煤礦井下搜救機器人研究
加入技術交流群
經過幾年的研究和改進，搜救機器人再次用于美國加州小鎮(zhèn)拉•肯奇塔泥石流和“卡特里娜”颶風災害的搜救過程。拉•肯奇塔泥石流災害造成大量的房屋坍塌和煤氣泄漏，Inuktun公司專門為救災應用設計改進的機器人VGTV-Xtreme被派往現場，但由于履帶脫落使搜救機器人無法繼續(xù)執(zhí)行任務。同年在美國歷史上最嚴重的自然災害“卡特里娜”颶風襲擊后的救援中，VGTV-Xtreme發(fā)揮了重大作用。另外國際上為促進搜救機器人研究的進展，也設有專門的搜救機器人大賽RoboCup Rescue。
我國的搜救機器人研究起步較晚，但最近幾年發(fā)展較快，引起越來越多研究機構的關注。例如哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學、沈陽自動化研究所、廣東衛(wèi)富公司等都研制了各自的搜救機器人系統(tǒng)，中國礦業(yè)大學與清華大學等幾家機構也研制了用于煤礦井下救援的移動機器人平臺。但目前國內的搜救機器人大多仍處于原理樣機的研究上，或局限在室外危險物排除這種應用案例的應用上，尚未有機器人參與到礦難、地震、建筑物坍塌等實際災難現場救援的報道。在2010年4月2日王家?guī)X透水事故發(fā)生的過程中，中國科學院沈陽自動化研究所研制的水下機器人曾被帶到現場，試圖參與透水現場的探測任務，雖然最終沒有采用，但也不失為一次有益的嘗試，為透水事故探測救援積累了寶貴的經驗。
3 煤礦井下搜救機器人關鍵技術
在設計救災機器人時,應從系統(tǒng)總體要求出發(fā),考慮救災機器人的環(huán)境適應性,協(xié)調各分系統(tǒng)的技術關聯,開展頂層設計,研究綜合集成關鍵技術.在設計救災機器人過程中應充分注重關鍵技術。
3.1運動機構
運動機構作為移動機器人的移動載體，直接影響到機器人的通過性和地形適應能力。煤礦搜救機器人的運動平臺應盡可能適應多種復雜的井下地形條件，如廢墟、泥地、沙地、臺階、陡坡、壕溝等，即具有較強的地形適應能力；除此之外，還要具有一定的運動速度和良好的運動學穩(wěn)定性，盡可能減少傾覆或翻滾的可能[]。目前的搜救機器人運動機構種類較多，如輪式、履帶式、蛇形移動機構等，不同的運動平臺決定了各自的運動能力。輪式機器人速度快、效率高，但越障能力較差，復雜地形適應能力有限；履帶式越障能力強，但存在速度慢、運動效率較低的缺點；蛇形機器人可以鉆進狹小的空間，利用頭部安裝的攝像頭傳回圖像信息，但也存在速度慢、機構復雜等缺點；足式機器人，如四足、六足等具有適應地形能力強的特點,能越過大的壕溝和臺階,但目前大部分足式機構存在速度慢、效率較低的特點;輪腿復合式機器人具有履帶機器人的地形適應能力和輪式機器人的運動速度，但也存在結構相對復雜體積較為龐大等缺點;此外受到自然界生物的啟發(fā)，各種特殊的仿生機構機器人也展現了美好的前景[]。綜合考慮煤礦井下的地形環(huán)境和事故發(fā)生后可能存在的實際情況，采用具有較強地形適應能力的帶輔助臂的復合履帶方式是一種相對理想的運動機構，該方式在具有較強地形適應能力的同時，可以保持較小的體積，能夠穿過相對狹窄的空間。
除了上述需要考慮的因素之外，運動平臺的設計必須可靠，以應對復雜的環(huán)境。比如煤礦搜救機器人設計時必須重點考慮防爆、防水、耐高溫等。履帶機器人也容易發(fā)生履帶出軌脫落，導致機器人寸步難行。除了靈活的運動能力和可靠性設計外，搜救機器人還應考慮便攜性。為了應對突發(fā)的礦難事故，提高搜救效率，搜救機器人應該具有較強的機動能力，必須在第一時間投放現場。搜索完一個目標地點，能盡快轉移到下一搜救地點。體積過于龐大，除了具有更高的能耗和大大減小了平臺通過能力之外，其運輸過程也會給救援工作帶來困難。
3.2感知系統(tǒng)
搜救機器人的主要功能包括搜索探測與救援，但目前世界各國搜救機器人的研究還大多集中于環(huán)境探測和幸存者搜尋的功能上。由于環(huán)境極度復雜，受困人員本身面臨的困難復雜多樣，對人員的救援工作目前還是一件非常困難的事情，因此，環(huán)境探測與人員搜索任務是目前搜救機器人的主要功能，其搜索與探測能力主要取決于其自身攜帶的傳感器的類型與應用情況。作為搜救機器人的感知系統(tǒng)，傳感器必須具備信息采集、信息存儲與分析以及信息傳輸等功能,同時要求其具有較小尺寸、足夠的分辨率和響應時間，以及很好的穩(wěn)定性和可靠性等特點。
對環(huán)境的探測主要目的首先是讓搜救人員實時準確的了解事故后井下的綜合環(huán)境情況，評估井下環(huán)境對幸存人員及搜救人員生命及健康的影響，考慮指派救護隊員下井完成救援任務的可行性，以及為制定科學高效的救援方案提供必要的、可靠的井下環(huán)境參數信息。這就需要對井下的溫度、氣體組成情況如氧含量、有毒氣體含量、可燃氣體含量，以及井下的地形及地質結構的情況進行探測。其次，在進行環(huán)境探測的同時，當機器人深入事故現場后，應該具有對幸存人員進行搜索定位及人員情況的初步探測能力。最后，為保證機器人能夠安全、有效的完成探測任務，機器人應該具有其自身情況及所處環(huán)境的感知能力，如機器人本體的姿態(tài)、溫度、電池電量等本體參數，以及環(huán)境中的障礙物、火區(qū)、水區(qū)等危險環(huán)境和機器人所處的位置等信息。
目前對于部分環(huán)境探測與感知的傳感器是比較成熟的，如溫度感知、氧含量傳感器、可燃氣體探測器、有毒氣體探測器等，這些傳感器體積小巧、探測精度高、集成度好，基本能夠滿足井下環(huán)境探測的需求；對于井下地形與地質結構的探測主要依靠視覺系統(tǒng)或與視覺系統(tǒng)相配合使用的距離、位置等傳感器如聲納探測器、激光測距儀等；對人員的搜索定位有生命探測儀、熱成像儀等設備；機器人自身狀態(tài)的感知主要依靠里程計、慣性系統(tǒng)以及姿態(tài)傳感器等感知單元，完成機器人位置及姿態(tài)的感知以及為導航及運動控制提供必要的數據。
此外，井下環(huán)境特別是事故后的井下環(huán)境情況復雜，極有可能出現濃煙、灰塵等惡劣情況，在這種環(huán)境下很多傳感器特別是視覺系統(tǒng)會受到嚴重的影響。而遠紅外探測器具有很好的穿透煙霧進行探測的能力，并且可以同時獲得被測物體表面的輻射溫度，因此采用遠紅外成像儀進行復雜環(huán)境的探測既可以作為可見光視覺系統(tǒng)的補充，又可以通過對一些特殊物體表面輻射溫度的測量實現目標的識別，如人體、著火點、水域等。其他的特殊情況也可能導致不同的傳感器失效，因此采用多種傳感器進行探測并對多種信息進行融合處理是有效的解決方案。多傳感器的信息融合是把不同位置的多個同類型或不同類型的傳感器提供的局部環(huán)境的不完整信息加以綜合，消除信息之間的冗余和矛盾，以形成對環(huán)境相對完整和一致的描述，提高智能決策的速度和準確性。多傳感器融合的常用方法有：加權平均法、貝葉斯估計、卡爾曼濾波、神經網絡和模糊推理法以及帶置信因子的產生式規(guī)則。
3.3可視化人機交互與遙操作
為了使井下機器人更加靈活的工作，需要使操作者具有一個簡單方便而功能齊全的操作平臺，這個平臺除了用于對機器人的操作外，還能夠對采集的各種信息以及機器人本體的姿態(tài)和位置信息進行直觀的顯示，通過各種不同的方式保證機器人的可靠運行。
3.4機器人防爆及控制系統(tǒng)抗惡劣環(huán)境技術
由于機器人工作在井下，而且更多地是在含有瓦斯等易燃、易爆氣體的區(qū)域進行檢測工作，因此防爆設計必不可少且尤為重要?？刂葡到y(tǒng)不僅要進行本安設計，還要進行熱設計，防水、防酸霧、防灰塵等三防設計，抗震動和抗沖擊設計及抗干擾設計等抗惡劣環(huán)境設計。
評論