對礦難救援機(jī)器人的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

徐東贊

摘要：礦難救援機(jī)器人的研發(fā)具有非常深遠(yuǎn)的影響和現(xiàn)實(shí)意義。在介紹國內(nèi)外救援機(jī)器人研究及應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了礦難救援機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)、通信方式、環(huán)境信息獲取與導(dǎo)航、生命特征檢測以及人機(jī)交互系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢。

引言

我國是世界產(chǎn)煤大國，由于作業(yè)設(shè)備與工藝相對落后，管理水平欠缺等原因，各類礦難事故頻繁發(fā)生，導(dǎo)致煤礦事故死亡人數(shù)居世界首位。今年來由于國內(nèi)對煤炭需求的不斷增加，煤炭企業(yè)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致煤炭生產(chǎn)的安全形勢仍有進(jìn)一步惡化的趨勢。

死亡率居高不下的原因除了機(jī)械化程度低、煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高瓦斯礦井多等原因之外，礦難救援水平落后也是一個(gè)不可忽略的重要因素。事故發(fā)生后無法迅速準(zhǔn)確地得到災(zāi)難現(xiàn)場的信息，如瓦斯?jié)舛鹊母叩停瑸?zāi)難現(xiàn)場是否發(fā)生火災(zāi)、被困或遇難人員的位置以及現(xiàn)場溫度、氧氣含量、一氧化碳等有害氣體的含量、現(xiàn)場倒塌狀況等，從而延誤了救援工作的開展。礦難救援機(jī)器人可有效地解決這些問題。

本文在分析國內(nèi)外救援機(jī)器人研究及應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了礦難救援機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)問題和發(fā)展趨勢，并對所開發(fā)的礦難救援機(jī)器人進(jìn)行了介紹。

1.國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

近10年多來，日本、美國等發(fā)達(dá)國家在地震、火災(zāi)等救援機(jī)器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各種可用于災(zāi)難現(xiàn)場救援的機(jī)器人。有關(guān)日本研究成功各類救援機(jī)器人的報(bào)道很多，這些新研制的救援機(jī)器人仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，大多都沒有得到救援現(xiàn)場的實(shí)際考驗(yàn)。雖然美國、日本等西方發(fā)達(dá)國家近年來在救援機(jī)器人的研究方面做了大量工作，取得了不少的研究成果，但重點(diǎn)放在了地震、火災(zāi)等救援機(jī)器人的研究工作上。究其原因在于近十年來其煤礦安全狀況的大大改善。目前，美、英、德、澳等發(fā)達(dá)國家已基本消滅了礦難重大死亡事故。盡管如此，美國等國家在礦難救援機(jī)器人的研究方面投入了不少的精力。

我國目前有不少高校和科研院所在從事機(jī)器人的研究工作，部分成果如焊接和噴涂等機(jī)器人已進(jìn)入實(shí)用階段。在礦難救援方面也有單位在進(jìn)行救援機(jī)器人和非接觸式只能Ic卡救援系統(tǒng)等方面的研究工作。目前，國內(nèi)還沒有搜救機(jī)器人用于災(zāi)難救援的報(bào)道。

2.礦難救援機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

移動(dòng)性是救援機(jī)器人開展搜救工作的基礎(chǔ)和前提，搜救機(jī)器人主要有履帶式搜救機(jī)器人、可變形搜救機(jī)器人以及仿生搜救機(jī)器人等。但由于礦難發(fā)生的采掘工作面通常離升井口或地面有很遠(yuǎn)距離，加之礦難發(fā)生后由于爆炸而使礦井坑道路況變壞，因此，運(yùn)動(dòng)速度相對較慢，無法搭載過多傳感器的小型仿生機(jī)器人并不太適合礦難的救援工作，傳統(tǒng)的輪履式或可變形輪履式一定平臺仍然是礦難救援機(jī)器人移動(dòng)平臺的最佳選擇。機(jī)器人與操作者之間常用的通信方式有無線和電纜兩種。電纜方式可以通過線纜方便地為機(jī)器人提供能量，穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和操作者之間的信息傳送，但隨著搜索范圍的深入，線纜很容易發(fā)生纏繞而影響機(jī)器人的移動(dòng)，無線通信方式的穩(wěn)定性較難保證。

搜救機(jī)器人的主要工作就是通過傳感器實(shí)現(xiàn)自身的導(dǎo)航、環(huán)境信息的獲取以及幸存人員的搜尋。目前搜救機(jī)器人主要采用人工控制方式來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的導(dǎo)航。被困人員的搜尋時(shí)搜尋機(jī)器人的最主要任務(wù)，目前通常通過對視頻圖像的監(jiān)測來識別是否有被困人員，但由于被困人員身上被灰塵所覆蓋，傳統(tǒng)的彩色圖像分割和區(qū)域監(jiān)測方法通常會失效。發(fā)現(xiàn)被困人員后需要迅速判斷是否還活著，生命體征監(jiān)測裝置的研制近年來成了研究的熱點(diǎn)。

在災(zāi)難現(xiàn)場，搜救機(jī)器人的操作者精神高度緊張且需要長時(shí)間連續(xù)高負(fù)荷工作，因此良好的人際交互系統(tǒng)是提高搜救效率、減輕救援人員工作強(qiáng)度的保證。

3.礦難救援機(jī)器人的開發(fā)研究

3.1.機(jī)器人移動(dòng)平臺設(shè)計(jì)

考慮到難發(fā)生后由于爆炸而使得礦井坑道變壞，機(jī)器人必須具有很強(qiáng)的爬坡、越障、防傾覆等能力，機(jī)器人采用履帶式結(jié)構(gòu)，采用蓄電池供電，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人機(jī)體使用鋁合金鉚焊而成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，具有較強(qiáng)的抗顛覆能力、爬坡能力和承載能力。

3.2.傳感檢測裝置

設(shè)計(jì)采用專有傳感器搭載平臺，機(jī)器人配有網(wǎng)絡(luò)攝像頭，照明設(shè)備，超聲傳感器，氣體傳感器，麥克風(fēng)等。攝像頭獲取的井下信息通過光纖傳送到地面指揮中心的主控制器，機(jī)器人操作者可根據(jù)傳回的視頻信息了解井下的有關(guān)情況、發(fā)現(xiàn)幸存者以及對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制等；超聲傳感器主要用于機(jī)器人的避障；麥克風(fēng)用來檢測井下呻吟或呼救聲以便發(fā)現(xiàn)幸存者：氣體傳感器用于檢測井下有關(guān)氣體的含量，以便地面指揮中心對井下狀況作出準(zhǔn)確的判斷。

3.3.機(jī)器人與主控單元的通信

機(jī)器人與主控單元通信可采用無線方式和光纖電纜方式。考慮到礦難現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，本系統(tǒng)不追求系統(tǒng)的告訴自治，通過機(jī)器人操作者來控制機(jī)器人的移動(dòng)。前端機(jī)器人的控制由嵌入式RAM系統(tǒng)來完成，在檢測到故障物后機(jī)器人會自動(dòng)避讓，實(shí)現(xiàn)了局部自治加人工手動(dòng)控制結(jié)合的機(jī)器人控制，機(jī)器人控制界面友好，操作方便靈活。

4.結(jié)語

礦難救援機(jī)器人的研發(fā)具有非常深遠(yuǎn)影響和現(xiàn)實(shí)意義，必將在礦難救援工作中發(fā)揮不可替代的積極作用，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。礦難現(xiàn)場的復(fù)雜性對搜救機(jī)器人在硬件和軟件2個(gè)方面都提出了很高的要求。