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；發展方向

0 引言

我國煤炭資源豐富,是世界上最大的生產國和消費國。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生。究其主要原因：①煤層地質條件差；②高瓦斯礦偏多；③作業水平低；④技術管理不善。礦難發生后，如何及時、迅速地開展救援工作、發現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生次生災害，救護人員直接進入災區，人身安全得不到保障。因此，研發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、濕度等環境參數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實意義。

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發出多款煤礦機器人。美國智能系統和機器人中心研發的RATLER礦井探索機器人如圖1所示，用于探測礦井災區現場環境信息。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。可在1500m以外的安全位置遠程遙控，使用光纖通訊傳送礦井環境信息，控制室能夠看到井下實時畫面和讀取相關氣體濃度。國內對煤礦探測救援機器人的研究起步較晚，但經過數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，結合多種防爆技術，采用光纖通訊技術，實現井下環境實時視頻傳輸。2010年，凱信集團研發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境探測和救援。機器人能夠到達救護隊員所不能進入的區域，在高溫、高壓、水災、火災等環境中亦可使用。通過傳感器可以獲取多種有害氣體濃度、環境溫度及被困礦工位置等。

2 擬解決關鍵技術

（1）移動機構。研究移動機構是研究煤礦探測救援機器人的前提和重點。一旦礦井發生瓦斯煤塵爆炸、冒頂片幫、火災等事故，井下環境將會變得非常惡劣。在這種未知的、非結構化的環境下，機器人只有具備快速平穩地移動能力、良好的機動性以及一定的越障能力，才能快速進入到災區現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，交叉結合履帶式機器人地形適應能力強、輪式機器人結構簡單和重量輕、腿式機器人越障能力強等各自的特點，國內外已開發出輪式結合腿式、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機器人實現實用化的關鍵。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、動態及不確定性環境下的自主性，能比較完整、精確地反映井下環境特征。

（3）路徑規劃技術。路徑規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劃方法分為兩大類：①環境信息是靜態的、已知的全局路徑規劃；②環境信息是動態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到目標點的粗略路徑，而探測救援機器人在執行任務過程中，會碰到未知路障、道路過窄等不可測的情況，此時機器人須結合局部環境信息和自身狀態信息進行局部規劃路徑，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、勢場法、柵格法、模糊邏輯法和神經網絡法等。

（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生故障，以致產生火花引發次生災害，機器人整體機構及電路設計應具備安全保護功能。應滿足：①在受到強壓力失爆時，自動切斷電源供給；②系統電路設計滿足本質安全要求；③非金屬材料必須抗靜電的相關規定；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。較長的續航時間能長時間保證機器人正常工作。例如：①質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力系統，具有能量密度高、充放電能快和安全高等優點；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、續航時間長等優點。但車體體積將會增大，不利于在狹小空間中移動獲取環境信息及執行救援任務；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。多年來，在煤炭資源的開采過程中，形成了大量井下采空區即廢舊礦井。如何開發利用這些礦井是當前面臨的挑戰，廢舊礦井井下環境未知， 隨時可能發生瓦斯爆炸、塌方等事故。使用煤礦移動機器人代替人工對井下環境進行探測是當前開發利用廢舊礦井的發展方向。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境探測，并將采集到的瓦斯、CO濃度，環境溫度，井下環境圖像等信息發送到地面信息中心，供工作人員研究分析，為能否開發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中最常見的事故。災后造成極度復雜的井下環境，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， 進行環境、 生命探測， 準確發現被壓礦工所在位置， 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，使地面控制中心與被困礦工取得聯系，進一步了解井下環境及礦工身體狀況，為制定救援方案提供可靠信息。

（3）礦山救護隊。目前在我國一旦發生礦難，礦山救護隊作為唯一的專業隊伍前往第一現場參與救援工作。但救護隊員的人身安全誰來保證？據統計，礦難中的死亡人數，部分來自救護隊員。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行環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展趨勢

當前，國內外許多科研機構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，發展趨勢如下：

（1）移動機構仿生化。為了適應惡劣的災難環境，要求機器人具有可靠、靈活的移動機構，同時須具備輕量化、低能耗、 良好的移動穩定性、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，其中復合式移動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機構未來重點研究方向，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現場環境的技術，實現救援機器人自主規劃路徑，自主導航定位探索移動到指定區域，完成探測救援任務。實現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）多機器人系統群體協作化。與單個機器人相比，多機器人相互協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， 具有很大的優越性。 隨著科技的發展， 機器人群體可以組建成一支救援隊，同時進入災區，各自完成任務。一些機器人執行探測任務， 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。機器人之間協作執行任務，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行任務而專門設計。

5 結束語

我國煤礦事故頻發，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實意義和戰略意義。