煤礦井下搜救機器人關(guān)鍵技術(shù)研究
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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(gòu)的關(guān)注。例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、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(xué)與清華大學(xué)等幾家機構(gòu)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(nèi)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(yīng)用案例的應(yīng)用上，尚未有機器人參與到礦難、地震、建筑物坍塌等實際災(zāi)難現(xiàn)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(xué)院沈陽自動化研究所研制的水下機器人曾被帶到現(xiàn)場，試圖參與透水現(xiàn)場的探測任務(wù)，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(jīng)驗。
3 煤礦井下搜救機器人關(guān)鍵技術(shù)
在設(shè)計救災(zāi)機器人時，應(yīng)從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，考慮救災(zāi)機器人的環(huán)境適應(yīng)性，協(xié)調(diào)各分系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)聯(lián)，開展頂層設(shè)計，研究綜合集成關(guān)鍵技術(shù)。在設(shè)計救災(zāi)機器人過程中應(yīng)充分注重關(guān)鍵技術(shù)。
3.1運動機構(gòu)
運動機構(gòu)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(yīng)能力。煤礦搜救機器人的運動平臺應(yīng)盡可能適應(yīng)多種復(fù)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(yīng)能力；除此之外，還要具有一定的運動速度和良好的運動學(xué)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(gòu)種類較多，如輪式、履帶式、蛇形移動機構(gòu)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(fù)雜地形適應(yīng)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(gòu)復(fù)雜等缺點；足式機器人，如四足、六足等具有適應(yīng)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(gòu)存在速度慢、效率較低的特點;輪腿復(fù)合式機器人具有履帶機器人的地形適應(yīng)能力和輪式機器人的運動速度，但也存在結(jié)構(gòu)相對復(fù)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(gòu)機器人也展現(xiàn)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(yīng)能力的帶輔助臂的復(fù)合履帶方式是一種相對理想的運動機構(gòu)，該方式在具有較強地形適應(yīng)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(shè)計必須可靠，以應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境。比如煤礦搜救機器人設(shè)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(dǎo)致機器人寸步難行。除了靈活的運動能力和可靠性設(shè)計外，搜救機器人還應(yīng)考慮便攜性。為了應(yīng)對突發(fā)的礦難事故，提高搜救效率，搜救機器人應(yīng)該具有較強的機動能力，必須在第一時間投放現(xiàn)場。搜索完一個目標地點，能盡快轉(zhuǎn)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(fù)雜，受困人員本身面臨的困難復(fù)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(wù)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(yīng)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?shù)裙δ?，同時要求其具有較小尺寸、足夠的分辨率和響應(yīng)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(wù)的可行性，以及為制定科學(xué)高效的救援方案提供必要的、可靠的井下環(huán)境參數(shù)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(zhì)結(jié)構(gòu)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(xiàn)場后，應(yīng)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(wù)，機器人應(yīng)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(shù)，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(zhì)結(jié)構(gòu)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(shè)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(dǎo)航及運動控制提供必要的數(shù)據(jù)。
此外，井下環(huán)境特別是事故后的井下環(huán)境情況復(fù)雜，極有可能出現(xiàn)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(fù)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(xiàn)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(dǎo)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(quán)平均法、貝葉斯估計、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理法以及帶置信因子的產(chǎn)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?qū)Σ杉母鞣N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(shù)
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(shè)計必不可少且尤為重要?？刂葡到y(tǒng)不僅要進行本安設(shè)計，還要進行熱設(shè)計，防水、防酸霧、防灰塵等三防設(shè)計，抗震動和抗沖擊設(shè)計及抗干擾設(shè)計等抗惡劣環(huán)境設(shè)計。
現(xiàn)場的塵土、煙霧和散落的廢墟都會增加救災(zāi)機器人執(zhí)行任務(wù)的難度。同時，現(xiàn)場的高溫也不利于機器人的使用，甚至可能出現(xiàn)履帶或輪胎被高溫熔化并發(fā)生燃燒等現(xiàn)象。因此，在設(shè)計過程中應(yīng)注意機器人的防塵能力和耐熱性，還要考慮它的防水、防爆、防腐蝕、防電磁干擾、抗熱輻射等功能。此外，復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境還對機器人的控制線提出了新的要求，鋒利的金屬殘片或其它殘骸對控制線產(chǎn)生了威脅，所以在選擇控制線時必須考慮它的堅固性。
3.5機器人井下自主導(dǎo)航定位及運動控制技術(shù)
救災(zāi)機器人在執(zhí)行任務(wù)過程中，應(yīng)當避免危險的環(huán)境和防止產(chǎn)生更多的危險，這就要求機器人必須具有導(dǎo)航能力;其次，為了向救災(zāi)中心提供幸存者的位置，機器人必須能夠確定自身位置，完成任務(wù)后回到救災(zāi)中心，這要求機器人具有定位和路徑規(guī)劃能力。救災(zāi)機器人的導(dǎo)航方式可分為：基于環(huán)境信息的地圖模型匹配導(dǎo)航、基于各種導(dǎo)航信號的陸標導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和味覺導(dǎo)航等。定位能確定機器人在二維工作環(huán)境中相對于全局坐標的位置，可分為慣性定位、陸標定位和聲音定位等。路徑規(guī)劃是根據(jù)機器人所感知到的工作環(huán)境信息，按照某一性能指標搜索一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無碰撞路徑，并且實現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋，可分為兩種類型：環(huán)境信息完全掌握的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知的局部路徑規(guī)劃。此外，GPS能對全球表面任何地點及近地空間提供實時高精度的三維位置、三維速度和時間信息。救災(zāi)機器人可采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)與電子地圖結(jié)合的方式，隨時提供救災(zāi)機器人的方位，實現(xiàn)機器人定位的可視化。
位置信息是井下探測機器人必不可少的信息之一，無論是幸存人員信息，還是巷道破壞程度信息以及局部氣態(tài)環(huán)境信息，都需要一個相對精確的具體位置信息作參考。盡管操作人員可以通過前方影像數(shù)據(jù)在一定程度上進行大體位置判斷，但這樣的定位是無精度可談的，況且在火災(zāi)等現(xiàn)場中，由于煙霧等原因，根本無法通過視覺圖像進行定位。因此，采用多種傳感器進行融合，對機器人當前的位置進行測量和計算，是十分必要的工作。
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