿机器人移动本体在运动性能、控制精度及承载能力方面的最优设计，能够覆盖煤矿全范围场景的应用需求。部分行走机构成果展示如图14所示。
（2）重负荷防爆作业机械臂
基于煤矿作业类机器人的系统功能需求，制定了重负荷防爆作业机械臂产品实现技术路线。研究了高负载自重比机械臂的特性，探究了机械臂末端轨迹与关节空间运动解耦的方法，建立了机械臂动力学模型，并以此为基础，构建了液压驱动关节动态特性与不同扰动状态下的柔顺控制系统，解决了非线性系统由不确定参数带来的控制精度差或难以控制的问题，实现了机械臂面向不同负载的自适应性，保证了机械臂在煤矿场景下的高效、可靠作业。
部分高负载自重比机械臂成果展示如图15所示。
图15 高负载自重比机械臂成果展示
图16 阜新某矿斜坡巷道建图
（3）煤矿机器人多场景全域自主导航技术
煤矿巷道具有典型的光照强度低、粉尘量大等非结构环境特性，同时GPS不能直接应用于井下，为解决井下机器人的位姿精确感知问题，沈阳研究院完成了对磁导航、单一视觉导航、二维/三维激光雷达导航、磁钉+惯导、视觉+IMU、激光雷达+IMU、视觉+激光雷达等多种导航技术的研发，拥有绝对的原始底层代码及应用。
针对现有导航方式受限于井下使用范围、大场景空间特征点稀疏及地面颠簸导致的采样数据偏差较大等问题，沈阳研究院创新提出了基于混合地图的层次化SLAM自主导航方式，构建出由控制与传感数据、核心算法模块和依赖子程序组成的定位导航系统，揭示了IMU+里程计+激光雷达的多传感器数据融合机理，明确了基于混合地图的SLAM构建方法，实现了机器人在不同煤矿场景下的精准定位。阜新某矿斜坡巷道建图如图16所示。
（4）低照度大粉尘精准图像识别技术
在视觉识别技术领域，为更好地解决环境补光、粉尘、烟雾等干扰带来的图像不清晰、图像失真及数据处理效率低等问题，沈阳研究院研究出高匹配仪表识别算法、高反光重影降噪处理技术及基于区域建议网络的深度学习改进算法，通过共享网络卷积层和SVM分类，完成了训练网络的快速收敛，实现了目标物的精准识别；通过解析图像信号噪声类型及特征，融合高斯滤波与中值定理，构建了高精度仪表匹配与高反光下指示灯识别算法流程，实现了图像特征的准确识别与确定，为后续图像深度处理提供强大的技术支持。部分图像识别技术成果展示如图17所示。
图17 人员检测图像识别技术成果展示
图18 低温供电技术成果展示
图19 带式输送机低温巡检机器人
图20 选煤厂挂轨式巡检机器人
（5）低温供电技术
沈阳研究院研制的低温区输送带巡检机器人是首个能在煤矿低温环境下实现自主行走距离大于1 km的智能巡检机器人。该机器人采用低温型编码器、低温双光摄像仪等军工级器件，同时采用军用低温电池，能量密度高、低温性能好、循环次数多，满足低温大电流输出需求；采用高效电池管理技术，实时监控机器人电源供给消耗，解决了煤矿低温场景下机器人的供电难题，实现了机器人在超低温的工况下可靠稳定运行。低温供电技术成果展示如图18所示。
随着作业类机器人关键技术研发的不断深入，在实现机器人自主行走、目标识别测量、机械臂负载能力及控制等方面还存在一定的难点。在自主行走方面，由于巷道特征单调、重复，导致长时间连续建图点云匹配失误、累积误差大，偏差呈指数性增长；在目标识别测量方面，由于巷道作业场景相机在视场受限，导致目标物全局特征不充分，以及多视觉传感器使用过程中的场景多元信息拼接问题难以解决，目标图像及点云相对精度较低；在机械臂负载能力方面，难以解析元件参数特性与负载敏感动态特性的作用规律。上述问题严重制约了作业类机器人产品的研制与应用，因此，亟待突破关键技术，提高作业类机器人技术水平，实现机器人自主行走、协同作业等，真正实现搬运、抓管、喷浆、清淤等危重作业场合机器人替人的目标，降低人员劳动强度及作业危险程度。
应用案例
基于上述产品线和技术线的规划与实现，截至目前，沈阳研究院部分煤矿机器人已完成在多个矿企的工业性示范，现场应用可控可观，效果良好。
内蒙古胜利矿区某煤矿上仓带式输送机应用低温巡检机器人，如图19所示。采用定时巡检、定点巡检、指定特殊任务巡检等多种巡检方式，具备带式输送机异常监测、红外测温、环境检测及大数据分析处理等功能，解决了应用场景下人工巡检存在的工作效率低、劳动量大、高频次检测设备状态数据无法及时上传等难题，实现了极寒天气下的全方位带式输送机巡检和实时在线监测，做到了故障前兆预警，减少了停车时间，有效延长了生产时间。
晋城某煤矿选煤厂应用的挂轨式巡检机器人如图20所示。针对带式输送机的使用工况和巡检要求，突破了电源模块自管理及自灭弧技术、防爆升降云台等关键技术，完成了自行走巡检机器人结构、状态感知及智能控制系统、充电管理系统等分系统的开发。现场应用表明，挂轨式巡检机器人可以代替巡检人员对带式输送机进行有效巡检，能够及时发现带式输送机运行过程中可能出现的各种问题，避免事故扩大，大幅降低了带式输送机的非计划停机时间。
淮南某煤矿井下变电所应用的全防爆轮式巡检机器人如图21所示。该机器人能够对变电所内环境、人员进行监控，完成对所有电控柜显示状态及数据的有效识别，实现了与机电设备的智能联动，并可进行数据储存和大数据分析。通过巡检机器人代替人工巡检，将巡检人员数量由3~4减至1~2人，将巡检效率提升至50%以上，大幅降低了人力、设备维护等运营成本，真正实现了煤矿智能化的减人、增效。
图21 变电所轮式巡检机器人
结 语
煤矿机器人是智能矿山建设的重要内容之一，沈阳研究院特种机器人事业部致力于打造多场景煤矿机器人一体化解决方案，通过建立多元化煤矿机器人产品线、开展共性关键科学技术研究，积极推进煤矿机器人的发展进程，在较为成熟的巡检机器人基础上开展多类型辅助作业机器人研制，努力为危重场合机器人替人作业攻坚克难，为煤矿智能化建设提供技术与应用支撑。
