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(nèi)外煤礦探測救援機器人研究現(xiàn)狀的基礎上,，擬出了需要解決的關鍵技術,，并對其應用前景進行了探討,，提出了探測救援機器人今后的發(fā)展方向，以期為之后進一步深入研究提供借鑒。

關鍵詞：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，在煤炭資源的開采過程中,，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技術管理不善,。礦難發(fā)生后，如何及時,、迅速地開展救援工作,、發(fā)現(xiàn)被困礦工是提升救援水平的有效途徑。但災后井下隨時可能發(fā)生次生災害,，救護人員直接進入災區(qū),，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(shù)以及進行輔助救援的煤礦探測救援機器人具有極其重要的現(xiàn)實意義,。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)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(gòu)和高校院所相繼開發(fā)出多款煤礦機器人,。美國智能系統(tǒng)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(qū)現(xiàn)場環(huán)境信息。該機器人本體攜帶有陀螺儀,、危險氣體傳感器,、主動紅外攝像機和無線射頻收發(fā)器等，最遠無線遙控操作距離為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(jiān)控）,、氣體傳感器,、機械臂,，同時機器人具有夜視能力和兩路語音通訊系統(tǒng)?？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時畫面和讀取相關氣體濃度,。國內(nèi)對煤礦探測救援機器人的研究起步較晚,，但經(jīng)過數(shù)年的努力也取得了一定的研究成果。2009年,，山東省自動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(jié)合多種防爆技術,，采用光纖通訊技術，實現(xiàn)井下環(huán)境實時視頻傳輸,。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,，填補了全球煤礦救援探測機器人領域的空白,，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入的區(qū)域,，在高溫,、高壓、水災,、火災等環(huán)境中亦可使用,。通過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 擬解決關鍵技術

（1）移動機構(gòu),。研究移動機構(gòu)是研究煤礦探測救援機器人的前提和重點。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)境將會變得非常惡劣。在這種未知的,、非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境下,，機器人只有具備快速平穩(wěn)地移動能力、良好的機動性以及一定的越障能力,，才能快速進入到災區(qū)現(xiàn)場完成探測救援任務,。目前，為了更好地滿足機器人的移動性能需求,，交叉結(jié)合履帶式機器人地形適應能力強,、輪式機器人結(jié)構(gòu)簡單和重量輕、腿式機器人越障能力強等各自的特點,，國內(nèi)外已開發(fā)出輪式結(jié)合腿式,、履帶式結(jié)合腿式等多種復合式機器人，但結(jié)構(gòu)復雜,。

（2）自主導航定位,。自主導航定位是移動機器人實現(xiàn)實用化的關鍵。當前,，能適用于礦井的定位技術有里程計,、慣性導航、路標導航,、地圖模型匹配和仿生導航等技術,，其中仿生導航技術包括視覺、聲音和氣味導航技術,。為了滿足礦井救災的有效性,，移動機器人的導航定位須具有高精度、實時性,、自主性等性能,。多傳感器的信息融合技術能夠很好的彌補各個傳感器之間的不足，完成在復雜,、動態(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(guī)劃技術,。路徑規(guī)劃是移動機器人導航與控制的基礎。工程實際情況中將路徑規(guī)劃方法分為兩大類：①環(huán)境信息是靜態(tài)的,、已知的全局路徑規(guī)劃,；②環(huán)境信息是動態(tài)變化的或不完全已知的局部路徑規(guī)劃。由于全局路徑規(guī)劃只能生成從起始點到目標點的粗略路徑,，而探測救援機器人在執(zhí)行任務過程中,，會碰到未知路障,、道路過窄等不可測的情況，此時機器人須結(jié)合局部環(huán)境信息和自身狀態(tài)信息進行局部規(guī)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(shù)據(jù)的直接規(guī)劃法,、勢場法,、柵格法,、模糊邏輯法和神經(jīng)網(wǎng)絡法等,。

（4）整體防爆防水安全設計。災后的礦井隨時可能再次發(fā)生頂板冒落,，巷道側(cè)壁片幫等特殊情況,，為了避免機器人因受外力致使機構(gòu)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(gòu)及電路設計應具備安全保護功能,。應滿足：①在受到強壓力失爆時，自動切斷電源供給,；②系統(tǒng)電路設計滿足本質(zhì)安全要求,；③非金屬材料必須抗靜電的相關規(guī)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(gòu)的密封性,，確保電路系統(tǒng)安全運行,。

（5）動力源。動力源受限是制約自主機器人高效完成任務的因素之一,。較長的續(xù)航時間能長時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(gòu)成機器人多能源動力系統(tǒng)，具有能量密度高,、充放電能快和安全高等優(yōu)點,；②采用柴油機作為動力源具有功率大、動力性能好,、越障能力強,、續(xù)航時間長等優(yōu)點。但車體體積將會增大,，不利于在狹小空間中移動獲取環(huán)境信息及執(zhí)行救援任務,；③采用有線或無線進行能源補給，有線方式即使用導線對機器人供能,，但救援距離受限,；采用無線方式進行供能的可行性關鍵在于能否找到集成到機器人車體上的高能蓄電池,。

3 煤礦探測救援機器人的應用探討

多年來，我國在煤礦探測救援機器人方面取得了不錯成果,，研制出來的一些機器人可隨時進入井下執(zhí)行任務,。以下對其在具體領域的應用進行相關探討。

（1）廢舊,、不明礦井的探測與開發(fā),。多年來，在煤炭資源的開采過程中,，形成了大量井下采空區(qū)即廢舊礦井,。如何開發(fā)利用這些礦井是當前面臨的挑戰(zhàn)，廢舊礦井井下環(huán)境未知,， 隨時可能發(fā)生瓦斯爆炸,、塌方等事故。使用煤礦移動機器人代替人工對井下環(huán)境進行探測是當前開發(fā)利用廢舊礦井的發(fā)展方向,。另外,，機器人還可以進入一些不明礦井通過自身攜帶的傳感器進行環(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,，為能否開發(fā)利用該礦井提供技術支持。

（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)中最常見的事故,。災后造成極度復雜的井下環(huán)境，因此必須使用專門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入災區(qū),， 進行環(huán)境、 生命探測,， 準確發(fā)現(xiàn)被壓礦工所在位置,， 為營救礦工爭取時間。透水也是比較常見的礦難之一,，往往造成大事故或重大事故,。具備防水能力的煤礦移動機器人能攜帶某種通訊設備（如電話線）進入災區(qū)，使地面控制中心與被困礦工取得聯(lián)系,，進一步了解井下環(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業(yè)隊伍前往第一現(xiàn)場參與救援工作,。但救護隊員的人身安全誰來保證？據(jù)統(tǒng)計,，礦難中的死亡人數(shù),，部分來自救護隊員。因此,，給礦山救護隊配備一定數(shù)量的煤礦機器人,，部分代替救護隊員進行環(huán)境探測和救援能減少救護隊員的死亡人數(shù)。

4 煤礦探測救援機器人的發(fā)展趨勢

當前,，國內(nèi)外許多科研機構(gòu)都致力于有關煤礦探測救援機器人的研究,，進行機器人共性技術研究，發(fā)展趨勢如下：

（1）移動機構(gòu)仿生化,。為了適應惡劣的災難環(huán)境，要求機器人具有可靠,、靈活的移動機構(gòu),，同時須具備輕量化、低能耗,、 良好的移動穩(wěn)定性,、一定的越障能力等特點。目前已研制出輪式,、腿式,、履帶式、復合式以及仿生式等移動機構(gòu),，其中復合式移動機構(gòu)的越障能力很強,，但機械結(jié)構(gòu)相對復雜。研究仿生結(jié)構(gòu)是移動機構(gòu)未來重點研究方向,，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(jié)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）多信息技術融合化和智能化,。對機器人無論采用有線或無線遙控控制，在探測救援過程中都有一定的局限性,，只有實現(xiàn)機器人的完全自主運動,，才能更好的完成探測救援任務,。融合人機交換、路徑規(guī)劃技術,、導航定位技術,、視覺實時處理技術、車體控制技術和人工智能等針對災區(qū)現(xiàn)場環(huán)境的技術,，實現(xiàn)救援機器人自主規(guī)劃路徑,，自主導航定位探索移動到指定區(qū)域，完成探測救援任務,。實現(xiàn)機器人完全自主運動,，對提升探測救援水平具有重要影響。

（3）多機器人系統(tǒng)群體協(xié)作化,。與單個機器人相比,，多機器人相互協(xié)作能完成單個機器人所不能完成的、 比較復雜的探測救援任務,， 具有很大的優(yōu)越性,。 隨著科技的發(fā)展， 機器人群體可以組建成一支救援隊,，同時進入災區(qū),，各自完成任務。一些機器人執(zhí)行探測任務,， 一些機器人進行救援工作,，彼此之間傳遞信息。多個機器人通過控制指令將給定探測救援任務分成若干個子任務,。機器人之間協(xié)作執(zhí)行任務,，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(zhí)行任務而專門設計,。

5 結(jié)束語

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,，能促進井下救災體系的建立,，對我國具有深遠的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。