煤矿救灾机器人的应用展望.docx

煤矿救灾机器人的研究现状和应用展望1.1 选题背景和研究意义煤炭是我国的根底能源，也是国家能源平安的基石。国务院关于促进煤炭工业健康开展的假设干意见中进一步强调了煤炭工业在国民经济中的重要战略地位，指出了在未来相当长的一段时间内，煤炭仍将是我国的主要能源之一。在我国一次能源生产和消费中始终占70%左右。然而，煤矿开采本身是非常危险的，矿工们暴露在其他职业所不会面临的许多灾害之下。事故的发生可能由各种形式，包括坑顶垮塌、高温高湿、照明缺乏、火灾、水灾、电梯故障、使用不平安设备以及拖运事故等。这些类型的事故一次可能造成个别矿工的死亡或残废。更危险的事故是由气载尘埃或者瓦斯气体聚集引发的爆炸，那些情况可能立即造成数十名甚至数百名矿工的死亡。几十年来，煤矿生产平安一直面临着严峻考验，矿难事故在世界各地都扮演着矿工杀手的角色：2006年9月，印度中东部恰尔肯德邦一座煤矿发生瓦斯泄漏爆炸，造成54名矿工死亡。2007年11月，乌克兰顿涅茨克州的扎夏德科煤矿发生瓦斯爆炸，酿成乌克兰1991年独立以来最严重的一场矿难，事故死亡人数达80人，另有20名矿工下落不明。2009年11月21日，中国黑龙江省鹤岗市新兴煤矿发生特别重大瓦斯爆炸事故，该事故共造成108人死亡，成为当年震惊世界的特大灾难。2010年4月，美国西弗吉尼亚州一座煤矿发生爆炸，造成25人死亡，4人失踪，这是自1984年以来美国发生的最严重的矿难。2010年5月，俄罗斯西伯利亚克麦罗沃州“拉斯巴茨卡亚”煤矿发生爆炸，矿难造成66人死亡，24人失踪。2010年11月19日，新西兰最大的煤矿派克河煤矿发生爆炸事故，被困29名矿工无人生还，这是新西兰近一个世纪以来发生的最严重的矿难。世界煤炭工业史上最惨痛的矿难发生在1942年4月26日的日本本溪湖煤矿，总共查实死亡人数为1549人，轻重伤246人。在死亡人员中有31名日本人，其余都是中国人。尽管煤矿开采是个高危行业，职业死亡事故的发生率很高，但是在过去的100多年里，世界煤炭产业还是通过努力显著降低了死亡人数和死亡率。其结果是，在绝大多数煤炭生产国，职业危险已经大大减少。表IT显示了几个主要煤炭生产国每百万吨煤炭产量的死亡率。可以看出，尽管中国的煤炭生产平安情况已经得到改善，但其总体情况仍然是世界上最糟糕的。统计显示，2009年，全国煤矿发生事故1800多起、死亡2631人，平均每天发生5起、死亡7.2人2000-<2)09年事故死匚人敛及百万吨死匚$图1.1我国2000-2009年煤矿事故死亡人数及百万吨死亡率图1.2我国1976-2009年煤炭产量与事故死亡总人数国别1980年1990年1995年2000年2008年美国0.170.070.050.0270.028印度1.430.540.600.42032俄罗斯1.070.960.850.460.41澳大利亚0.370.040.020南非0.230.160.13波兰0.660.520.170.230.25英国0.330.200.10中国835.215.035.771.18表世界各国近30年来煤矿百万吨死亡率我国严重的煤矿平安生产现状在国内外造成严重影响和全社会的关注，严重损害了我国的国际形象。1.2 煤矿救灾机器人的研究现状世界上许多国家都在研制军用机器人、扫雷机器人、排爆机器人和消防机器人等危险作业机器人。救灾机器人是机器人的1个新兴开展领域，属于危险作业机器人的1个分支，具有危险作业机器人的特点煤矿救灾机器人是指代替人到不能去或者不适宜去的危险的事故矿井环境中，通过远程操作直接在现场进行侦察、探测和执行搜救任务，并将井下环境情况，人员生存情况反应给地面搜救人员的机器人。1.2.1 国外研究现状在国外，煤矿救灾机器人开展迅速，技术日益成熟，并进入实用化阶段，日本、美国、澳大利亚、英国等已开始装备使用。对于矿井救灾机器人的研究工作，美国起步较早，已有多家高校或研究机构研发了针对不同用途的矿井救灾机器人。如美国智能系统和机器人中心开发的RATLER矿井探索机器人（图1.3）,用于灾难后的现场侦查工作，采用电传遥控方式，有主动红外摄像机、无线射频信号收发器、陀螺仪和危险气体传感器等装备。无线遥控距离（直线距离）约76m0the美国南佛旗 矿井搜索机器E图 1.3RATLERtm© 2010 ISRCI罗里达大学研制的Sim2bot携带数字低照件，可以通过一塞L人，这种机器人小巧灵活， 鳏:国度摄像机和根本气体监视组 个钻出的小洞钻进矿井，越这种机器人已经形成系列化，除了矿井方面的应用，还有军事方面的应用。受害矿工，探测彩舂矿井地图。另外中心也开发了过碎石和烂泥，修:XE氧气、甲烷气体含量，生成卡内基梅隆大学机器人研究款全自主矿井探测机器人-Groundhog和FerretoGroundhog主要用于探测井下环境，精确绘制井下立体地图。机械结构采用四轮导向、液压驱动，可实现零半径转弯，最高速度可达IOkmPh0装备有激光测距传感器、夜视摄像机、气体探测传感器、Sinkage传感器、陀螺仪等，能够对矿井下的环境进行综合性测量，建立矿井立体模型。机器人雪貂用于矿井钻孔探测，装备有长距离低反射率三维激光扫描仪、嵌入式微处理器、磁指南针、倾角传感器、活动云台摄像机、照明灯、接近传感器等设备。能够完成三维激光扫描地图生成，地图核对，可通过性分析等任务，一次充电可连续工作4h。RemOteC公司制造的V2煤矿救援机器人（图1.4）,大约50英寸高，1200英磅重,使用防爆电动机驱动橡皮履带。安装有导航和监控摄像机、灯、气体传感器和一个机器臂，具有夜视能力和2路语音通讯功能。可在5000英尺以外的平安位置远程遥控，使用光纤通讯传送矿井环境信息，操纵者能够看到实时视频信息和易燃的有毒气体的浓度。图1.4ANDROSWolverineRobot（V2）©Remotec.Inc.美国桑迪亚实验室新一代Gemini-SCoUt搜救机器人（图1.5）于2010年研制成功，并有可能于2011全面投产。该机器人装备了双向通信收音机，红外摄像机，气体传感器，泛倾斜照相机，通过远程控制可以对矿井下危险环境作出准确评估。这款机器人体积约4英寸，行动灵活，可以涉过18英寸的水深，轻松越过碎岩和大石块等障碍，将食物，氧气包，药物提供应生存的矿工。由于这款机器人进行了承受爆炸和淹水隧道的环境设计，这将使其应用范围大大增加。值得一提的是，桑迪亚的工程师采用了XBOX360游戏控制器来操作双子星的系统，确保了操作界面的友好和新用户能尽快适应。图1.5GeminiScoutRobotNIOSH（美国国家职业平安与卫生研究院）同时也在评估一款由雷神公司开发的多维蛇形移动机器人，将来可能和GeminiScoutRobot一起投入使用。1.2.2 国内研究现状国内研究矿井救灾机器人的工作相对较晚，研究机构也相对较少，中国矿业大学较早开始了煤矿救灾机器人的研制工作，经过几年努力已经取得了卓有成效的进展。另外，沈阳新松机器人自动化和唐山开诚电控集团也于2009年研制出了相关井下探测救援机器人。中国矿业大学可靠性工程与救灾机器人研究所于2006年6月成功研制了我国第1台用于煤矿救援的CUMT-I型矿井搜救机器人（图1.6）,该机器人装备有低照度摄像机、气体传感器和温度计等设备。能够探测灾害环境，实时传回灾区的瓦斯、CO、粉尘浓度和温度以及高分辨率的现场图像等信息；具有双向语音对讲功能，能够使救灾指挥人员与受害者进行快速联络，指挥受伤人员选择最正确的逃生路线；具有无线网络通讯功能；同时还携带有食品、水、药品、救护工具等救助物资，使受害者能够积极开展自救。图1.6CUMT-I型矿井搜救机器人上述矿井搜救机器人代表了当前国内外在该领域的研究现状和开展水平，但它们离实际应用的要求还有很大距离。例如，RATLER矿井探索机器人的通讯方式单一，通讯距离短；机械结构方面，其原型设计是基于野外全地形运动车辆的使用要求，没有按照适合于矿井环境来设计运动系统，底盘较低，越障性能一般。由于采用轮式差速转弯，转弯半径大，转向不灵活，结构不太适合于巷道等狭窄空间，且没有任何自主避障方面的设计。SimbOt是一种体积非常小的机器人，这就决定了它不可能拥有较远的控制范围，只能在较近的范围内进行有线控制，携带的传感器数量也很有限，必须由搜索队员携带下井，使用方式非常有限。Groundhog机器人的自主性和移动性都非常强，但它是为了探测正常矿井地形而设计的试验平台，携带有非常多的仪器设备，由于美国的矿井巷道比拟宽敞，道路平坦，瓦斯含量少，条件比拟优越，所以其设计的体积巨大，并不适合用作煤矿搜救，曾经陷入泥浆地，被用线缆拉了出来。V2机器人是比拟成熟的一款矿井救灾机器人，结构设计很好，但体积略显巨大，而且也没有自主避障功能，仅仅是遥控而己，并且只有光纤一种通讯方式，其可靠性也有待提高。CUMT-1型矿井搜救机器人同样存在通讯、避障和机械可靠性等方面的技术问题。国内研究现状1.3 煤矿救灾机器人的应用西弗吉尼亚矿难救援中的应用2006年年初，美国西弗吉尼亚Sago煤矿发生矿难，造成12名矿工死亡。事故发生后，救援人员使用GPS测定被困矿工的方位，然后从地面上钻了3个深孔，以便给井下输送氧气，同时期望对井下的状况进行检测。救援人员分别放入空气探测仪和摄像头，但均无功而返。为了从水平方向对井下情况进行探测，美国劳工部矿业平安与卫生局通过深孔向井下派出了一个救援机器人，这是搜救机器人被第一次用于矿难的救援，但最终因机器人中途行进过程中陷入泥潭而受阻。1.3.2新西兰矿难救援中的应用1.7新西兰用于搜救的机器人2010年11月19日下午4点左右，位于新西兰南岛西部阿塔劳的派克河煤矿发生瓦斯爆炸事故，29名矿工被困井下。由新西兰国防部提供的一个机器人经过改装，曾于11月22日下井，打算对矿井内的情况进行“摸底”，勘测矿井巷道是否通畅，搜集井下空气样本，并试图和被困人员取得联系。改装目的是为防止这台高科技设备在下井过程中产生火花、引发瓦斯爆炸。而很不幸的是,这台搜救机器人在水中行走了550米就发生了短路一一不到它的设计行程的四分之一。新西兰政府只好向美国和澳大利亚寻求更先进的机器人的帮助。11月24日下午，新西兰派克河煤矿发生第二次爆炸，29名5天前被困的矿工已经几乎没有生还希望。“想让任何机器人工作在不是专门为他们设计的环境中是几乎不可能成功的一一我们仍在探寻井下救灾到底需要什么。”来自德克萨斯A&M大学的救援机器人专家RobinMurphy说。从以上两个例子来看，应用机器人进行井下搜救工作面临诸多难题，恶劣的井下环境（黑暗，潮湿，冰冷）很容易造成机器人发生问题：短路，传感器失效，卡住等等。兴旺国家虽然用煤矿救灾机器人协助过救灾工作，但是效果并不明显。而在我国，煤矿救灾机器人从未经受过实践的考验，几年来一直停留在理论和样机阶段，因此我国并没有应用救灾机器人进行矿难事故救援的记录。事实上，几乎所有的煤矿救灾机器人都并非为井下独立设计，而是由其他救灾机器人（军用机器人和排爆机器人）稍作改良而来。而这种借鉴而来的设计并不能适应煤矿特殊的工作环境。目前来看，兴旺国家和我国研制煤矿救灾机器人也仅局限于煤矿探测和搜索机器人领域（最多能够带点食物等少量物资），并没有能力真正在“救人”领域取得突破。由此可见，煤矿救灾机器人的应用任重而道远。1. 4研究思路和重点需要解决的问题煤矿救灾机器人需要在矿井发生灾害时完成环境探测和营救任务，由于技术和矿井环境等原因，可将矿井救灾机器人做成环境探测机器人和营救机器人2种专门用途的救灾机器人。环境探测机器人是探测、采集和发送矿井灾害环境参数和信息,包括瓦斯、CO、02、温度和其他灾害特征气体等参数，以及生命、图像等信息，为地面救灾决策提供参考信息。环境探测机器人应该尽量小巧灵便。营救机器人需要将受伤矿工转移到平安地方，需要有足够的力量，因此其体积、尺寸不可能太小。目前，矿井营救机器人还没有开始研发，主要是研发用于矿井灾害环境探测机器人。所谓搜救机器人那么是进行灾害环境和遇险人员探测，并为伤员提供一定救助的机器人，如中国矿业大学研制的CUMT-1型矿井搜救机器人，这种机器人不需要做成很大就能够满足功能上的要求。研发矿井救灾机器人，必须充分了解煤矿井下的自然环境和灾害现场的特点，使所研发的机器人能适应环境并发挥作用。无论研发哪一种用途的救灾机器人都应包括如下研究内容：（1）机构局部搭建一个机动性和地面适应性好、越障能力强、可靠性高的机械移动平台，包括机械运动学和动力学设计、可靠性设计、机构的创新设计与性能试验等；（2）智能控制系统局部自主或半自主避障设计，对外界环境信息以及远程命令信号的处理，以及整机协调控制等;(3)电器控制局部机构动作驱动所需机电部件及其控制模块化设计，防爆本安设计及其可靠性性能试验；(4)传感局部各类传感器的合理选用和设计，以及传感器的防爆本安设计；(5)信息处理局部包括机器人各个运动局部的动作反应处理，多传感器信息融合处理，行进路线记录与再现模式设计，以及事故现场的环境数字化处理等；(6)通讯局部煤矿井下的无线传输特性分析及无线通讯解决方案设计，有线传输解决方案设计，巷道环境脱、放通信线缆机构设计及通讯线缆的脱、放性能分析等；(7)动力局部包括动力源的选用和能耗分配设计，特殊环境下对能源装置性能的影响等；(8)整体防爆局部整体模块化防爆系统的设计与检验；(9)整机防水设计机器人在透水的矿井巷道里如何能够保持在浸水状态下的工作稳定性；(9)整机试验机器人集成设计的功能和可靠性等综合性能试验。上述研究内容中，机构可靠性、避障能力、通讯方式和能力以及防爆防水设计是研发矿井救灾机器人需要重点解决的技术问题，以实现机器人有良好的越障能力和对在未知环境下动作的适应能力，尤其是在矿井巷道这样特定的地理环境中，对崎岖、狭窄空间的通过能力和对某些障碍的清障能力；在通讯不畅、环境信息不明的情况下，通过所携带的传感器使机器人平安避障，到达指定的目的地，即满足非结构化环境下避障、路径规划的实际应用需要；在矿井受灾情况下，无线信号的高速传输，有线通讯系统线缆收放、拖放的高效和高可靠性；同时满足机器人在矿井环境下使用的整体防爆防水要求。对于研发用于矿井救灾的机器人必须实现如下几个方面的创新：(1)设计理念和设计技术的创新；(2)适应矿井特殊环境的整体机构的设计创新；(3)把机器人传感技术用到煤矿井下的应用创新；(4)机器人导航控制方式的创新；(5)矿井恶劣环境中机器人通讯技术的创新；(6)机构的模块化设计和整体防爆防水设计的创新。1. 5煤矿救灾机器人的开展趋势由于煤矿救灾机器人一般工作在矿井事故发生后的地下环境中一一坍塌、黑暗、潮湿、泥泞、碎岩堆积、瓦斯气体聚集、通讯中断，因此，研究能够突破障碍、避障越障、防水防爆、具有高移动性能和灵敏通信模块、具有足够稳定性、可以通过人机交互方式进行操作的半自主煤矿救灾机器人将是今后开展的重要方向。半自主煤矿救灾机器人就是具有局部自主环境能力建模、自主检障和避障、局部自主导航移动等能力的机器人，它能够自主地完成操作员规划好的任务，而复杂环境分析、任务规划、全局路径选择等工作有操作员完成，通过操作员与机器人的协同来完成所指定的任务。1.1.1 从理论阶段实现向应用阶段的转变就国内外应用现状来看，煤矿救灾机器人实用价值很小，在矿难事故救援中几乎起不到作用。这是因为煤矿救灾机器人的研究尚未真正克服几大关键问题，一旦这些问题有比拟完善的解决方案，那么煤矿救灾机器人将实现理论阶段到应用阶段的飞跃。1.1.2 开发具有强大突破能力的“救人”机器人目前开发的煤矿救灾机器人普遍只能做到探测和环境分析，不能实现完全独立的“救人”工作，而且在搜救工作中，工作失效是机器人救人失败的主要原因。因此要针对井下障碍环境设计开发具有强大突破能力的救灾机器人，使得在事故发生后机器人能第一时间突破阻碍，争取更多的救人时间。1.1.3 机器人的虚拟环境分析以计算机支持的仿真技术为前提，通过井下救灾机器人获取的环境数据和空间数据形成虚拟的井下事故现场环境，为救灾人员提供现场直观画面，使得指挥人员能够更加高效地做出搜救方案、指挥决策。1.1.4 机器人的可靠性设计和分析煤矿救灾机器人的稳定性至关重要，在充满各种危险因素的井下工作的机器人任何时刻都有可能出现电路故障，因此，只有经过精确的可靠性设计和分析，煤矿机器人才能够稳定地工作在发生事故的矿难现场。1.1.5 机器人的立体化视觉如何让机器人的视觉准确的反映出井下三维环境是煤矿救灾机器人的开展方向之一。立体视觉是计算机视觉中的一个重要分支，它是由多幅图像（一般是两幅）获取物体三维几何信息。通过机器人的立体视觉，救灾人员可以获得观察点到目标物体的距离、目标物体的形体参数、目标物体的外表物理特征以及周围更大空间的投影图像。应用在煤矿救灾机器人的立体视觉系统应当保证精确性要求，稳定性要求和实时性要求。1.1.6 机渊人的自主自适应能力由于煤矿救灾机器人必须进入恶劣环境工作，所以目前大多数机器人都是采用无线遥控方式，移动和其他动作在操作人员的监视下自行完成的，在遇到困难时操作人员可以进行遥控干预。目前，一些移动机器人正逐渐向自主型开展，即依靠自身的智能自主导航、躲避障碍物，独立完成侦察和探测任务。全自主煤矿救灾机器人近期还难以实现，能做到的是自主加遥控的半自主方式。因为井下环境复杂，虽然GPS、电子罗盘可以给机器人定位，但在井下行驶时必须对井下环境进行建模和处理，才能决定如何行动。只有计算机视觉技术解决了复杂环境处理问题，全自主煤矿救灾机器人才有可能实现。1.1.7 标准化、模块化目前，各种机器人研制还处于各自为政，各个研究机构所采用的部件规格不一，要促进机器人的开展，必须像20世纪70年代PC产业的开展一样，采用标准化部件。而采用模块化的结构，可以提高系统的可靠性和增强系统的可扩展性。由于各模块功能单一、复杂性低、实现容易，通过增减模块可以改变系统的功能，容易形成系列化产品。重视机器人研制的技术通用化、结构模块化，强调研发的技术继承性，降低研究风险，节约研制经费，提高机器人的作用可靠性：搞好机器人产品的系列化。机器人作为一个机电产品，要想真正实现产业化，必须实施软硬件别离，并且将其软硬件模块化、标准化，每一块都可以作为一个产品，就像汽车的零部件。标准化包括硬件的标准化和标准化，硬件的标准化包括接口的标准化和功能模块的标准化；软件的标准化首先是一个通用管理平台，其次是通信协议的标准化合各种驱动软件模块的标准化。1武予鲁煤矿本质平安管理M.北京：化学工业出版社，2009.2周心权，常文杰.煤矿重大灾害应急救援概述M.徐州：中国矿业大学出版社，20073王绍光.煤矿平安生产监管：中国治理模式的转变A.吴敬琏，比拟第13辑M,北京：中信出版社,2004.4王勇、朱华等.煤矿救灾机器人研究现状及需要重点需要解决的技术问题J.煤矿机械,2007(4)：108-109.5孙久伟，刘罡等.多节履带式煤矿井下搜救机器人设计J.煤矿机械，2009(9):20-22.6富巍，刘美俊.排爆机器人的研究与研发M.北京：电子工业出版社,2010.7熊有论.机器人学M.北京：机械工业出版社，1993.8徐国华，谭民.移动机器人的开展现状及趋势J.机器人技术及应用，2001(3)：7-14.9 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