煤矿探测救援机器人研究现状及其应用

关键词：煤矿；探测；救援；机器人；发展方向

0 引言

我国煤炭资源丰富,是世界上最大的生产国和消费国。多年来，在煤炭资源的开采过程中，煤层瓦斯爆炸、透水、冒顶片帮等矿难频繁发生。究其主要原因：①煤层地质条件差；②高瓦斯矿偏多；③作业水平低；④技术管理不善。矿难发生后，如何及时、迅速地开展救援工作、发现被困矿工是提升救援水平的有效途径。但灾后井下随时可能发生次生灾害，救护人员直接进入灾区，人身安全得不到保障。因此，研发一系列能够替代或部分替代人工快速进入矿井，探测获取气体浓度（CO、O 2、瓦斯等）、温度、湿度等环境参数以及进行辅助救援的煤矿探测救援机器人具有极其重要的现实意义。

1 国内外研究现状

对于煤矿探测救援机器人的研究，欧美国家起步较早，多家科研机构和高校院所相继开发出多款煤矿机器人。美国智能系统和机器人中心研发的RATLER矿井探索机器人如图1所示，用于探测矿井灾区现场环境信息。该机器人本体携带有陀螺仪、危险气体传感器、主动红外摄像机和无线射频收发器等，最远无线遥控操作距离为76m。Remotec 公司制造的V2 煤矿救援机器人如图2所示，配备有摄像机（用于导航和监控）、气体传感器、机械臂，同时机器人具有夜视能力和两路语音通讯系统。可在1500m以外的安全位置远程遥控，使用光纤通讯传送矿井环境信息，控制室能够看到井下实时画面和读取相关气体浓度。国内对煤矿探测救援机器人的研究起步较晚，但经过数年的努力也取得了一定的研究成果。2009年，山东省自动化研究所成功研制具有生命探测功能的井下探测救援机器人如图3所示。该机器人装有生命探测仪、音频设备、红外摄像头、探测传感器、机械臂等，结合多种防爆技术，采用光纤通讯技术，实现井下环境实时视频传输。2010年，凯信集团研发完成煤矿救援探测机器人如图4所示。该机器人具备轻量化、模块化、越障能力强、传输距离远等特点，填补了全球煤矿救援探测机器人领域的空白，主要用于矿难后井下环境探测和救援。机器人能够到达救护队员所不能进入的区域，在高温、高压、水灾、火灾等环境中亦可使用。通过传感器可以获取多种有害气体浓度、环境温度及被困矿工位置等。

（1）移动机构。研究移动机构是研究煤矿探测救援机器人的前提和重点。一旦矿井发生瓦斯煤尘爆炸、冒顶片帮、火灾等事故，井下环境将会变得非常恶劣。在这种未知的、非结构化的环境下，机器人只有具备快速平稳地移动能力、良好的机动性以及一定的越障能力，才能快速进入到灾区现场完成探测救援任务。目前，为了更好地满足机器人的移动性能需求，交叉结合履带式机器人地形适应能力强、轮式机器人结构简单和重量轻、腿式机器人越障能力强等各自的特点，国内外已开发出轮式结合腿式、履带式结合腿式等多种复合式机器人，但结构复杂。

（2）自主导航定位。自主导航定位是移动机器人实现实用化的关键。当前，能适用于矿井的定位技术有里程计、惯性导航、路标导航、地图模型匹配和仿生导航等技术，其中仿生导航技术包括视觉、声音和气味导航技术。为了满足矿井救灾的有效性，移动机器人的导航定位须具有高精度、实时性、自主性等性能。多传感器的信息融合技术能够很好的弥补各个传感器之间的不足，完成在复杂、动态及不确定性环境下的自主性，能比较完整、精确地反映井下环境特征。

（3）路径规划技术。路径规划是移动机器人导航与控制的基础。工程实际情况中将路径规划方法分为两大类：①环境信息是静态的、已知的全局路径规划；②环境信息是动态变化的或不完全已知的局部路径规划。由于全局路径规划只能生成从起始点到目标点的粗略路径，而探测救援机器人在执行任务过程中，会碰到未知路障、道路过窄等不可测的情况，此时机器人须结合局部环境信息和自身状态信息进行局部规划路径，方能达到目的地。通常的方法有空间搜索法、基于融合数据的直接规划法、势场法、栅格法、模糊逻辑法和神经网络法等。

（4）整体防爆防水安全设计。灾后的矿井随时可能再次发生顶板冒落，巷道侧壁片帮等特殊情况，为了避免机器人因受外力致使机构损坏或发生故障，以致产生火花引发次生灾害，机器人整体机构及电路设计应具备安全保护功能。应满足：①在受到强压力失爆时，自动切断电源供给；②系统电路设计满足本质安全要求；③非金属材料必须抗静电的相关规定；④金属或金属材料具备抗摩擦和冲击火花的能力。此外，应用于透水事故中的机器人还须具备防水能力，保证机构的密封性，确保电路系统安全运行。

（5）动力源。动力源受限是制约自主机器人高效完成任务的因素之一。较长的续航时间能长时间保证机器人正常工作。例如：①质子交换膜燃料电池与镍氢蓄电池电池混合构成机器人多能源动力系统，具有能量密度高、充放电能快和安全高等优点；②采用柴油机作为动力源具有功率大、动力性能好、越障能力强、续航时间长等优点。但车体体积将会增大，不利于在狭小空间中移动获取环境信息及执行救援任务；③采用有线或无线进行能源补给，有线方式即使用导线对机器人供能，但救援距离受限；采用无线方式进行供能的可行性关键在于能否找到集成到机器人车体上的高能蓄电池。

3 煤矿探测救援机器人的应用探讨

多年来，我国在煤矿探测救援机器人方面取得了不错成果，研制出来的一些机器人可随时进入井下执行任务。以下对其在具体领域的应用进行相关探讨。

（1）废旧、不明矿井的探测与开发。多年来，在煤炭资源的开采过程中，形成了大量井下采空区即废旧矿井。如何开发利用这些矿井是当前面临的挑战，废旧矿井井下环境未知， 随时可能发生瓦斯爆炸、塌方等事故。使用煤矿移动机器人代替人工对井下环境进行探测是当前开发利用废旧矿井的发展方向。另外，机器人还可以进入一些不明矿井通过自身携带的传感器进行环境探测，并将采集到的瓦斯、CO浓度，环境温度，井下环境图像等信息发送到地面信息中心，供工作人员研究分析，为能否开发利用该矿井提供技术支持。

（2）冒顶片帮、塌方、透水事故。冒顶片帮、塌方事故是采矿作业中最常见的事故。灾后造成极度复杂的井下环境，因此必须使用专门为之设计的具有强越障能力的煤矿机器人。这样有利于机器人迅速进入灾区， 进行环境、 生命探测， 准确发现被压矿工所在位置， 为营救矿工争取时间。透水也是比较常见的矿难之一，往往造成大事故或重大事故。具备防水能力的煤矿移动机器人能携带某种通讯设备（如电话线）进入灾区，使地面控制中心与被困矿工取得联系，进一步了解井下环境及矿工身体状况，为制定救援方案提供可靠信息。

（3）矿山救护队。目前在我国一旦发生矿难，矿山救护队作为唯一的专业队伍前往第一现场参与救援工作。但救护队员的人身安全谁来保证？据统计，矿难中的死亡人数，部分来自救护队员。因此，给矿山救护队配备一定数量的煤矿机器人，部分代替救护队员进行环境探测和救援能减少救护队员的死亡人数。

4 煤矿探测救援机器人的发展趋势

当前，国内外许多科研机构都致力于有关煤矿探测救援机器人的研究，进行机器人共性技术研究，发展趋势如下：

（1）移动机构仿生化。为了适应恶劣的灾难环境，要求机器人具有可靠、灵活的移动机构，同时须具备轻量化、低能耗、 良好的移动稳定性、一定的越障能力等特点。目前已研制出轮式、腿式、履带式、复合式以及仿生式等移动机构，其中复合式移动机构的越障能力很强，但机械结构相对复杂。研究仿生结构是移动机构未来重点研究方向，某些科研单位已研制出蛇形机器人、机器苍蝇、机器蜘蛛等中小型机器人， 尺寸上向微型化方向发展。 若结合煤矿机器人的设计要求，相信仿生煤矿机器人在煤矿救援方面具有广泛的应用前景。

（2）多信息技术融合化和智能化。对机器人无论采用有线或无线遥控控制，在探测救援过程中都有一定的局限性，只有实现机器人的完全自主运动，才能更好的完成探测救援任务。融合人机交换、路径规划技术、导航定位技术、视觉实时处理技术、车体控制技术和人工智能等针对灾区现场环境的技术，实现救援机器人自主规划路径，自主导航定位探索移动到指定区域，完成探测救援任务。实现机器人完全自主运动，对提升探测救援水平具有重要影响。

（3）多机器人系统群体协作化。与单个机器人相比，多机器人相互协作能完成单个机器人所不能完成的、 比较复杂的探测救援任务， 具有很大的优越性。 随着科技的发展， 机器人群体可以组建成一支救援队，同时进入灾区，各自完成任务。一些机器人执行探测任务， 一些机器人进行救援工作，彼此之间传递信息。多个机器人通过控制指令将给定探测救援任务分成若干个子任务。机器人之间协作执行任务，提高了探测救援的效率。机器人的尺寸大小、性能均针对所具体执行任务而专门设计。

5 结束语

我国煤矿事故频发，而灾后的救援工作又十分困难和危险，为了保证救护队员的人身安全和救援的有效性，对于煤矿探测救援机器人的研究显得尤为重要。加大对煤矿探测救援机器人的科研力度，能促进井下救灾体系的建立，对我国具有深远的现实意义和战略意义。