煤礦井下搜救機(jī)器人研究

1 課題研究背景

　　災(zāi)難應(yīng)急搜索和救援機(jī)器人（Search And Rescue Robot）是自然災(zāi)害、事故等突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，代替搜救人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行搜救探測(cè)任務(wù)的移動(dòng)機(jī)器人。該類機(jī)器人可以遠(yuǎn)程操控或采用自主的方式深入到復(fù)雜、危險(xiǎn)、不確定的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，探測(cè)未知環(huán)境信息，搜索和營(yíng)救被困者。搜救機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)朝實(shí)用化發(fā)展的一個(gè)重要分支和新的研究領(lǐng)域，具有重要的社會(huì)價(jià)值。

　　搜救機(jī)器人可以應(yīng)用于許多救援場(chǎng)合，比如地震、泥石流、臺(tái)風(fēng)、洪水、礦難、消防、危險(xiǎn)物排除、野外勘察等。當(dāng)災(zāi)難或事故發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜惡劣，充滿未知和不確定性的因素，嚴(yán)重威脅搜救人員的生命安全，給搜救工作的部署和實(shí)施帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)。而災(zāi)難發(fā)生后的48小時(shí)是實(shí)施營(yíng)救的關(guān)鍵時(shí)間，否則超過48小時(shí)被困者生還的可能性就變得很小。因此搜救機(jī)器人的研究具有重要的實(shí)用價(jià)值和社會(huì)意義，近年來受到了美國(guó)、日本、澳大利亞、中國(guó)等國(guó)家的高度重視。

　　本課題的研究目標(biāo)，是研發(fā)一種以主從式遙操作為主并具備一定自主能力的穩(wěn)定、可靠的煤礦井下移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人平臺(tái)，該平臺(tái)的主要任務(wù)定位為煤礦井下危險(xiǎn)區(qū)域的環(huán)境探測(cè)，包括環(huán)境溫度、氣體組成與含量（CO，CH4，O2，H2S等）探測(cè)，以及現(xiàn)場(chǎng)視頻及音頻的采集與實(shí)時(shí)上傳；對(duì)于這些危險(xiǎn)區(qū)域我們定位于有限目標(biāo)環(huán)境的有限參數(shù)探測(cè)，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/煤礦">煤礦事故種類繁多，情況復(fù)雜，我們不可能指望通過一兩種復(fù)雜的機(jī)構(gòu)適應(yīng)所有的井下環(huán)境，特別是對(duì)于像冒頂、塌方等極度復(fù)雜的環(huán)境或者透水等特殊環(huán)境的探測(cè)，必須采用專用的機(jī)構(gòu)與技術(shù)來解決；因此，本平臺(tái)主要針對(duì)如瓦斯突出、局部火災(zāi)、爆炸或坍塌，而具有可進(jìn)入條件的災(zāi)害環(huán)境進(jìn)行探測(cè)。另外，作為一款搜救機(jī)器人平臺(tái)本系統(tǒng)預(yù)留了可以加載如機(jī)械臂等末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的接口，從而為完成更加復(fù)雜和更有效的救援工作提供必要的技術(shù)支撐，也可以為該平臺(tái)在其他搜索與救援領(lǐng)域(如地震、泥石流、火災(zāi)等其他災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng))的應(yīng)用提供重要的技術(shù)儲(chǔ)備。

　　2 搜救機(jī)器人研究進(jìn)展

　　應(yīng)急災(zāi)難搜索和救援機(jī)器人的研究起步于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過1995年的美國(guó)俄克拉荷馬州爆炸案以及日本神戶大地震，搜救機(jī)器人才逐漸被作為機(jī)器人學(xué)的人道主義應(yīng)用研究被重視起來。

　　隨后的十幾年時(shí)間里搜救機(jī)器人的技術(shù)不斷發(fā)展，但仍多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室階段，參加實(shí)際救援行動(dòng)并發(fā)揮重要作用的實(shí)例很少。搜救機(jī)器人第一次大規(guī)模參與到現(xiàn)場(chǎng)救援的應(yīng)用案例發(fā)生在美國(guó)911事件后，當(dāng)時(shí)有Talon、Solem、PACKBOT、VGTV、MicroTracs、SPAWARUrbot等六種軍方和研究所的機(jī)器人參與了救援工作，如圖1所示。在這次救援任務(wù)中，機(jī)器人系統(tǒng)的主要任務(wù)包括:在廢墟中搜索可能有幸存者的空間，并監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)變化，防止發(fā)生倒塌危及現(xiàn)場(chǎng)救援人員。搜救工作主要分為兩個(gè)階段，在第一階段的的工作中,機(jī)器人并不是過度深入廢墟現(xiàn)場(chǎng),而是在人不便于接近的地方起到輔助作用。第二階段的工作重點(diǎn)是清理現(xiàn)場(chǎng)建筑殘骸,并為分析世貿(mào)中心塔樓倒塌的原因提供依據(jù)。在這一階段中，隨著操作人員熟練程度的增加以及現(xiàn)場(chǎng)積累的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)越性逐漸表現(xiàn)出來。機(jī)器人通過深入現(xiàn)場(chǎng)近距離偵察、攝像,從而確定殘存墻體的穩(wěn)定性和發(fā)生倒塌的可能性；同時(shí)，機(jī)器人通過自身攜帶的不同類型探測(cè)器,測(cè)量一氧化碳、硫化氫、揮發(fā)性有機(jī)物的濃度和現(xiàn)場(chǎng)溫度,形成現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境危險(xiǎn)情況的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過十幾名不同專業(yè)、不同領(lǐng)域的專家進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析，并研究、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的救援工作,大大加快了工作進(jìn)度,并保證了人員的安全,體現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在此次救援過程中也發(fā)現(xiàn)了機(jī)器人系統(tǒng)的一些問題，如防水能力、耐熱能力、防震及其他抗惡劣環(huán)境能力的不足，以及機(jī)器人自身狀態(tài)感知及環(huán)境描述方法的不足?？傊?，這次救援任務(wù)是人類歷史上由救援機(jī)器人參與的規(guī)模最大、也是較為成功的一次救援，在這次救援過程中，工程技術(shù)人員和現(xiàn)場(chǎng)專家積累了大量的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行災(zāi)難救援工作的寶貴經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后搜救機(jī)器人的研究來說是一筆巨大的財(cái)富。



　　此后美國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)的搜救機(jī)器人開始逐漸參與實(shí)際災(zāi)害救援行動(dòng)，通過與災(zāi)害應(yīng)急部門的緊密合作，不斷積累實(shí)際救災(zāi)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)搜救機(jī)器人的性能，以提高機(jī)器人對(duì)搜救環(huán)境的適應(yīng)能力。