機器人特刊┃中科院沈陽自動化所郎智明副研究員：礦井巷道垂直起降式管道螺孔對接機器人設計與分析

2025年12月01日 15:33 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

摘要

為解決煤礦井下管道安裝中法蘭螺栓孔對接難度大、人工操作強度高、傳統機械臂效率低等問題，設計了垂直起降式管道螺孔對接機器人。采用叉車式舉升機構替代傳統機械臂，搭配平移、旋轉、傾斜機構及新型主動滾動抓取夾手，并增設臨時托架優化作業流程;基于改進D?H法建立機器人連桿坐標系與運動學模型，利用ADAMS開展動力學仿真(驗證夾取接觸力、液壓缸推力達標)，搭建試驗臺對主動滾動夾手進行功能驗證。結果表明：機器人可實現管道精準夾取、舉升、平移及螺孔定位(孔心偏差≤±1 mm)，滿足井下管道半自動化安裝需求，降低人力成本與安全風險，為巷道管道智能化安裝提供技術支撐。

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：郎智明，副研究員，主要從事機器人結構設計研發工作。 E-mail：langzhiming@sia.cn

作者單位：中國科學院沈陽自動化研究所；沈陽理工大學

引用格式：郎智明，歐陽子江，卜春光，等.礦井巷道垂直起降式管道螺孔對接機器人設計與分析[J].智能礦山，2025，6(11)：15-23.

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我國煤礦井下管道安裝與維護的工程量巨大，每年新鋪設管道長度超過 40 000 km，管道維護長度超過 20 000 km。井下空間狹窄、管道類型與管徑規格多、質量大，目前管道安裝分為人工操作和機械臂操作2種形式，其中人工操作施工難度大、作業強度高、標準化程度低和安全風險大等突出問題；而傳統機械臂設計復雜，自由度多，算法運行效率低。針對以上問題，筆者設計了一種垂直起降式管道安裝機器人替代人工完成管道對接，并進行了三維建模，開展運動學、動力學仿真分析，對部分零部件完成了試驗驗證，以期實現井下管道安裝的半自動化、智能化。

為提升管道安裝作業效率，區別于傳統管道安裝機器人使用的常規機械臂，創新采用直線升降式叉車車架，縮短作業周期，提高工作效率；輔以其他自由度，實現管道傾斜、偏轉和滾轉，精準完成管道法蘭螺紋孔的對接。由于管道長度通常超過巷道的高與寬，機器人底盤設置臨時托架，可將管道從巷道一側轉移至另一側，完成管道卸車或安裝作業，進一步優化了作業流程。

巷道管道安裝機器人設計

垂直起降式管道安裝機器人作業巷道高和寬均為5 m，針對直徑為108～355 mm的鋼管進行抓取，鋼管≥ 500 kg。機械臂安裝在車輛底盤上，底盤高1 m。底盤上具有平移、水平旋轉2個自由度，夾取機構具有傾斜和管道滾轉兩個自由度，能控制管道與墻壁之間的距離、夾角和傾角，以適應管道在巷道不同的安裝空間位置，并在抓取后實現管道滾轉，以調整安裝法蘭螺栓孔的相對位置，順利實現管道對接。

井下巷道垂直起降式管道螺孔對接機器人設計主要由車輛底盤、舉升機構、平移機構、旋轉機構、傾斜機構、夾取機構和臨時托架等部分組成，其中叉車式舉升機構包括基座、一級舉升機構和二級舉升機構，機器人最小空間尺寸為2 200×3 800×3 600 mm3（寬 × 長 × 高），井下巷道垂直起降式管道螺孔對接機器人主要組成部分如圖1所示。

圖1 井下巷道垂直起降式管道螺孔對接機器人主要組成部分

1.1 舉升機構設計方案

叉車原理的垂直起降機構與傳統式機械臂相比，更適用于井下管道安裝的工況，設計為三倍行程的舉升結構，舉升結構原理示意如圖2所示。

圖2 舉升結構原理示意

與常規叉車門架之間使用滾輪與導槽不同，本設計在舉升基座與一級舉升結構和一級舉升結構與二級舉升結構之間使用的是多組直線導軌，保證這兩組運動的穩定性。

為保證在大負載工況下舉升機構完全升起后頂端的精度，直線導軌與滑塊連接處的重疊≥600 mm；同時，由垂直舉升機構安裝在1 m高的移動車輛底盤上，該機構的二級舉升機構最低點應使機械抓手中心水平面不高于放置于地面的鋼管中心水平面。因此，一級舉升機構高度為2 075 mm、二級舉升機構高度為2 425 mm，可以抓取地面上的鋼管，安裝高于地面4 900 mm的鋼管。

1.2 旋轉機構及平移機構設計

舉升機構的水平旋轉運動動力源為液壓馬達，采用蝸輪蝸桿實現低速高轉矩，舉升結構隨渦輪旋轉可做出360°回轉，也可微調管道與巷壁之間的夾角。蝸輪蝸桿作為傳動裝置，保證了足夠的力矩使之正常運行，還具備自鎖功能，旋轉機構設計如圖3所示。

圖3 旋轉機構設計

為使機器人擁有足夠工作空間，還需1個能實現水平面平移自由度的結構，平移機構設計原理如圖4所示。該運動為大負載、大行程、中低速的水平直線運動，因此選用液壓馬達作為動力源，并采用鏈輪鏈條傳動將旋轉運動轉化為直線運動，鏈條長度可隨行程調整。液壓馬達驅動鏈輪鏈條，選取幾節鏈條與移動滑臺固定，移動滑臺底面設有2組直線導軌，滑臺可隨鏈條運動平移，直線導軌用來確保運動的直線度與平穩性。

圖4 平移機構設計原理

1.3 主動滾動抓取夾手設計

對于管道主動滾轉的自由度，國內外目前尚無實現管道主動滾轉的夾持工具，為實現該功能，需設計1種帶有滾輪的機械爪，夾持管道時，始終保持有3個及以上滾輪與管道接觸，其中至少有1個滾輪具有主動旋轉功能。旋轉時，通過2個相互擠壓的外接圓柱構成摩擦輪傳動，利用二者始終保持夾緊的摩擦力，帶動管道在夾爪內滾轉。

設計適應管徑范圍為巷道內常用的直徑為108～355 mm，質量≥500 kg。抓取方式為垂直于地面對稱式，整個夾取過程采用的是“連夾帶摟”方式，使其最終與夾爪之間的接觸完全通過4個滾輪，主動滾動抓取夾手抓取過程如圖5所示。

圖5 主動滾動抓取夾手抓取過程

為實現順利抓取，設計細節包括以下3個方面。

（1）夾爪最末端安裝能被動旋轉的柱輥，通過柱輥與管道之間的滾動接觸，管道能順利離開地面。

（2）夾爪末端設計成較小的曲率半徑，以便夾爪末端能順利探入管道下方，避免夾傷管道。曲率半徑由末端向上逐漸增大，該曲線首選漸開線，其次也可由若干圓弧擬合而成。

（3）由于夾爪完全夾緊管道后其下部有可能會相交，所以必須設計為交錯式夾手。一側為雙手、一側為單手，夾取結構側視示意如圖6所示。

圖6 夾取結構側視示意

在主動滾轉機構設計中，主動輪為夾爪上安裝的橡膠滾輪，從動輪為管道，動力源為液壓馬達。常規井下管道的法蘭螺栓孔數量最少為8個，所以對接螺孔時管道滾轉的最大角度為22.5°。該角度非常小，也就是螺孔對接時管道滾轉的速度很低，夾取結構示意如圖7所示。

圖7 夾取結構示意

液壓馬達通常以高轉矩低轉速的方式工作，但對本設計工況，液壓馬達的額定轉速較高，液壓馬達在低速工作時易發生爬行情況（指在轉速過低時，馬達不能保持勻速的狀態，時動時停），因此需設計減速箱對液壓馬達進行減速，同時在主動橡膠滾輪的一端安裝增量編碼器，用來控制法蘭螺栓光孔之間錯位角度的調整。

1.4 管道傾斜機構設計

為控制管道安裝時與地面的俯仰角度，需要設計1個傾斜管道機構，管道傾斜機構示意如圖8所示。

圖8 管道傾斜機構示意

機械抓手的安裝座通過一懸臂軸安裝于舉升機構之上，驅動元件為液壓缸。為獲得足夠的轉矩，液壓缸置于懸臂軸的一側并保持一定距離，液壓缸外筒與舉升機構鉸接、活塞桿與機械抓手的安裝座鉸接，當活塞桿伸縮時，機械抓手帶著夾持的管道做俯仰運動。

1.5 臨時托架設計

鑒于巷道內空間受限，鋼管長度通常大于巷道寬度，水平旋轉鋼管存在較大難度，增設1套臨時托架配合機器人作業。抓手在左右平移過程中，可將鋼管暫置于臨時托架之上，待完成自身旋轉之后，再行抓取管道，繼而將管道由巷道的一側轉移至另一側。托架的鋼管支撐部分為直徑為365 mm 的半圓弧，放置直徑為108 ～355 mm 的鋼管，高度設定為2 600 mm，確保當鋼管暫置于臨時托架上之時，舉升機構能夠從鋼管下鉆過。臨時托架的使用過程如圖9所示，各分圖呈現了利用臨時托架實現鋼管左右轉移的運動流程。

圖9 臨時托架的使用過程

巷道管道安裝機器人運動學建模

巷道管道安裝機器人的結構設計結合改進的D-H 法建立連桿坐標系，建立機器人的連桿坐標系如圖10所示。其中0坐標系為大地，1～6坐標系分別對應平移機構、旋轉機構、舉升機構、管道傾斜機構和夾取機構（包括管道滾動結構））。

圖10 機器人的連桿坐標系

由建立的機器人連桿坐標系以及機器人各關節參數得到改進的D-H參數見表1，其中：旋轉關節中為為1~6）變量，移動關節中為1~3）為變量，_-1為繞_-1軸從到的角度，_-1為沿軸方向從_-1的距離。

表1 機器人連桿及關節參數

2.1 巷道管道安裝機器人正運動學分析

機器人的正運動學是利用機器人各連桿和關節的參數與相鄰坐標系間的齊次變換矩陣，求解末端執行器在基座坐標系中的位置和姿態的坐標，得到機械臂相對于基坐標系的末端空間位置與各個關節的變量和姿態之間的關系。合理給定各關節的運動狀態，確定所需機械臂末端的空間位置和姿態。經過計算，得到初始位置姿態如圖11所示。

圖11 初始位置姿態

2.2 巷道管道安裝機器人工作空間分析

工作空間是指末端執行器所能達到的最大空間。經過上節運動學分析后可知，在給定機器人各關節的角度后，便可以根據正運動學求出其末端點的位姿。

管道螺孔對接機器人具有2個移動關節和4個轉動關節，使用蒙特卡羅法，利用 MATLAB機器人工具箱中的“fkine”函數進行5 000次描點，得到巷道管道安裝機器人機械臂的工作空間示意如圖12所示，該系統的工作空間包含了長寬高約為3 m × 0.5 m× 4.5 m的空間范圍，由于夾爪結構本身占用了管道上方的空間（高約 0.55 m），以及夾取過程中管道會發生垂直向上移動（約 0.45 m），此2種情況無法在運動學中體現，所以該機械臂在垂直方向上已經達到了設計要求；同理，該機械臂在水平方向上也達到了設計要求。

圖12 機器人工作空間界面示意

巷道管道安裝機器人動力學仿真與分析

3.1 巷道管道安裝機器人模型建立

采用 ADAMS 動力學仿真，先行定義機器人各部件之間的配合，包括：舉升裝置首先通過水平鏈條傳動完成橫向移動，再通過蝸輪蝸桿傳動完成水平旋轉運動；舉升裝置中，通過抬升鏈條來控制1級和2級舉升機構實現上升或下降；2級舉升機構與機械抓手之間的液壓缸，控制機械抓手的傾斜；抓手通過兩側對稱布置的液壓缸，實現夾緊與打開。

由于ADAMS中默認系統中零部件無碰撞、無摩擦，本次仿真的真實工況在管道與地面、管道與抓手零部件間存在碰撞和摩擦，需對可能存在碰撞和摩擦的零件間添加接觸力，即抓手的7個“手指”部位與6個摩擦輪，總計13個接觸。

機器人動作總計多達7個驅動源，為達到真實模擬機器人工作的目的，通過使用運動工具箱（Motions）分別施加驅動。本系統在2級抬升結構中用到了滑輪組，仿真時需要在 ADAMS 中設置添加。設置滑輪屬性維數部分中寬度為30.0 mm、深度為10.0 mm、半徑為10.0 cm，角度為20.0°，接觸參數部分沒有特殊要求，默認即可。帶輪的各項參數設置見表2。繩索纏繞順序依次選擇為c1，c2，c3，終止錨點選擇為繩索終端固定，直徑設置為20 cm，其余沒有特殊要求，默認即可。

表2 滑輪布置參數

模型建立后，仿真抓手夾緊，舉升和平移、旋轉等主要運動過程，以4個摩擦輪與管道的接觸力、夾緊過程中抓取液壓缸的推力和舉升過程中舉升液壓缸的推力為例進行分析。

3.2 巷道管道安裝機器人夾取接觸力測試

各位置的夾爪摩擦輪管道與夾緊力測量曲線如圖13所示，分析得出以下4個方面的結論。

圖13 各位置的夾爪摩擦輪管道與的夾緊力測量曲線

（1）開始時，夾取結構尚未夾取管道，摩擦輪與管道之間尚未接觸，力為0。

（2）在1 s內，隨著夾取結構的夾緊，各摩擦輪逐個與管道接觸，隨之產生夾緊力。因為夾緊過程為由松變緊，管道會在夾爪內晃動，接觸力也會產生極大波動，最大值出現在右上部分的摩擦輪，為70 000 N，之后慢慢穩定，以上方2組摩擦輪剛接觸且夾緊力為0時的穩定狀態為初始夾緊狀態，此時左、右下方2組摩擦輪與管道夾緊力分別約為3 290.14 N和2 517.30 N，與計算值3 259 N和 2 883 N接近。

（3）在2~4 s內，舉升結構開始工作，管道在夾爪內勻速向上位移，各力出現不同波動，但力的矢量和基本不會發生太大變化。

（4）5~8 s和8~9 s是基座平移和旋轉的運動過程，由于運動性質與舉升過程類似，所以力的直觀數據也會相似。

3.3 夾取液壓缸的推力測試

通過仿真，得到了夾取液壓缸的推力曲線如圖14所示，運動過程與上文相同，由于在夾緊過程中所需推力最大，所以截取了前5 s的測量曲線作為代表，經過分析，夾取液壓缸在夾緊過程中最大瞬時推力產生在管道與夾爪碰撞的時刻，導致數值極大，但并沒有參考意義，后續夾取作業穩定后，左右2側液壓缸推力也會逐漸穩定至476.3 N與188.6 N，該液壓缸的最大輸出推力為30 kN，已經達到了該部分結構的目標需求。

圖14 夾取液壓缸的推力測量曲線

3.4 舉升液壓缸的推力測試

通過與上文同樣的仿真，截取了前5 s的舉升液壓缸壓力測量曲線如圖15所示。經過分析，舉升作業穩定后，舉升液壓缸推力逐漸穩定至約11 620 N，液壓缸的最大輸出推力為50 kN，達到了該部分結構的目標需求。

圖 15 舉升液壓缸的推力測量曲線

主動滾動抓取夾手試驗

4.1 試驗臺搭建

試驗聚焦抓手的單獨部件功能，搭建試驗臺實現抓手與舉升裝置的等效運動。采購載質量2 t級的手動液壓叉車，模擬舉升機構在垂直地面方向的運動，再將夾爪安裝在叉車的貨叉之上。

4.2 試驗件選取

因市面難以采購到帶法蘭邊的合適直徑鋼管，故采用預先在管道上標記刻度的方法。采購外徑為355 mm鋼管，在鋼管端部的圓柱面上每隔10 cm弦長，用紅色記號筆標記刻度；采購外徑220 mm鋼管，在鋼管端部的圓柱面上每隔6 cm弦長，用紅色記號筆標記刻度。采購外徑110 mm鋼管，在鋼管端部的圓柱面上每隔3 cm弦長，用紅色記號筆標記刻度，鋼管刻度標記如圖16所示。

圖16 鋼管刻度標記

4.3 試驗具體步驟

試驗由2人操作，1人操作叉車，實現抓取前夾爪向下的運動和抓取后夾爪連同管道向上提升的運動；1人操作夾爪的閉合與管道夾緊后與滾輪的旋轉。試驗流程分為如下8個步驟，抓管及管道主動滾動測試（355 mm圓管）如圖17所示。

圖17 抓管及管道主動滾動測試（355 mm直徑圓管）

（1）測試前，保證夾爪處于最大張開狀態。

（2）操作叉車向下運動，將夾爪最端部降低至鋼管水平最大橫截面高度以下，與即將接觸地面之間的5種不同高度。

（3）操作液壓缸，夾爪開始閉合，夾持鋼管離開地面后升起叉車。

（4）升起叉車至一定高度后停止叉車運動，同時夾爪繼續閉合。

（5）夾爪閉合至自動停止為止，開始操作液壓馬達，旋轉橡膠滾輪。目測4組橡膠滾輪與鋼管是否同時旋轉，無打滑現象即說明夾持到位。

（6）操作滾輪旋轉，觀測刻度與指針對齊情況。

（7）調節液壓馬達旋轉速度，繼續操作滾輪旋轉，觀測刻度與指針對齊情況。

（8）更換其他直徑鋼管，重復過程步驟1—7。

4.4 試驗結果

夾爪端部不同距地面高度，抓取355 mm直徑圓管情況見表3，主動旋轉355 mm直徑圓管的刻度與指針對齊情況見表4，得到以下3個試驗結論。

表3 夾爪端部距地面不同高度，抓取直徑355 mm圓管情況

表4 主動旋轉直徑355 mm圓管的刻度與指針對齊情況

（1）當活動爪最端部剛剛低至管道水平最大橫截面高度以下時，或距離地面太近時無法成功抓取，但在管道最大橫截面高度與地面之間的絕大部分高度位置，皆可實現，3種直徑規格管道的夾取，有效降低了操作難度。

（2）抓手可以在管道夾緊過程中，自動使其到達抓手內的預定位置。

（3）考慮到穿插螺栓的光孔尺寸要較螺栓的公稱直徑為大，例如M8螺栓的公稱直徑為8 mm，而穿插M8螺栓的光孔尺寸通常為10 mm，即可允許≯±1 mm的孔心偏差；在煤礦井下巷道中管道對接所使用螺栓，其公稱直徑一般為10 mm或>20 mm，而螺栓的公稱直徑越大，穿插螺栓的光孔尺寸也更大，使用中甚至允許≥±1 mm的孔心偏差。

試驗結果表明，通過橡膠滾輪的主動旋轉，實現了管道沿其軸向的主動旋轉，精度可用于法蘭螺栓孔的定位栓接。

結語

針對煤礦井下巷道特殊環境，設計了1種垂直起降式管道螺孔對接機器人，并完成了正運動學求解、工作空間仿真和動力學仿真，以及主動滾動抓手結構的試驗驗證。垂直起降裝置輔以其他自由度能夠高效的完成管道舉升，臨時托架的設置能夠彌補該機器人構型在作業中的不足，創造性地設計了抓手內鋼管的主動滾轉機構，并完成了試驗驗證，對巷道管道的智能化安裝提供了堅實的理論與技術支持。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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