礦難救援機器人的發展應用現狀與未來趨勢

□陳升

東北林業大學機電工程學院 哈爾濱 150040

礦難救援機器人的發展應用現狀與未來趨勢

□陳升

東北林業大學機電工程學院 哈爾濱 150040

礦難每年給世界帶來大量的經濟損失與人員傷亡。介紹了礦難救援的危險性及礦難救援機器人在救災上的可行性，分析了國內外救援機器人的發展現狀與應用，展望了未來礦難救援機器人的發展趨勢與方向。隨著國家的日益重視以及資金的大量投入，礦難救援機器人的研發成果必定會切實保障煤礦工人的人身安全，并帶來可觀的經濟效益。

礦難 救援機器人 發展現狀 趨勢

目前，全世界每年都遭遇著大大小小的災難，從地震、海嘯、礦難到火災，無一不肆意威脅、掠奪著人民的生命和財產。對于各種自然災害，各國人民只能做到盡力預防以減少災難所直接帶來的危害和損失，但災后的救援工作往往是決定災難帶來損失多少的關鍵因素。以礦難為例，在實施救援過程中，幸存者若在兩天時間內得不到及時救助，死亡概率就會大大增加［1］。我國是世界產煤大國之一，但由于挖礦設備以及管理水平發展比較落后，時常有各種礦難發生，使礦難傷亡總人數位居世界首位［2］。隨著經濟的飛速發展，對煤等礦產資源的需求也日益增多，一定程度上增加了煤礦生產的壓力，使安全生產更加不受保障。人力的局限、環境的危險性和不可控性以及對煤礦需求的劇增，使救援機器人成為替代傳統救援工作的較佳選擇。

1 救援機器人的必要性和可行性

1.1 救援機器人在礦難救援中的優勢

（1）體積小巧，質量較輕，在坍塌現場，相比較于搜救犬和救援人員，引起二次危害發生的幾率較小。

（2）能輕易地進入礦區深部危險區，拍攝詳細的資料提供給研究者更全面的信息。

（3）能無條件、不停地做簡單重復的救援任務，不會產生疲勞感。

（4）不用擔心接觸有毒物質和發生爆炸等。

1.2 礦難救援災難現場存在的危險因素

在礦難發生坍塌后的救援過程中，救援現場危險因素主要有以下幾點。

（1）結構疏松不牢固。在發生重大礦難事故后，原本牢固的礦床由于爆炸等原因，遭到不同程度的破壞，發生了結構改變，所以，當救援人員或搜救犬進入事故現場時，可能會發生二次坍塌，使救援工作變得復雜困難，甚至對救援人員人身造成傷害，使損失加劇。

（2）環境的不確定性。通常情況下，進行挖礦作業的工人都是在地表下工作，除了熟知的缺氧環境外，還有更多的不可控因素。礦難發生之后，由于不確定工作現場的環境，危險性增加，救援人員如果穿戴各種防護服，勢必造成行動上的不便。

據美國救援辦公室記錄的數據，一名幸存者被從封閉的狹窄空間救援出來，大概需要十個救援人員花費四個小時［3］。而利用救援機器人獨具的優勢，可完成救援人員很難完成甚至不可能完成的救援任務。

2 礦難救援機器人的發展現狀與應用

2001年美國“911”事件的發生，使世界各國意識到救援機器人在災難救援過程中的重要性，開始將救援機器人投入實際應用階段。經過十多年的不斷實踐與應用，救援機器人取得了很大的進步，但同時在救援過程中也暴露出一系列的問題。

2.1 國外礦難救援機器人的發展現狀

歐美、日本等發達國家對礦難救援機器人的研究起步較早，在“911”事件中，原本一直致力于實驗室研究的救援機器人，開始投入實用，這是救援機器人參加的第一次救援活動。之后，救援機器人吸引了許多科技大公司、高等院校及企業的注意，開始投入研究的資金也日益增多。

在發達國家對救援機器人的開發時間較早，重大礦難已差不多被消滅，但對礦難救援機器人的研發并沒有就此止步，近年來仍取得了一系列研究成果。

美國卡內基梅隆大學研發的機器人Groundhog［4］如圖1所示，利用液壓系統作為動力，采用激光技術來測距的傳感器，配有陀螺儀及在黑夜環境下工作的攝像機，能夠比較準確地反映礦難現場的環境，同時，建立礦床的3D模型供救援人員參考［5］。

日本大阪大學研發的蛇形機器人［6］如圖2所示，此類機器人身長較長，約有8 m，但直徑卻很小，只有不到幾英寸，利用電動機作為原始動力，推動其向前行進，由于其身形較小，能通過相對較小的狹縫進入救援人員進不去的地方，利用被安裝在頭部的攝像機將礦區的受災情況拍攝下來供研究人員參考。

2.2 國內救援機器人的發展現狀

國內的礦難救援機器人發展起步較晚，但隨著國家重視程度的不斷提高，資金的投入越來越多，取得了一系列豐碩的成果。如：凱信集團與沈陽自動化研究所共同研發的煤礦救援探測機器人［7］，如圖3所示；唐山開誠電器研發的礦用探測機器人［8］，如圖4所示。

2.3 國內外救援機器人的應用及其問題

近年來，世界各國在礦難救援機器人的研究上，雖取得不少成就，但出現的問題也不容忽視。如：2006年發生在美國的西弗吉尼亞礦難，2010年發生在中國山西的王家嶺特大礦難，以及同年發生在新西蘭的派克礦難等［9］，都或多或少與機器人在救援過程中出現的故障有關，從而使救援工作在一定程度上受阻。

3 未來救援機器人的發展趨勢與研究方向

從發生礦難的例子看出，目前礦難救援機器人在進行救援的過程中還是會面臨一系列的難題，如不能連續地避開各種障礙物；遇水遇爆炸等可能發生短路而不能繼續工作；不能很好地跟救援人員發生互動；救援過程中總是單個機器人獨立地進行工作，缺乏合作性等，這些難題都是未來礦難救援機器人急需解決的。綜合以上的各種事例，礦難救援機器人未來的研究方向與發展趨勢大致如下。

（1）機器人運動結構。在礦難救援現場，由于地底下地形較之于地表復雜，所以要更加合理地設計礦難救援機器人的運動結構，使其更加平穩地行進；增強越過障礙的能力，達到更快、更準確地搜救出被困的采礦工作者。

（2）單個機器人向多個機器人的轉變。在較為嚴重的礦難事故中，救援任務往往比較繁重，單個機器人往往無法及時完成，而多個機器人協調合作，使搜救范圍變廣，救援效率也更高，具有更強的救援優勢。

（3）由“搜”轉變為“搜救”。目前的礦難救援機器人，往往都是搜出受困傷員，探測出其是否有生命跡象，然后將信息反饋給救援人員，在這個過程中需要花費一定的時間。因此，研究出在搜到生命特征體之后由多個機器人合作將其迅速高效地救出現場的系統顯得尤為重要。

（4）人機互動。在災難現場，礦難救援機器人及時將信息準確地向救援人員反映，以便救援人員更好更快地控制機器人的動向，力求達到人機反應基本一致，以縮短救援時間。

▲圖1 Groundhog礦井探測機器人

▲圖2 蛇形機器人

▲圖3 凱信集團與沈陽自動化研究所研發的探測機器人

▲圖4 開誠電器公司研發的機器人

4 結束語

目前，世界各國對礦難救援機器人的研究已達到一定水平，但各方面仍存在一系列問題需要研究人員努力完善。伴隨著未來科技的智能化和多元化，礦難救援機器人在不久的將來，定會為煤礦的安全生產帶來切實保障，為世界帶來巨大的經濟效益。

［1］李斌.蛇形機器人的研究及在災難救援中的應用［J］.機器人技術與應用，2003（3）：22-26.

［2］王忠明，劉軍，竇智，等.礦難救援機器人的研究應用現狀與開發［J］.煤礦機械，2007（11）：6-8.

［3］董曉坡，王緒本.救援機器人的發展及其在災害救援中的應用［J］.防災減災工程學報，2007（1）：112-117.

［4］朱華.礦井救災機器人研究現狀及需要重點解決的技術問題［J］.徐州工程學院學報，2007（6）：5-8.

［5］Baker C，Morris A，Ferguson D.A Campaign in Autonomous Mine Mapping［C］.Proceedings of The IEEE International Conference on Robotics and Automation（ICRA），New Orleans，LA，2004.

［6］7個日本地震營救機器人［J］.今日科技，2011（3）：54-55.

［7］煤礦井下探測機器人獲國際制博會特別獎［J］.地質裝備，2010（6）：7-8.

［8］王爭.井下探測機器人控制系統研制及其運動性能分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.

［9］齊帥，李寶林，程巖.煤礦救援機器人研究應用現狀和需解決的問題［J］.礦山機械，2012（6）：7-10.

（編輯 小 前）

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1000-4998（2015）04-0086-02

2014年10月