对矿难救援机器人的研究及应用现状

徐东赞

摘要：矿难救援机器人的研发具有非常深远的影响和现实意义。在介绍国内外救援机器人研究及应用现状的基础上，分析了矿难救援机器人的移动机构、通信方式、环境信息获取与导航、生命特征检测以及人机交互系统等关键技术的研究现状及其发展趋势。

引言

我国是世界产煤大国，由于作业设备与工艺相对落后，管理水平欠缺等原因，各类矿难事故频繁发生，导致煤矿事故死亡人数居世界首位。今年来由于国内对煤炭需求的不断增加，煤炭企业超负荷运转，导致煤炭生产的安全形势仍有进一步恶化的趋势。

死亡率居高不下的原因除了机械化程度低、煤层地质结构复杂、高瓦斯矿井多等原因之外，矿难救援水平落后也是一个不可忽略的重要因素。事故发生后无法迅速准确地得到灾难现场的信息，如瓦斯浓度的高低，灾难现场是否发生火灾、被困或遇难人员的位置以及现场温度、氧气含量、一氧化碳等有害气体的含量、现场倒塌状况等，从而延误了救援工作的开展。矿难救援机器人可有效地解决这些问题。

本文在分析国内外救援机器人研究及应用现状的基础上，提出了矿难救援机器人的关键技术问题和发展趋势，并对所开发的矿难救援机器人进行了介绍。

1.国内外研究与应用现状

近10年多来，日本、美国等发达国家在地震、火灾等救援机器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各种可用于灾难现场救援的机器人。有关日本研究成功各类救援机器人的报道很多，这些新研制的救援机器人仍处于实验室阶段，大多都没有得到救援现场的实际考验。虽然美国、日本等西方发达国家近年来在救援机器人的研究方面做了大量工作，取得了不少的研究成果，但重点放在了地震、火灾等救援机器人的研究工作上。究其原因在于近十年来其煤矿安全状况的大大改善。目前，美、英、德、澳等发达国家已基本消灭了矿难重大死亡事故。尽管如此，美国等国家在矿难救援机器人的研究方面投入了不少的精力。

我国目前有不少高校和科研院所在从事机器人的研究工作，部分成果如焊接和喷涂等机器人已进入实用阶段。在矿难救援方面也有单位在进行救援机器人和非接触式只能Ic卡救援系统等方面的研究工作。目前，国内还没有搜救机器人用于灾难救援的报道。

2.矿难救援机器人关键技术及发展趋势

移动性是救援机器人开展搜救工作的基础和前提，搜救机器人主要有履带式搜救机器人、可变形搜救机器人以及仿生搜救机器人等。但由于矿难发生的采掘工作面通常离升井口或地面有很远距离，加之矿难发生后由于爆炸而使矿井坑道路况变坏，因此，运动速度相对较慢，无法搭载过多传感器的小型仿生机器人并不太适合矿难的救援工作，传统的轮履式或可变形轮履式一定平台仍然是矿难救援机器人移动平台的最佳选择。机器人与操作者之间常用的通信方式有无线和电缆两种。电缆方式可以通过线缆方便地为机器人提供能量，稳定可靠地实现机器人和操作者之间的信息传送，但随着搜索范围的深入，线缆很容易发生缠绕而影响机器人的移动，无线通信方式的稳定性较难保证。

搜救机器人的主要工作就是通过传感器实现自身的导航、环境信息的获取以及幸存人员的搜寻。目前搜救机器人主要采用人工控制方式来实现机器人的导航。被困人员的搜寻时搜寻机器人的最主要任务，目前通常通过对视频图像的监测来识别是否有被困人员，但由于被困人员身上被灰尘所覆盖，传统的彩色图像分割和区域监测方法通常会失效。发现被困人员后需要迅速判断是否还活着，生命体征监测装置的研制近年来成了研究的热点。

在灾难现场，搜救机器人的操作者精神高度紧张且需要长时间连续高负荷工作，因此良好的人际交互系统是提高搜救效率、减轻救援人员工作强度的保证。

3.矿难救援机器人的开发研究

3.1.机器人移动平台设计

考虑到难发生后由于爆炸而使得矿井坑道变坏，机器人必须具有很强的爬坡、越障、防倾覆等能力，机器人采用履带式结构，采用蓄电池供电，直流电机驱动。机器人机体使用铝合金铆焊而成，结构设计合理，具有较强的抗颠覆能力、爬坡能力和承载能力。

3.2.传感检测装置

设计采用专有传感器搭载平台，机器人配有网络摄像头，照明设备，超声传感器，气体传感器，麦克风等。摄像头获取的井下信息通过光纤传送到地面指挥中心的主控制器，机器人操作者可根据传回的视频信息了解井下的有关情况、发现幸存者以及对机器人运动的控制等；超声传感器主要用于机器人的避障；麦克风用来检测井下呻吟或呼救声以便发现幸存者：气体传感器用于检测井下有关气体的含量，以便地面指挥中心对井下状况作出准确的判断。

3.3.机器人与主控单元的通信

机器人与主控单元通信可采用无线方式和光纤电缆方式。考虑到矿难现场环境的复杂性，本系统不追求系统的告诉自治，通过机器人操作者来控制机器人的移动。前端机器人的控制由嵌入式RAM系统来完成，在检测到故障物后机器人会自动避让，实现了局部自治加人工手动控制结合的机器人控制，机器人控制界面友好，操作方便灵活。

4.结语

矿难救援机器人的研发具有非常深远影响和现实意义，必将在矿难救援工作中发挥不可替代的积极作用，产生良好的经济效益。矿难现场的复杂性对搜救机器人在硬件和软件2个方面都提出了很高的要求。