课题来源：某矿业装备企业委托项目

案例定位：面向煤矿灾后巷道非结构化复杂地形、井下防爆轻量化约束、灾后通信中断失效、井下环境多参量感知精度不足、机器人自主导航定位退化等痛点，开展融合梯形履带悬架动力学优化、本安兼隔爆短时防爆、有线无线协同通信、多源传感融合SLAM定位的煤矿救援机器人探测与运动控制方法专利转化研究。

1项目背景

煤矿瓦斯、火灾、顶板垮塌等灾害发生后，井下巷道遍布碎石、壕沟、台阶，同时存在高浓度易燃易爆瓦斯、有毒有害气体，救援人员直接入井极易发生二次伤亡，依靠人工搜救效率极低，亟需救援机器人替代人员开展井下环境探测、伤员搜救工作。现有煤矿救援机器人探测与运动控制体系存在四大短板：一是灾后巷道地形复杂，普通行走机构越障、爬坡、抗倾覆能力不足，悬架减震动力学参数未全局优化，颠簸导致传感数据失真；二是井下存在爆炸性气体环境，常规防爆壳体厚重笨重，整机重量大、续航短，缺少适配移动机器人的短时防爆轻量化一体化结构；三是井下巷道信号衰减严重，单一无线通信传输距离短，纯有线线缆负重过大，多机器人协同救援无稳定通信链路支撑；四是井下巷道场景特征单一，传统定位建图算法易发生退化，多气体、视觉、惯性传感数据未融合，自主行走避障精度差。

本专利提出一种煤矿救援机器人探测与运动控制方法，构建“梯形履带悬架动力学优化-多腔体自加强短时防爆轻量化结构-有线无线分布式协同通信-多源传感融合3DNDT-SLAM自主导航-多参量环境一体化探测”全链路技术体系。推导履带机构越障、抗倾覆力学方程，建立悬架动力学模型完成减震参数寻优；基于短时防爆理论设计本安兼隔爆多腔体轻量化箱体；搭建光纤有线+无线中继混合通信网络实现多机远距离协同；融合激光雷达、UWB、惯性导航、多气体传感器实现井下三维地图构建与精准定位，配套多参量环境探测单元实时采集灾害气体、影像数据，为煤矿灾后无人化智能搜救提供机械结构、防爆、通信、自主控制一体化解决方案。

深度森林从高价值专利挖掘与技术转化角度切入，围绕“梯形履带行走机构优化、短时防爆轻量化箱体设计、有线无线协同分布式通信、多源传感融合自主导航、井下多参量环境探测”核心技术路径，完成包含煤矿救援机器人履带悬架动力学优化方法、短时防爆多腔体轻量化箱体设计方法、井下机器人有线无线协同通信组网方法、多传感器融合井下SLAM定位导航方法、灾后井下多参量一体化探测方法在内的发明专利群布局，并选取综采工作面、模拟灾害巷道两类典型井下场景开展连续多周期实地性能测试与救援演练示范应用。

2本专利要解决的问题

1. 煤矿灾后巷道为非结构化复杂地形，常规履带行走机构未建立完整力学与动力学模型，台阶、壕沟通过性差，车身易倾覆，减震悬架参数未优化，行进震动干扰环境探测传感器采集精度。
2. 井下防爆壳体普遍采用加厚钢板设计，整机自重过高缩短续航，缺少适配移动机器人的短时防爆理论与轻量化腔体结构，无法兼顾防爆安全与整机便携部署需求。
3. 井下巷道无线信号衰减剧烈、单一通信模式传输距离受限，无分布式有线无线混合组网方案，多机器人编队协同救援时通信链路易中断，且井下狭长巷道环境单一，传统SLAM算法定位建图退化严重，自主行走避障可靠性不足。

3专利技术核心价值点

3.1梯形履带行走机构力学与动力学优化方法

本发明针对灾后井下凸台、壕沟、台阶、坡道等障碍，推演多种履带构型并择优选用梯形弹簧履带行走机构，建立量化力学模型精准评估机器人地形通过能力与抗倾覆性能。

机器人单级台阶最大翻越高度表达式：

机器人履带极限横滚抗倾覆角表达式：

搭建倾角式弹簧履带悬架动力学模型，建立单减震单元等效刚度计算公式完成参数迭代寻优：

采用网络分析法ANP综合评价行走机构越障、防爆、操控、可靠性指标，优化后减震单元最优刚度21kN/m、阻尼850N·(m·s-1)，机器人最大爬坡32°，可翻越200mm台阶、跨越600mm壕沟，行进震动幅度大幅降低，传感采集数据噪声减少42%。

3.2基于短时防爆理论的多腔体自加强轻量化箱体设计方法

本发明突破传统加厚隔爆壳体增重缺陷，依托气体Fick扩散定律建立防爆临界时间模型，提出本安兼隔爆短时防爆设计方案，分离电池腔、设备腔、接线腔独立密封，计算甲烷气体渗入腔体达到爆炸下限的临界工作时长，理论有效防爆时长可达5.8h，匹配机器人5小时续航周期。构建箱体多腔体嵌套自加强结构质量优化模型，在满足隔爆接合面间隙、壁厚安全标准前提下，通过加强筋结构分散箱体应力，采用Q690高强钢板有限元仿真校验腔体强度，所有腔体最大应力均低于材料许用应力。优化后防爆箱体最低质量53.85kg，相较传统整体焊接壳体减重34%，整机部署搬运难度显著降低，同等电池容量下续航里程提升18%，同时满足IP65防护等级与煤矿安全防爆认证要求。

3.3有线-无线分布式协同通信组网方法

本发明解决井下单一通信模式传输距离短、多机协同失联难题，设计光纤有线+无线中继混合通信架构，单台机器人内置1km光纤释放盘，搭配带光纤滑环的释放装置避免线缆缠绕打结；单机作业时采用光纤直连地面终端延长通信距离，多机器人编队时通过中继盒无线桥接形成链式通信网络，3台机器人编队可实现3km远距离稳定数据传输。通信系统采用PoE以太网技术同步传输数据与供电，网桥间基于UDP协议完成控制指令、气体监测数据、高清影像实时交互，无线中继模块做成本安防爆结构，低功率传输适配井下易燃易爆环境，灾后巷道、浓烟、碎石遮挡场景下通信丢包率低于0.8%，遥控控制延迟控制在100ms以内，满足远程实时操控需求。

3.4多源传感融合井下3DNDT-SLAM自主导航方法

本发明针对井下狭长巷道特征单一、定位退化问题，融合16线三维激光雷达、RGBD双目相机、UWB定位基站、IMU惯性导航多源传感数据，提出3DNDT-SLAM环境建模算法，采用NDT扫描配准完成激光里程计位姿估计，搭配UWB-IMU融合伪GNSS定位方法，可预先布设锚节点构建井下导航坐标系，输出高精度三维巷道点云地图。自主行走分层规划：长距离直行巷道采用A全局路径搜索，搭配Reed-shepp平滑曲线；车场、泵房复杂区域采用HybridA结合DWA局部动态避障；搭载高速相关滤波目标跟踪算法实时识别巷道碎石、垮塌障碍物，自动修正行进路线。模拟巷道实测，机器人定位误差低于0.35m，建图无明显退化，可脱离人工遥控完成自主巡检、搜救行进。

3.5井下多参量一体化环境探测方法

本发明集成模块化多参数探测单元，搭载升降式本安甲烷传感器、CD10综合气体测定器、防爆红外双目摄像头、风速风向传感器、拾音对讲模块，可同步检测甲烷、一氧化碳、硫化氢、氧气等6类危险气体浓度、井下温湿度、风压、风速，前后双路摄像头分别采集前方灾害场景与后方光纤释放状态，音频模块实现井下被困人员双向语音对讲。传感数据通过以太网传输至后端控制终端，实时可视化展示井下全域环境风险，气体检测响应时间小于2s，为地面救援指挥提供完整灾害数据支撑。

4专利转化验证与分析

选取两类典型井下场景开展连续多周期实地验证实验：试验一为井下综采运输巷道，模拟常规灾后碎石障碍环境；试验二为矿山应急救援模拟巷道，搭建浓烟、陡坡、轨道、积水、明火复合极端灾害场景。机器人监测采样周期2s，采集气体、位姿、影像、机身状态多维度数据，累计获取有效时序监测数据超5200组，完成噪声剔除、时序对齐、数据归一化预处理，用于行走机构、防爆箱体、通信、导航算法全维度校验。行走机构验证：优化后梯形履带悬架机器人极限爬坡32°，越障、跨壕沟性能满足井下全场景通行，行进震动造成的气体检测误差降低51%；防爆轻量化验证：优化箱体在满足5.8h短时防爆标准前提下，整机自重降至360kg，续航里程7km，连续工作5h；通信组网验证：单机光纤通信稳定距离1000m，三台机器人编队通信覆盖3km，极端遮挡环境无通信中断；自主导航探测验证：3DNDT-SLAM算法巷道建图完整无退化，定位精度0.35m以内，多气体传感器全量程检测无数据漂移，自主避障成功率96%以上。整套机器人探测与运动控制整套系统响应延迟低于0.1s，满足井下实时远程搜救控制需求。

5专利转化成效

相关技术成果已完成专利布局与样机工程化落地阶段。

深度森林与某矿业装备企业围绕“一种煤矿救援机器人探测与运动控制方法”核心技术体系，已完成1项国家发明专利、2项软件著作权组合申请，配套完成两代CUMT-V系列救援机器人样机迭代（A型遥控基础款、B型自主智能款），并取得国家煤矿安全防爆认证。后续拟面向全国各大煤矿、矿山应急救援基地规模化推广落地，预期可实现煤矿灾后危险区域无人先行探测，救援人员二次伤亡风险降低90%，井下环境风险识别准确率提升至93%，灾后搜救响应时间缩短60%，为矿山灾害应急救援提供机械、防爆、通信、智能导航一体化标准化技术方案与装备支撑。

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