矿用搜救机器人

第1章 绪论 　　1.1 引言 　　我国经济持续高速发展，2021年 GDP 已达到114.4万亿元，自2010年开始就长期稳居世界第二位。然而，与经济高速发展形成鲜明对比的是，我国的生产安全形势仍极为严峻。全国各类重大生产安全事故时有发生。经济的发展不能以牺牲安全作为代价，因此，国家越来越重视生产安全和生产事故发生后的救援工作。研发用于代替人员进行生产作业和事故救援的特种机器人的行动计划已经开始。2018年中共中央印发的《深化党和国家机构改革方案》中明确要求组建应急管理部，这充分体现了国家对于应急救援工作的重视。在各类安全生产事故中，以煤矿生产事故*为严峻，为此，国家煤矿安全监察局于2019年1月2日发布了第1号公告，要求大力研发应用煤矿机器人，并公告了《煤矿机器人重点研发目录》，目录中列出了掘进类、采煤类、运输类、安控类和救援类五大类共38种煤矿机器人，其中就包括第五类中的矿用搜救机器人。 　　矿用搜救机器人在煤矿事故救援中将会起到极大的作用，为此，国外特别是美国等发达国家自20世纪80年代就开始研发用于煤矿搜救的机器人装备，并有应用的案例。我国相对起步较晚，中国矿业大学于2006年成功研制了我国**台CUMT-I型煤矿搜救机器人样机，并持续研究至今。国内其他相关研究机构也开展了矿用搜救机器人的研究，但大部分研究还处于样机和试验阶段，尚未得到实际应用。究其原因，主要是煤矿环境特殊，要想研发出满足应用要求的矿用搜救机器人还有许多关键技术需要解决。本章通过阐述矿用搜救机器人的作用和要求，结合国内外矿用搜救机器人的发展现状，提出矿用搜救机器人需要解决的关键技术问题。 　　1.2 矿用搜救机器人的作用和要求 　　我国是煤炭生产大国，也是煤炭消费大国，已连续十多年成为全球**大产煤国。同时，我国也是煤矿灾害事故*严重的国家，百万吨死亡率居世界之首。其主要原因是：我国煤炭储藏条件差，地质条件复杂，90％以上的煤炭资源仅适合井工开采，平均开采深度为地下700 m，开采条件极其复杂，而且全国50％以上的煤炭储量处于高瓦斯地区[1]。因此，在煤矿开采中极易发生灾害性事故。另外，小煤矿多，生产技术水平低，企业安全管理不到位，超能力、超强度、超定员和非法违法生产等原因，造成煤矿事故多发。煤炭开采中主要存在瓦斯爆炸、煤尘爆炸、顶板垮塌、着火和透水五大灾害，其中瓦斯爆炸事故危害*大，占煤矿灾害事故的一半以上[2]。 　　灾害事故发生后，作业矿工常常被困于井下，需要实施应急救援。目前的应急救援方法是派矿山救护队员下井直接搜救，救援时间紧迫，救援队员越早进入事故现场，被困矿工的生还希望就越大。但是，如矿井瓦斯(煤尘)爆炸发生后，灾区气温升高，粉尘浓度增大，爆炸性气体以及高浓度的 CO 等有害气体充满了巷道，矿井环境不稳定，随时有发生二次爆炸或多次爆炸的可能；爆炸将会造成部分顶板不稳定，随时可能发生冒落或垮塌；加之爆炸冲击波波及的矿井巷道内设备错乱、冒落的顶板堆积、电缆纵横，错综复杂，且爆炸后粉尘弥漫，能见度低，给搜救工作带来很大的困难和危险，以至于救护队员往往不能或无法进入某些危险区域开展搜救工作，从而延误了*佳救援时机，增加了矿工伤亡和事故损失。因此，在灾害发生后，及时、快速、准确地进行井下环境侦测和受伤失踪矿工的搜寻救援工作是极其重要的。 　　目前是依靠矿山救护队员佩戴氧气呼吸器进入灾区侦查，获取灾区的**手资料和对遇难矿工实施救助。但以救援人员为探测救援主体的救援机制在效率以及人员安全等方面存在诸多问题。 　　(1)难以获取灾变环境现场的实时信息，从而导致制定的救援方案不科学或者盲目施救。 　　(2)矿井事故现场环境恶劣，如有毒有害气体、高温、噪声、黑暗，使救护队员生理和心理高度紧张，高强度的救援工作和恶劣的环境会造成救护队员受伤甚至死亡。 　　(3)救援技术装备落后，除了正压氧气呼吸器的使用提高了矿山救护人员的安全外，其他方面并无很大的变化，从而显著影响了救援效率和阻碍了目前井下灾后救援工作的顺利开展。 　　矿用搜救机器人是一种在矿井发生灾害事故时，承载多种传感探测和救援设备，替代救护队员进入危险区域进行环境探测和对矿工实施救援的多功能智能救援装备。在灾区情况不明时，使用机器人进入探查，既可以防止救援人员发生伤亡，又能够将灾区的信息实时传输到地面救援指挥中心，为救援决策提供科学依据，以便快速、准确地制定救援方案。 　　矿用搜救机器人的作用主要有以下七个方面： 　　(1)深入矿井灾区采集和测量灾区现场环境参数，如瓦斯浓度、温度、水位高度、风速、风向等，并绘制井下地图； 　　(2)进行生命搜索，发现被困或伤亡矿工，并估计灾害性质和等级； 　　(3)为被困人员和地面之间提供通信平台； 　　(4)为被困人员提供给养、医疗用品和简易急救工具，帮助矿工维持生命和自救； 　　(5)营救、转移伤员脱离危险，将其转至安全区域； 　　(6)完成一些简单的清障、灭火等作业，降低环境的危险等级，以便后续搜救工作的开展或救护人员的进入； 　　(7)将采集到的灾区环境信息回传至地面应急救援指挥中心，用于制定救援决策方案。 　　矿用搜救机器人按作业任务可以分为探测机器人和救援机器人两种。探测机器人能够在煤矿井下发生瓦斯爆炸、煤尘爆炸、煤与瓦斯突出、矿井火灾、冒顶透水等灾害事故后，进入灾区，探测并回传井巷中的 CH4、CO、O2、温度、湿度、水位、风速、风向、灾害场景、呼救声讯以及人员伤亡情况等信息；救援机器人除了具有探测机器人的主要功能外，一般还具有灭火、清障、给养运送、将受伤矿工转移到安全地方等作业功能。根据煤矿灾害事故的类型，也可以分为瓦斯(或煤尘)爆炸救援机器人、透水救援机器人、火灾救援机器人等。 　　为了能够在煤矿灾变环境中有效作业，矿用搜救机器人需要满足以下技术要求。 　　(1)高强的非结构环境适应能力和行走能力。移动平台地形适应性好，越障能力强，可靠性高。 　　(2)较强的续航能力和作业能力。能源补充次数少，行走距离远，工作时间长，作业效率高。 　　(3)一定的自主能力。移动系统对传感、控制系统依赖性小，可以实现自主或局部自主。 　　(4)灾变环境下的通信能力。在井下现有通信设施遭到破坏的情况下，机器人需要自身解决通信问题，确保井上井下通信畅通。 　　(5)安全性好。为了能在爆炸性环境下工作，并且不引发次生灾害，矿用搜救机器人应具有防爆、阻燃、抗静电等安全性能。 　　(6)一定的自我防护能力。具有良好的防水、防尘、耐高温、抗冲击等自我防护性能。 　　(7)质量轻、体积小、便于搬运和维护。 　　1.3 矿用搜救机器人发展现状 　　对于地面搜救机器人的研究工作，许多国家从20世纪80年代就已经开始，且发展迅速，技术不断进步，并已迈入实用阶段，日本、美国、澳大利亚、英国等国都开始使用[3]。而关于矿用搜救机器人的研究，美国起步较早并且研究较多，已有多家高校或研究机构研发了针对不同用途的矿用搜救机器人。相对来说，国内针对矿用搜救机器人的研发起步较晚，但也已取得了很大的进展。 　　1.3.1 国外矿用搜救机器人 　　世界上**台矿用搜救机器人是由美国劳工部矿山安全和卫生管理局与Sandia 的智能系统和机器人中心协作研发的 Ratler 矿井探索机器人[4]，如图1-1所示。这个能快速反应的机器人主要用于调查事故后的现场安全情况。矿难发生后，该机器人可以快速进入现场，人们可以通过机器人寻找幸存者，检查危险气体并评估矿井危险级别。Willow Creek煤矿于1998年11月24日遭受严重火灾后，Ratler 机器人到现场进行了初步的适用性试验。该机器人安装了前视红外摄像机、陀螺仪和危险气体传感器，通过射频进行控制和信息传输，遥控距离大约为250英尺(76.2 m)。但总体来说，Ratler 还远无法满足矿用搜救机器人对机动性和可视性的要求。 　　图1-1 Ratler矿井探索机器人 　　美国南佛罗里达大学研制了矿井搜索机器人Simbot[5]，如图1-2所示。这个机器人小巧灵活，携带数字低照度摄像机和基本气体监视组件，可通过一个小洞钻进矿井，越过碎石和煤泥，通过其携带的传感器发现受害矿工，并探测氧气和甲烷气体含量，生成矿井地图。但是，由于该机器人体积较小，其续航能力、越障能力以及通信能力等无法真正满足煤矿灾后的救援要求。 　　美国卡内基–梅隆大学机器人研究中心开发了全自主矿井探测机器人Groundhog[6]，如图1-3(a)所示。该机器人主要用途是探测井下环境，精确绘制井下立体地图。它采用液压方式驱动，差动转向机械结构，可实现零半径转弯，*高速度可达10 km/h，并装备了激光测距传感器、夜视摄像机、气体探测传感器和陀螺仪，能够对矿井下的环境进行综合性的测量，建立立体的矿井模型。2003年，Thrun等对宾夕法尼亚州的废旧煤矿马蒂斯矿的主巷道进行了探测和三维构图，效果如图1-3(b)所示。但此机器人只是从功能上进行了设计，并没有过多地考虑防爆问题，只能在废弃的矿井中应用。 　　图1-2 Simbot矿井搜索机器人 　　图1-3 矿井探测机器人Groundhog及其构建的三维地图 　　美国卡内基–梅隆大学机器人研究中心还设计了一款矿用搜救机器人平台 Cave Crawler[7]，如图1-4所示。其内部采用类似于“勇气号”火星车的齿轮差动机构，左右的轮子采用摇杆式移动系统，并且通过差动机构连接左右两摇杆与机器人主车体，将机器人左右摇杆的摆角进行线性平均，并转化为机器人主车体的摆角输出，这样可以保持机器人主车体的相对平衡。当某一轮抬起时，整个车体的摆动角度是轮子抬起角度的一半，这样能够有效地减小地形变化对主车体的影响；同时，这种设计可以使机器人较为均匀地向各个车轮分配车体重量，并且各车轮能随着地面的起伏被动地自由调整位置，提高了机器人的运行平稳性、抗颠覆能力和越障能力。该机器人相比Groundhog具有更小、更快的特点。 　　图1-4 Cave Crawler 矿用搜救机器人平台 　　Remotec公司在军用机器人Andros Wolverine基础上，针对煤矿环境进行改造，研制了V2机器人[8]，如图1-5所示。其高约5英尺(1.52m)，重量超过1200磅(544 kg)，可以穿过不允许矿工通过的地下复杂矿井环境。这种机器人依靠防爆电机驱动履带行走。它配备了先进的导航系统、监视摄像机、照明设备、危险气体探测器、夜视摄像头、双向语音通信系统以及机械臂。这款经特别的防爆设计的机器人造价是26.5万美元。V2可以从一个安全的位置进行远程操作，并能向前探索5000英尺(大约1.5km)，能通过矿用光纤传送重要的现场信息。远 　　图1-5 V2机器人