行业领域

高端装备制造产业,其他产业,巷道修复智能机器人,多用途机器人

需求背景

随着我国矿山逐步向深部开采推进，巷道维护面临高地压、软弱围岩、底鼓、片帮及大变形等复杂地质条件。传统巷道修复主要依赖人工配合小型风镐、铲运机等分散设备，存在作业线长、工序分散、工人劳动强度大、安全风险高等突出矛盾。尤其在顶板破碎区、底板泥化段及狭窄断面巷道中，普通机械难以进入或效率低下，导致修复周期长、返修率高，严重影响采掘接替与运输安全。

当前矿山智能化建设虽在采掘工作面取得进展，但巷道修复环节仍处于机械化程度低、智能化水平落后的短板。国内外虽有部分修复机械（如小型挖掘机、破碎台车）应用，但普遍存在功能单一、转场困难、无法一机多用的问题，难以适应井下多变的修复任务需求。

        为此，亟需研发一种集破碎、铣挖、铲运、平整及辅助支护于一体的多用途矿用巷道修复机器人，实现复杂工况下的无人化或少人化遥控作业，从根本上提升巷道修复效率与作业安全水平，支撑矿山智能化与本质安全型矿井建设。

需解决的主要技术难题

一、狭窄非结构化环境下的高精度自主定位

井下巷道环境具有低照度、高粉尘、水雾弥漫、有害气体聚集、环境纹理重复等特点，传统激光雷达或视觉方法易受悬浮颗粒物干扰、镜面反射（积水区域）及重复纹理（支护网、锚杆）影响，导致自主定位难以实现。
技术难点：

多传感器（激光雷达+惯性导航+编码器+超宽带）紧耦合融合定位算法；

退化环境下的鲁棒闭环检测与位姿图优化；

实时三维巷道形貌重建与变形区域自动识别。

二、煤岩/软硬交错界面的自适应破碎与铣挖工艺

巷道修复对象常为煤-岩-泥复合断面，底板泥化易打滑，侧壁硬岩破碎效率低，顶板破碎区需低扰动作业。现有单一冲击或切削模式难以适应界面突变，易造成卡钎、负荷过载或损伤支护结构。
技术难点：

基于振动频谱与液压压力波形的界面硬度在线辨识算法；

冲击能与转速的自适应调节策略（硬岩高能低频/软岩低能高频）；

破碎/铣挖过程中的主动抑尘与刀具磨损实时监测。

三、人机协同作业下的动态安全围栏与主动避险

井下存在视线盲区、多工种交叉作业、顶板离层突发冒落等风险。遥控操作员难以全面感知机器人周边环境，单纯依靠视频存在深度缺失与延时问题。需在无光源或强干扰下实现人员、设备与巷壁的可靠检测。
技术难点：

融合热成像与毫米波雷达的井下低能见度人员检测算法；

基于虚拟力场的动态速度限制与紧急制动策略；

机器人本体姿态（侧倾、悬空）与巷道壁距离的实时预警。

四、多属具协同作业的任务规划与动作序列优化

一次巷道修复通常需依次完成清障→破碎→铣挖平整→铲运→辅助支护等多个工序。机器人若人工逐一切换控制，效率低下且易遗漏区域。需实现基于高精度地图的半自主任务分解与轨迹生成。
技术难点：

修复区域（底鼓区、片帮区、水沟淤积区）的工况分割识别与作业优先级安排；

         基于现场实时环境下的典型修复动作（如“破碎→清理→再破碎”）的参数优化。

期望实现的主要技术目标

一、作业能力目标

多工序一体化作业

一台机器人即可独立或协同完成巷道修复中的破碎、铣挖、铲运、平整、辅助支护五大类任务，无需更换主机，仅需快速切换属具，单台设备覆盖巷道修复80%以上典型工序。

复杂断面适应能力

最小转弯半径：≤3.5 m

最大越障高度：≥300 mm

最大涉水深度：≥300 mm（泥水混合路面）

适应巷道坡度：±18°，并能在12°坡道上实现原地转向

修复效率指标

底鼓破碎效率：≥15 m³/h（f≤6的煤岩混合体）

侧壁铣挖平整速度：≥8 m²/h（单次切削深度50 mm）

物料铲运能力：铲斗容量≥0.3 m³，单次举升时间≤8 s

单次修复作业循环（破碎→清理→平整）时间较传统人工方式缩短60%以上

二、智能化感知与控制目标

井下实时定位与巷道构建

定位误差：≤10 cm

三维巷道重建更新频率：≥1 Hz，点云密度≥1000点/m²

底鼓/片帮区域自动识别准确率：≥90%（与人工标注对比）

自适应作业控制

煤-岩界面识别响应时间：≤0.5 s

破碎冲击能自动调节范围：150 J ~ 500 J，调节步长≤50 J

铣挖转速自适应范围：0 ~ 120 rpm，扭矩自动匹配负载

半自主任务执行能力

给定修复区域后，机器人可自动生成破碎→清理→平整最优作业路径

单次下达任务后的无人干预连续作业时间：≥10 分钟（或单个工位完成）

典型动作序列（如“破碎5点→铲装→移车”）可通过学习实现参数自优化

三、安全与可靠性目标

主动安全防护

人员接近检测距离：≥8 m，检测到后1 s内自动降速至0.3 m/s或停机

电子围栏设定误差：≤20 cm，越界触发制动时间≤0.3 s

姿态防倾翻：机身倾角≥12°时自动限制臂架运动幅度

井下环境适应性

工作环境温度：-10℃ ~ +50℃

相对湿度：≤98%（有凝露）

防尘防水：整机防护等级≥IP65（关键电控箱IP67）

防爆等级：Exd I Mb（煤矿瓦斯环境），并通过矿用安全标志认证

可靠性指标

平均无故障工作时间（MTBF）：≥200 h

关键部件（液压泵、控制器、履带驱动）设计寿命：≥5000 h

首次大修周期：≥2000 h

四、人机交互与远程运维目标

遥控与远程操作

无线遥控距离：视距≥150 m，非视距≥50 m（2.4 GHz / 5.8 GHz）

远程集控中心（光纤/5G）视频传输延时：≤100 ms，控制指令延时：≤50 ms

遥控终端集成至少2路高清视频+1路热成像，并显示位姿、油温、瓦斯浓度等关键数据

故障诊断与健康管理

实现液压系统、动力系统、感知系统三类故障的自诊断，覆盖≥80%常见故障

关键部件（液压油滤芯、破碎锤钎杆、铣挖刀具）剩余寿命预测误差：≤15%

故障报警到维修指导信息推送时间：≤5 s

五、绿色与节能目标

能耗与排放

若采用电驱：每立方米修复物料能耗≤2.5 kWh

若采用柴油机：满足国四及以上排放标准（非道路移动机械）

液压系统能效比（输出功率/输入功率）≥65%

六、标准化与扩展性目标

模块化与兼容性

属具接口统一，支持至少5种以上不同作业属具快速切换

控制软件采用ROS-like架构，支持后续添加新传感器或作业算法

数据接口开放，可接入矿山现有智能化管控平台（如人员定位、通风监控系统）

验收验证标准

在典型矿井完成不少于200小时井下工业性试验

修复后巷道断面尺寸合格率≥95%（达到设计断面±50 mm内）

操作人员培训周期：≤40学时，普通掘进工可独立操作