煤礦探測救援機器人研究現狀及其應用

摘 要：論文提出了研究煤礦探測救援機器人的必要性，在介紹國內外煤礦探測救援機器人研究現狀的基礎上，擬出了需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，并對其應用前景進(jìn)行了探討，提出了探測救援機器人今后的發(fā)展方向，以期為之后進(jìn)一步深入研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：煤礦；探測；救援；機器人；發(fā)展方向

0 引言

我國煤炭資源豐富,是世界上最大的生產(chǎn)國和消費國。多年來(lái)，在煤炭資源的開(kāi)采過(guò)程中，煤層瓦斯爆炸、透水、冒頂片幫等礦難頻繁發(fā)生。究其主要原因：①煤層地質(zhì)條件差；②高瓦斯礦偏多；③作業(yè)水平低；④技術(shù)管理不善。礦難發(fā)生后，如何及時(shí)、迅速地開(kāi)展救援工作、發(fā)現被困礦工是提升救援水平的有效途徑。但災后井下隨時(shí)可能發(fā)生次生災害，救護人員直接進(jìn)入災區，人身安全得不到保障。因此，研發(fā)一系列能夠替代或部分替代人工快速進(jìn)入礦井，探測獲取氣體濃度（CO、O 2、瓦斯等）、溫度、濕度等環(huán)境參數以及進(jìn)行輔助救援的煤礦探測救援機器人具有極其重要的現實(shí)意義。

1 國內外研究現狀

對于煤礦探測救援機器人的研究，歐美國家起步較早，多家科研機構和高校院所相繼開(kāi)發(fā)出多款煤礦機器人。美國智能系統和機器人中心研發(fā)的RATLER礦井探索機器人如圖1所示，用于探測礦井災區現場(chǎng)環(huán)境信息。該機器人本體攜帶有陀螺儀、危險氣體傳感器、主動(dòng)紅外攝像機和無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)器等，最遠無(wú)線(xiàn)遙控操作距離為76m。Remotec 公司制造的V2 煤礦救援機器人如圖2所示，配備有攝像機（用于導航和監控）、氣體傳感器、機械臂，同時(shí)機器人具有夜視能力和兩路語(yǔ)音通訊系統?？稍?/span>1500m以外的安全位置遠程遙控，使用光纖通訊傳送礦井環(huán)境信息，控制室能夠看到井下實(shí)時(shí)畫(huà)面和讀取相關(guān)氣體濃度。國內對煤礦探測救援機器人的研究起步較晚，但經(jīng)過(guò)數年的努力也取得了一定的研究成果。2009年，山東省自動(dòng)化研究所成功研制具有生命探測功能的井下探測救援機器人如圖3所示。該機器人裝有生命探測儀、音頻設備、紅外攝像頭、探測傳感器、機械臂等，結合多種防爆技術(shù)，采用光纖通訊技術(shù)，實(shí)現井下環(huán)境實(shí)時(shí)視頻傳輸。2010年，凱信集團研發(fā)完成煤礦救援探測機器人如圖4所示。該機器人具備輕量化、模塊化、越障能力強、傳輸距離遠等特點(diǎn)，填補了全球煤礦救援探測機器人領(lǐng)域的空白，主要用于礦難后井下環(huán)境探測和救援。機器人能夠到達救護隊員所不能進(jìn)入的區域，在高溫、高壓、水災、火災等環(huán)境中亦可使用。通過(guò)傳感器可以獲取多種有害氣體濃度、環(huán)境溫度及被困礦工位置等。

2 擬解決關(guān)鍵技術(shù)

（1）移動(dòng)機構。研究移動(dòng)機構是研究煤礦探測救援機器人的前提和重點(diǎn)。一旦礦井發(fā)生瓦斯煤塵爆炸、冒頂片幫、火災等事故，井下環(huán)境將會(huì )變得非常惡劣。在這種未知的、非結構化的環(huán)境下，機器人只有具備快速平穩地移動(dòng)能力、良好的機動(dòng)性以及一定的越障能力，才能快速進(jìn)入到災區現場(chǎng)完成探測救援任務(wù)。目前，為了更好地滿(mǎn)足機器人的移動(dòng)性能需求，交叉結合履帶式機器人地形適應能力強、輪式機器人結構簡(jiǎn)單和重量輕、腿式機器人越障能力強等各自的特點(diǎn)，國內外已開(kāi)發(fā)出輪式結合腿式、履帶式結合腿式等多種復合式機器人，但結構復雜。

（2）自主導航定位。自主導航定位是移動(dòng)機器人實(shí)現實(shí)用化的關(guān)鍵。當前，能適用于礦井的定位技術(shù)有里程計、慣性導航、路標導航、地圖模型匹配和仿生導航等技術(shù)，其中仿生導航技術(shù)包括視覺(jué)、聲音和氣味導航技術(shù)。為了滿(mǎn)足礦井救災的有效性，移動(dòng)機器人的導航定位須具有高精度、實(shí)時(shí)性、自主性等性能。多傳感器的信息融合技術(shù)能夠很好的彌補各個(gè)傳感器之間的不足，完成在復雜、動(dòng)態(tài)及不確定性環(huán)境下的自主性，能比較完整、精確地反映井下環(huán)境特征。

（3）路徑規劃技術(shù)。路徑規劃是移動(dòng)機器人導航與控制的基礎。工程實(shí)際情況中將路徑規劃方法分為兩大類(lèi)：①環(huán)境信息是靜態(tài)的、已知的全局路徑規劃；②環(huán)境信息是動(dòng)態(tài)變化的或不完全已知的局部路徑規劃。由于全局路徑規劃只能生成從起始點(diǎn)到目標點(diǎn)的粗略路徑，而探測救援機器人在執行任務(wù)過(guò)程中，會(huì )碰到未知路障、道路過(guò)窄等不可測的情況，此時(shí)機器人須結合局部環(huán)境信息和自身狀態(tài)信息進(jìn)行局部規劃路徑，方能達到目的地。通常的方法有空間搜索法、基于融合數據的直接規劃法、勢場(chǎng)法、柵格法、模糊邏輯法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法等。

（4）整體防爆防水安全設計。災后的礦井隨時(shí)可能再次發(fā)生頂板冒落，巷道側壁片幫等特殊情況，為了避免機器人因受外力致使機構損壞或發(fā)生故障，以致產(chǎn)生火花引發(fā)次生災害，機器人整體機構及電路設計應具備安全保護功能。應滿(mǎn)足：①在受到強壓力失爆時(shí)，自動(dòng)切斷電源供給；②系統電路設計滿(mǎn)足本質(zhì)安全要求；③非金屬材料必須抗靜電的相關(guān)規定；④金屬或金屬材料具備抗摩擦和沖擊火花的能力。此外，應用于透水事故中的機器人還須具備防水能力，保證機構的密封性，確保電路系統安全運行。

（5）動(dòng)力源。動(dòng)力源受限是制約自主機器人高效完成任務(wù)的因素之一。較長(cháng)的續航時(shí)間能長(cháng)時(shí)間保證機器人正常工作。例如：①質(zhì)子交換膜燃料電池與鎳氫蓄電池電池混合構成機器人多能源動(dòng)力系統，具有能量密度高、充放電能快和安全高等優(yōu)點(diǎn)；②采用柴油機作為動(dòng)力源具有功率大、動(dòng)力性能好、越障能力強、續航時(shí)間長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。但車(chē)體體積將會(huì )增大，不利于在狹小空間中移動(dòng)獲取環(huán)境信息及執行救援任務(wù)；③采用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)進(jìn)行能源補給，有線(xiàn)方式即使用導線(xiàn)對機器人供能，但救援距離受限；采用無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行供能的可行性關(guān)鍵在于能否找到集成到機器人車(chē)體上的高能蓄電池。

3 煤礦探測救援機器人的應用探討

多年來(lái)，我國在煤礦探測救援機器人方面取得了不錯成果，研制出來(lái)的一些機器人可隨時(shí)進(jìn)入井下執行任務(wù)。以下對其在具體領(lǐng)域的應用進(jìn)行相關(guān)探討。

（1）廢舊、不明礦井的探測與開(kāi)發(fā)。多年來(lái)，在煤炭資源的開(kāi)采過(guò)程中，形成了大量井下采空區即廢舊礦井。如何開(kāi)發(fā)利用這些礦井是當前面臨的挑戰，廢舊礦井井下環(huán)境未知， 隨時(shí)可能發(fā)生瓦斯爆炸、塌方等事故。使用煤礦移動(dòng)機器人代替人工對井下環(huán)境進(jìn)行探測是當前開(kāi)發(fā)利用廢舊礦井的發(fā)展方向。另外，機器人還可以進(jìn)入一些不明礦井通過(guò)自身攜帶的傳感器進(jìn)行環(huán)境探測，并將采集到的瓦斯、CO濃度，環(huán)境溫度，井下環(huán)境圖像等信息發(fā)送到地面信息中心，供工作人員研究分析，為能否開(kāi)發(fā)利用該礦井提供技術(shù)支持。

（2）冒頂片幫、塌方、透水事故。冒頂片幫、塌方事故是采礦作業(yè)中最常見(jiàn)的事故。災后造成極度復雜的井下環(huán)境，因此必須使用專(zhuān)門(mén)為之設計的具有強越障能力的煤礦機器人。這樣有利于機器人迅速進(jìn)入災區， 進(jìn)行環(huán)境、 生命探測， 準確發(fā)現被壓礦工所在位置， 為營(yíng)救礦工爭取時(shí)間。透水也是比較常見(jiàn)的礦難之一，往往造成大事故或重大事故。具備防水能力的煤礦移動(dòng)機器人能攜帶某種通訊設備（如電話(huà)線(xiàn)）進(jìn)入災區，使地面控制中心與被困礦工取得聯(lián)系，進(jìn)一步了解井下環(huán)境及礦工身體狀況，為制定救援方案提供可靠信息。

（3）礦山救護隊。目前在我國一旦發(fā)生礦難，礦山救護隊作為唯一的專(zhuān)業(yè)隊伍前往第一現場(chǎng)參與救援工作。但救護隊員的人身安全誰(shuí)來(lái)保證？據統計，礦難中的死亡人數，部分來(lái)自救護隊員。因此，給礦山救護隊配備一定數量的煤礦機器人，部分代替救護隊員進(jìn)行環(huán)境探測和救援能減少救護隊員的死亡人數。

4 煤礦探測救援機器人的發(fā)展趨勢

當前，國內外許多科研機構都致力于有關(guān)煤礦探測救援機器人的研究，進(jìn)行機器人共性技術(shù)研究，發(fā)展趨勢如下：

（1）移動(dòng)機構仿生化。為了適應惡劣的災難環(huán)境，要求機器人具有可靠、靈活的移動(dòng)機構，同時(shí)須具備輕量化、低能耗、 良好的移動(dòng)穩定性、一定的越障能力等特點(diǎn)。目前已研制出輪式、腿式、履帶式、復合式以及仿生式等移動(dòng)機構，其中復合式移動(dòng)機構的越障能力很強，但機械結構相對復雜。研究仿生結構是移動(dòng)機構未來(lái)重點(diǎn)研究方向，某些科研單位已研制出蛇形機器人、機器蒼蠅、機器蜘蛛等中小型機器人， 尺寸上向微型化方向發(fā)展。 若結合煤礦機器人的設計要求，相信仿生煤礦機器人在煤礦救援方面具有廣泛的應用前景。

（2）多信息技術(shù)融合化和智能化。對機器人無(wú)論采用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)遙控控制，在探測救援過(guò)程中都有一定的局限性，只有實(shí)現機器人的完全自主運動(dòng)，才能更好的完成探測救援任務(wù)。融合人機交換、路徑規劃技術(shù)、導航定位技術(shù)、視覺(jué)實(shí)時(shí)處理技術(shù)、車(chē)體控制技術(shù)和人工智能等針對災區現場(chǎng)環(huán)境的技術(shù)，實(shí)現救援機器人自主規劃路徑，自主導航定位探索移動(dòng)到指定區域，完成探測救援任務(wù)。實(shí)現機器人完全自主運動(dòng)，對提升探測救援水平具有重要影響。

（3）多機器人系統群體協(xié)作化。與單個(gè)機器人相比，多機器人相互協(xié)作能完成單個(gè)機器人所不能完成的、 比較復雜的探測救援任務(wù)， 具有很大的優(yōu)越性。 隨著(zhù)科技的發(fā)展， 機器人群體可以組建成一支救援隊，同時(shí)進(jìn)入災區，各自完成任務(wù)。一些機器人執行探測任務(wù)， 一些機器人進(jìn)行救援工作，彼此之間傳遞信息。多個(gè)機器人通過(guò)控制指令將給定探測救援任務(wù)分成若干個(gè)子任務(wù)。機器人之間協(xié)作執行任務(wù)，提高了探測救援的效率。機器人的尺寸大小、性能均針對所具體執行任務(wù)而專(zhuān)門(mén)設計。

5 結束語(yǔ)

我國煤礦事故頻發(fā)，而災后的救援工作又十分困難和危險，為了保證救護隊員的人身安全和救援的有效性，對于煤礦探測救援機器人的研究顯得尤為重要。加大對煤礦探測救援機器人的科研力度，能促進(jìn)井下救災體系的建立，對我國具有深遠的現實(shí)意義和戰略意義。