煤礦井下搜救機器人研究

1 課題研究背景

　　災難應急搜索和救援機器人（Search And Rescue Robot）是自然災害、事故等突發(fā)事件發(fā)生時，代替搜救人員進入現(xiàn)場執(zhí)行搜救探測任務的移動機器人。該類機器人可以遠程操控或采用自主的方式深入到復雜、危險、不確定的災害現(xiàn)場，探測未知環(huán)境信息，搜索和營救被困者。搜救機器人是機器人技術朝實用化發(fā)展的一個重要分支和新的研究領域，具有重要的社會價值。

　　搜救機器人可以應用于許多救援場合，比如地震、泥石流、臺風、洪水、礦難、消防、危險物排除、野外勘察等。當災難或事故發(fā)生后，現(xiàn)場環(huán)境復雜惡劣，充滿未知和不確定性的因素，嚴重威脅搜救人員的生命安全，給搜救工作的部署和實施帶來嚴峻考驗。而災難發(fā)生后的48小時是實施營救的關鍵時間，否則超過48小時被困者生還的可能性就變得很小。因此搜救機器人的研究具有重要的實用價值和社會意義，近年來受到了美國、日本、澳大利亞、中國等國家的高度重視。

　　本課題的研究目標，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探測機器人平臺，該平臺的主要任務定位為煤礦井下危險區(qū)域的環(huán)境探測，包括環(huán)境溫度、氣體組成與含量（CO，CH4，O2，H2S等）探測，以及現(xiàn)場視頻及音頻的采集與實時上傳；對于這些危險區(qū)域我們定位于有限目標環(huán)境的有限參數探測，因為煤礦事故種類繁多，情況復雜，我們不可能指望通過一兩種復雜的機構適應所有的井下環(huán)境，特別是對于像冒頂、塌方等極度復雜的環(huán)境或者透水等特殊環(huán)境的探測，必須采用專用的機構與技術來解決；因此，本平臺主要針對如瓦斯突出、局部火災、爆炸或坍塌，而具有可進入條件的災害環(huán)境進行探測。另外，作為一款搜救機器人平臺本系統(tǒng)預留了可以加載如機械臂等末端執(zhí)行機構的接口，從而為完成更加復雜和更有效的救援工作提供必要的技術支撐，也可以為該平臺在其他搜索與救援領域(如地震、泥石流、火災等其他災難現(xiàn)場)的應用提供重要的技術儲備。

　　2 搜救機器人研究進展

　　應急災難搜索和救援機器人的研究起步于20世紀80年代，經過1995年的美國俄克拉荷馬州爆炸案以及日本神戶大地震，搜救機器人才逐漸被作為機器人學的人道主義應用研究被重視起來。

　　隨后的十幾年時間里搜救機器人的技術不斷發(fā)展，但仍多數停留在實驗室階段，參加實際救援行動并發(fā)揮重要作用的實例很少。搜救機器人第一次大規(guī)模參與到現(xiàn)場救援的應用案例發(fā)生在美國911事件后，當時有Talon、Solem、PACKBOT、VGTV、MicroTracs、SPAWARUrbot等六種軍方和研究所的機器人參與了救援工作，如圖1所示。在這次救援任務中，機器人系統(tǒng)的主要任務包括:在廢墟中搜索可能有幸存者的空間，并監(jiān)控現(xiàn)場的結構變化，防止發(fā)生倒塌危及現(xiàn)場救援人員。搜救工作主要分為兩個階段，在第一階段的的工作中,機器人并不是過度深入廢墟現(xiàn)場,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是清理現(xiàn)場建筑殘骸,并為分析世貿中心塔樓倒塌的原因提供依據。在這一階段中，隨著操作人員熟練程度的增加以及現(xiàn)場積累的經驗，機器人系統(tǒng)的優(yōu)越性逐漸表現(xiàn)出來。機器人通過深入現(xiàn)場近距離偵察、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，機器人通過自身攜帶的不同類型探測器,測量一氧化碳、硫化氫、揮發(fā)性有機物的濃度和現(xiàn)場溫度,形成現(xiàn)場環(huán)境危險情況的基礎數據。通過十幾名不同專業(yè)、不同領域的專家進行現(xiàn)場分析，并研究、指導現(xiàn)場的救援工作,大大加快了工作進度,并保證了人員的安全,體現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢。同時，在此次救援過程中也發(fā)現(xiàn)了機器人系統(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，以及機器人自身狀態(tài)感知及環(huán)境描述方法的不足。總之，這次救援任務是人類歷史上由救援機器人參與的規(guī)模最大、也是較為成功的一次救援，在這次救援過程中，工程技術人員和現(xiàn)場專家積累了大量的機器人系統(tǒng)進行災難救援工作的寶貴經驗，對今后搜救機器人的研究來說是一筆巨大的財富。



　　此后美國、日本、澳大利亞等國的搜救機器人開始逐漸參與實際災害救援行動，通過與災害應急部門的緊密合作，不斷積累實際救災經驗，改進搜救機器人的性能，以提高機器人對搜救環(huán)境的適應能力。