摘 要：論文提出了研究煤礦探測救援機(jī)器人的必要性，在介紹國內(nèi)外煤礦探測救援機(jī)器人研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，擬出了需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了探討，提出了探測救援機(jī)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(jī)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(shù)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(zāi)后井下隨時可能發(fā)生次生災(zāi)害，救護(hù)人員直接進(jìn)入災(zāi)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(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(shù)以及進(jìn)行輔助救援的煤礦探測救援機(jī)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(jī)器人的研究，歐美國家起步較早，多家科研機(jī)構(gòu)和高校院所相繼開發(fā)出多款煤礦機(jī)器人。美國智能系統(tǒng)和機(jī)器人中心研發(fā)的RATLER礦井探索機(jī)器人如圖1所示，用于探測礦井災(zāi)區(qū)現(xiàn)場環(huán)境信息。該機(jī)器人本體攜帶有陀螺儀、危險氣體傳感器、主動紅外攝像機(jī)和無線射頻收發(fā)器等，最遠(yuǎn)無線遙控操作距離為76m。Remotec 公司制造的V2 煤礦救援機(jī)器人如圖2所示，配備有攝像機(jī)（用于導(dǎo)航和監(jiān)控）、氣體傳感器、機(jī)械臂，同時機(jī)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(yuǎn)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(guān)氣體濃度。國內(nèi)對煤礦探測救援機(jī)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(jī)器人如圖3所示。該機(jī)器人裝有生命探測儀、音頻設(shè)備、紅外攝像頭、探測傳感器、機(jī)械臂等，結(jié)合多種防爆技術(shù)，采用光纖通訊技術(shù)，實現(xiàn)井下環(huán)境實時視頻傳輸。2010年，凱信集團(tuán)研發(fā)完成煤礦救援探測機(jī)器人如圖4所示。該機(jī)器人具備輕量化、模塊化、越障能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點，填補(bǔ)了全球煤礦救援探測機(jī)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(jī)器人能夠到達(dá)救護(hù)隊員所不能進(jìn)入的區(qū)域，在高溫、高壓、水災(zāi)、火災(zāi)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(guān)鍵技術(shù)

（1）移動機(jī)構(gòu)。研究移動機(jī)構(gòu)是研究煤礦探測救援機(jī)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(zāi)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(jī)器人只有具備快速平穩(wěn)地移動能力、良好的機(jī)動性以及一定的越障能力，才能快速進(jìn)入到災(zāi)區(qū)現(xiàn)場完成探測救援任務(wù)。目前，為了更好地滿足機(jī)器人的移動性能需求，交叉結(jié)合履帶式機(jī)器人地形適應(yīng)能力強(qiáng)、輪式機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單和重量輕、腿式機(jī)器人越障能力強(qiáng)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(fù)合式機(jī)器人，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

（2）自主導(dǎo)航定位。自主導(dǎo)航定位是移動機(jī)器人實現(xiàn)實用化的關(guān)鍵。當(dāng)前，能適用于礦井的定位技術(shù)有里程計、慣性導(dǎo)航、路標(biāo)導(dǎo)航、地圖模型匹配和仿生導(dǎo)航等技術(shù)，其中仿生導(dǎo)航技術(shù)包括視覺、聲音和氣味導(dǎo)航技術(shù)。為了滿足礦井救災(zāi)的有效性，移動機(jī)器人的導(dǎo)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(shù)能夠很好的彌補(bǔ)各個傳感器之間的不足，完成在復(fù)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(shù)。路徑規(guī)劃是移動機(jī)器人導(dǎo)航與控制的基礎(chǔ)。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(biāo)點的粗略路徑，而探測救援機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)過程中，會碰到未知路障、道路過窄等不可測的情況，此時機(jī)器人須結(jié)合局部環(huán)境信息和自身狀態(tài)信息進(jìn)行局部規(guī)劃路徑，方能達(dá)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(luò)法等。

（4）整體防爆防水安全設(shè)計。災(zāi)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(jī)器人因受外力致使機(jī)構(gòu)損壞或發(fā)生故障，以致產(chǎn)生火花引發(fā)次生災(zāi)害，機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)及電路設(shè)計應(yīng)具備安全保護(hù)功能。應(yīng)滿足：①在受到強(qiáng)壓力失爆時，自動切斷電源供給；②系統(tǒng)電路設(shè)計滿足本質(zhì)安全要求；③非金屬材料必須抗靜電的相關(guān)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(yīng)用于透水事故中的機(jī)器人還須具備防水能力，保證機(jī)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(jī)器人高效完成任務(wù)的因素之一。較長的續(xù)航時間能長時間保證機(jī)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(jī)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(jī)作為動力源具有功率大、動力性能好、越障能力強(qiáng)、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(wù)；③采用有線或無線進(jìn)行能源補(bǔ)給，有線方式即使用導(dǎo)線對機(jī)器人供能，但救援距離受限；采用無線方式進(jìn)行供能的可行性關(guān)鍵在于能否找到集成到機(jī)器人車體上的高能蓄電池。

3 煤礦探測救援機(jī)器人的應(yīng)用探討

多年來，我國在煤礦探測救援機(jī)器人方面取得了不錯成果，研制出來的一些機(jī)器人可隨時進(jìn)入井下執(zhí)行任務(wù)。以下對其在具體領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)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(dāng)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(jī)器人代替人工對井下環(huán)境進(jìn)行探測是當(dāng)前開發(fā)利用廢舊礦井的發(fā)展方向。另外，機(jī)器人還可以進(jìn)入一些不明礦井通過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)中最常見的事故。災(zāi)后造成極度復(fù)雜的井下環(huán)境，因此必須使用專門為之設(shè)計的具有強(qiáng)越障能力的煤礦機(jī)器人。這樣有利于機(jī)器人迅速進(jìn)入災(zāi)區(qū)， 進(jìn)行環(huán)境、 生命探測， 準(zhǔn)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(jī)器人能攜帶某種通訊設(shè)備（如電話線）進(jìn)入災(zāi)區(qū)，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(hù)隊。目前在我國一旦發(fā)生礦難，礦山救護(hù)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(hù)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(hù)隊員。因此，給礦山救護(hù)隊配備一定數(shù)量的煤礦機(jī)器人，部分代替救護(hù)隊員進(jìn)行環(huán)境探測和救援能減少救護(hù)隊員的死亡人數(shù)。

4 煤礦探測救援機(jī)器人的發(fā)展趨勢

當(dāng)前，國內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)都致力于有關(guān)煤礦探測救援機(jī)器人的研究，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)研究，發(fā)展趨勢如下：

（1）移動機(jī)構(gòu)仿生化。為了適應(yīng)惡劣的災(zāi)難環(huán)境，要求機(jī)器人具有可靠、靈活的移動機(jī)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(fù)合式以及仿生式等移動機(jī)構(gòu)，其中復(fù)合式移動機(jī)構(gòu)的越障能力很強(qiáng)，但機(jī)械結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。研究仿生結(jié)構(gòu)是移動機(jī)構(gòu)未來重點研究方向，某些科研單位已研制出蛇形機(jī)器人、機(jī)器蒼蠅、機(jī)器蜘蛛等中小型機(jī)器人， 尺寸上向微型化方向發(fā)展。 若結(jié)合煤礦機(jī)器人的設(shè)計要求，相信仿生煤礦機(jī)器人在煤礦救援方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

（2）多信息技術(shù)融合化和智能化。對機(jī)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(jī)器人的完全自主運動，才能更好的完成探測救援任務(wù)。融合人機(jī)交換、路徑規(guī)劃技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)、視覺實時處理技術(shù)、車體控制技術(shù)和人工智能等針對災(zāi)區(qū)現(xiàn)場環(huán)境的技術(shù)，實現(xiàn)救援機(jī)器人自主規(guī)劃路徑，自主導(dǎo)航定位探索移動到指定區(qū)域，完成探測救援任務(wù)。實現(xiàn)機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)群體協(xié)作化。與單個機(jī)器人相比，多機(jī)器人相互協(xié)作能完成單個機(jī)器人所不能完成的、 比較復(fù)雜的探測救援任務(wù)， 具有很大的優(yōu)越性。 隨著科技的發(fā)展， 機(jī)器人群體可以組建成一支救援隊，同時進(jìn)入災(zāi)區(qū)，各自完成任務(wù)。一些機(jī)器人執(zhí)行探測任務(wù)， 一些機(jī)器人進(jìn)行救援工作，彼此之間傳遞信息。多個機(jī)器人通過控制指令將給定探測救援任務(wù)分成若干個子任務(wù)。機(jī)器人之間協(xié)作執(zhí)行任務(wù)，提高了探測救援的效率。機(jī)器人的尺寸大小、性能均針對所具體執(zhí)行任務(wù)而專門設(shè)計。

5 結(jié)束語

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