摘 要：論文提出了研究煤礦探測(cè)救援機(jī)器人的必要性,，在介紹國(guó)內(nèi)外煤礦探測(cè)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(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了探討,，提出了探測(cè)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(cè),；救援；機(jī)器人,；發(fā)展方向

0 引言

我國(guó)煤炭資源豐富,是世界上最大的生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),。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(shí)、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(shí)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(cè)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(cè)救援機(jī)器人具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義,。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對(duì)于煤礦探測(cè)救援機(jī)器人的研究,，歐美國(guó)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(guó)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(cè)礦井災(zāi)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息。該機(jī)器人本體攜帶有陀螺儀,、危險(xiǎn)氣體傳感器,、主動(dòng)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(shí)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(shí)時(shí)畫面和讀取相關(guān)氣體濃度。國(guó)內(nèi)對(duì)煤礦探測(cè)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(dòng)化研究所成功研制具有生命探測(cè)功能的井下探測(cè)救援機(jī)器人如圖3所示,。該機(jī)器人裝有生命探測(cè)儀,、音頻設(shè)備、紅外攝像頭,、探測(cè)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(shí)現(xiàn)井下環(huán)境實(shí)時(shí)視頻傳輸。2010年,，凱信集團(tuán)研發(fā)完成煤礦救援探測(cè)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(diǎn)，填補(bǔ)了全球煤礦救援探測(cè)機(jī)器人領(lǐng)域的空白,，主要用于礦難后井下環(huán)境探測(cè)和救援,。機(jī)器人能夠到達(dá)救護(hù)隊(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu),。研究移動(dòng)機(jī)構(gòu)是研究煤礦探測(cè)救援機(jī)器人的前提和重點(diǎn),。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(huì)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(dòng)能力、良好的機(jī)動(dòng)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(chǎng)完成探測(cè)救援任務(wù),。目前,，為了更好地滿足機(jī)器人的移動(dòng)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(jiǎn)單和重量輕,、腿式機(jī)器人越障能力強(qiáng)等各自的特點(diǎn)，國(guó)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(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)實(shí)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(jì),、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(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航定位須具有高精度,、實(shí)時(shí)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(gè)傳感器之間的不足,，完成在復(fù)雜、動(dòng)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(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與控制的基礎(chǔ)。工程實(shí)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(dòng)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(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的粗略路徑,，而探測(cè)救援機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)過程中,，會(huì)碰到未知路障、道路過窄等不可測(cè)的情況,，此時(shí)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(shì)場(chǎng)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(jì),。災(zāi)后的礦井隨時(shí)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(jì)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(shí),，自動(dòng)切斷電源供給；②系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)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(yùn)行,。

（5）動(dòng)力源,。動(dòng)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(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間能長(zhǎng)時(shí)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(dòng)力系統(tǒng),，具有能量密度高、充放電能快和安全高等優(yōu)點(diǎn),；②采用柴油機(jī)作為動(dòng)力源具有功率大,、動(dòng)力性能好、越障能力強(qiáng),、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),。但車體體積將會(huì)增大，不利于在狹小空間中移動(dòng)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(duì)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(cè)救援機(jī)器人的應(yīng)用探討

多年來，我國(guó)在煤礦探測(cè)救援機(jī)器人方面取得了不錯(cuò)成果,，研制出來的一些機(jī)器人可隨時(shí)進(jìn)入井下執(zhí)行任務(wù),。以下對(duì)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(cè)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(shí)可能發(fā)生瓦斯爆炸,、塌方等事故,。使用煤礦移動(dòng)機(jī)器人代替人工對(duì)井下環(huán)境進(jìn)行探測(cè)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(cè),，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(jì)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(cè)， 準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)被壓礦工所在位置,， 為營(yíng)救礦工爭(zhēng)取時(shí)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(dòng)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(duì),。目前在我國(guó)一旦發(fā)生礦難,，礦山救護(hù)隊(duì)作為唯一的專業(yè)隊(duì)伍前往第一現(xiàn)場(chǎng)參與救援工作。但救護(hù)隊(duì)員的人身安全誰來保證？據(jù)統(tǒng)計(jì),，礦難中的死亡人數(shù),，部分來自救護(hù)隊(duì)員。因此,，給礦山救護(hù)隊(duì)配備一定數(shù)量的煤礦機(jī)器人,，部分代替救護(hù)隊(duì)員進(jìn)行環(huán)境探測(cè)和救援能減少救護(hù)隊(duì)員的死亡人數(shù)。

4 煤礦探測(cè)救援機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前,，國(guó)內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)都致力于有關(guān)煤礦探測(cè)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(shì)如下：

（1）移動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu),，同時(shí)須具備輕量化,、低能耗、 良好的移動(dòng)穩(wěn)定性,、一定的越障能力等特點(diǎn),。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(dòng)機(jī)構(gòu)，其中復(fù)合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的越障能力很強(qiáng),，但機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,。研究仿生結(jié)構(gòu)是移動(dòng)機(jī)構(gòu)未來重點(diǎn)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(jì)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(duì)機(jī)器人無論采用有線或無線遙控控制,，在探測(cè)救援過程中都有一定的局限性，只有實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的完全自主運(yùn)動(dòng),，才能更好的完成探測(cè)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(shí)時(shí)處理技術(shù),、車體控制技術(shù)和人工智能等針對(duì)災(zāi)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的技術(shù)，實(shí)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(dòng)到指定區(qū)域,，完成探測(cè)救援任務(wù)。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人完全自主運(yùn)動(dòng),，對(duì)提升探測(cè)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(gè)機(jī)器人相比,，多機(jī)器人相互協(xié)作能完成單個(gè)機(jī)器人所不能完成的,、 比較復(fù)雜的探測(cè)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(duì)，同時(shí)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(cè)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(gè)機(jī)器人通過控制指令將給定探測(cè)救援任務(wù)分成若干個(gè)子任務(wù)。機(jī)器人之間協(xié)作執(zhí)行任務(wù),，提高了探測(cè)救援的效率,。機(jī)器人的尺寸大小、性能均針對(duì)所具體執(zhí)行任務(wù)而專門設(shè)計(jì),。

5 結(jié)束語

我國(guó)煤礦事故頻發(fā),，而災(zāi)后的救援工作又十分困難和危險(xiǎn)，為了保證救護(hù)隊(duì)員的人身安全和救援的有效性,，對(duì)于煤礦探測(cè)救援機(jī)器人的研究顯得尤為重要,。加大對(duì)煤礦探測(cè)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(duì)我國(guó)具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義,。