徐東贊

摘要：礦難救援機器人的研發(fā)具有非常深遠的影響和現(xiàn)實意義。在介紹國內(nèi)外救援機器人研究及應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了礦難救援機器人的移動機構(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)超負荷運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致煤炭生產(chǎn)的安全形勢仍有進一步惡化的趨勢。

死亡率居高不下的原因除了機械化程度低、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?，?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。礦難救援機器人可有效地解決這些問題。

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

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)達國家在地震、火災(zāi)等救援機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)場救援的機器人。有關(guān)日本研究成功各類救援機器人的報道很多，這些新研制的救援機器人仍處于實驗室階段，大多都沒有得到救援現(xiàn)場的實際考驗。雖然美國、日本等西方發(fā)達國家近年來在救援機器人的研究方面做了大量工作，取得了不少的研究成果，但重點放在了地震、火災(zāi)等救援機器人的研究工作上。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器人的研究工作，部分成果如焊接和噴涂等機器人已進入實用階段。在礦難救援方面也有單位在進行救援機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)還沒有搜救機器人用于災(zāi)難救援的報道。

2.礦難救援機器人關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

移動性是救援機器人開展搜救工作的基礎(chǔ)和前提，搜救機器人主要有履帶式搜救機器人、可變形搜救機器人以及仿生搜救機器人等。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，運動速度相對較慢，無法搭載過多傳感器的小型仿生機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器人移動平臺的最佳選擇。機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器人提供能量，穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)機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)生纏繞而影響機器人的移動，無線通信方式的穩(wěn)定性較難保證。

搜救機器人的主要工作就是通過傳感器實現(xiàn)自身的導(dǎo)航、環(huán)境信息的獲取以及幸存人員的搜尋。目前搜救機器人主要采用人工控制方式來實現(xiàn)機器人的導(dǎo)航。被困人員的搜尋時搜尋機器人的最主要任務(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。

在災(zāi)難現(xiàn)場，搜救機器人的操作者精神高度緊張且需要長時間連續(xù)高負荷工作，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度的保證。

3.礦難救援機器人的開發(fā)研究

3.1.機器人移動平臺設(shè)計

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

3.2.傳感檢測裝置

設(shè)計采用專有傳感器搭載平臺，機器人配有網(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)幸存者以及對機器人運動的控制等；超聲傳感器主要用于機器人的避障；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.機器人與主控單元的通信

機器人與主控單元通信可采用無線方式和光纖電纜方式?？紤]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，通過機器人操作者來控制機器人的移動。前端機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器人會自動避讓，實現(xiàn)了局部自治加人工手動控制結(jié)合的機器人控制，機器人控制界面友好，操作方便靈活。

4.結(jié)語

礦難救援機器人的研發(fā)具有非常深遠影響和現(xiàn)實意義，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)濟效益。礦難現(xiàn)場的復(fù)雜性對搜救機器人在硬件和軟件2個方面都提出了很高的要求。