煤矿井下搜救机器人研究

1 课题研究背景灾难应急搜索和救援机器人（Search And Rescue Robot）是自然灾害、事故等突发事件发生时，代替搜救人员进入现场执行搜救探测任务的移动机器人。该类机器人可以远程操控或采用自主的方式深入到复杂、危险、不确定的灾害现场，探测未知环境信息，搜索和营救被困者。搜救机器人是机器人技术朝实用化发展的一个重要分支和新的研究领域，具有重要的社会价值。搜救机器人可以应用于许多救援场合，比如地震、泥石流、台风、洪水、矿难、消防、危险物排除、野外勘察等。当灾难或事故发生后，现场环境复杂恶劣，充满未知和不确定性的因素，严重威胁搜救人员的生命安全，给搜救工作的部署和实施带来严峻考验。而灾难发生后的48小时是实施营救的关键时间，否则超过48小时被困者生还的可能性就变得很小。因此搜救机器人的研究具有重要的实用价值和社会意义，近年来受到了美国、日本、澳大利亚、中国等国家的高度重视。本课题的研究目标，是研发一种以主从式遥操作为主并具备一定自主能力的稳定、可靠的煤矿井下移动探测机器人平台，该平台的主要任务定位为煤矿井下危险区域的环境探测，包括环境温度、气体组成与含量（CO，CH4，O2，H2S等）探测，以及现场视频及音频的采集与实时上传；对于这些危险区域我们定位于有限目标环境的有限参数探测，因为煤矿事故种类繁多，情况复杂，我们不可能指望通过一两种复杂的机构适应所有的井下环境，特别是对于像冒顶、塌方等极度复杂的环境或者透水等特殊环境的探测，必须采用专用的机构与技术来解决；因此，本平台主要针对如瓦斯突出、局部火灾、爆炸或坍塌，而具有可进入条件的灾害环境进行探测。另外，作为一款搜救机器人平台本系统预留了可以加载如机械臂等末端执行机构的接口，从而为完成更加复杂和更有效的救援工作提供必要的技术支撑，也可以为该平台在其他搜索与救援领域(如地震、泥石流、火灾等其他灾难现场)的应用提供重要的技术储备。2 搜救机器人研究进展应急灾难搜索和救援机器人的研究起步于20世纪80年代，经过1995年的美国俄克拉荷马州爆炸案以及日本神户大地震，搜救机器人才逐渐被作为机器人学的人道主义应用研究被重视起来。随后的十几年时间里搜救机器人的技术不断发展，但仍多数停留在实验室阶段，参加实际救援行动并发挥重要作用的实例很少。搜救机器人第一次大规模参与到现场救援的应用案例发生在美国911事件后，当时有Talon、Solem、PACKBOT、VGTV、MicroTracs、SPAWARUrbot等六种军方和研究所的机器人参与了救援工作，如图1所示。在这次救援任务中，机器人系统的主要任务包括:在废墟中搜索可能有幸存者的空间，并监控现场的结构变化，防止发生倒塌危及现场救援人员。搜救工作主要分为两个阶段，在第一阶段的的工作中,机器人并不是过度深入废墟现场,而是在人不便于接近的地方起到辅助作用。第二阶段的工作重点是清理现场建筑残骸,并为分析世贸中心塔楼倒塌的原因提供依据。在这一阶段中，随着操作人员熟练程度的增加以及现场积累的经验，机器人系统的优越性逐渐表现出来。机器人通过深入现场近距离侦察、摄像,从而确定残存墙体的稳定性和发生倒塌的可能性；同时，机器人通过自身携带的不同类型探测器,测量一氧化碳、硫化氢、挥发性有机物的浓度和现场温度,形成现场环境危险情况的基础数据。通过十几名不同专业、不同领域的专家进行现场分析，并研究、指导现场的救援工作,大大加快了工作进度,并保证了人员的安全,体现了明显的优势。同时，在此次救援过程中也发现了机器人系统的一些问题，如防水能力、耐热能力、防震及其他抗恶劣环境能力的不足，以及机器人自身状态感知及环境描述方法的不足。总之，这次救援任务是人类历史上由救援机器人参与的规模最大、也是较为成功的一次救援，在这次救援过程中，工程技术人员和现场专家积累了大量的机器人系统进行灾难救援工作的宝贵经验，对今后搜救机器人的研究来说是一笔巨大的财富。此后美国、日本、澳大利亚等国的搜救机器人开始逐渐参与实际灾害救援行动，通过与灾害应急部门的紧密合作，不断积累实际救灾经验，改进搜救机器人的性能，以提高机器人对搜救环境的适应能力。

碧莲盛 合肥

厦门碧莲盛医院

武汉碧莲盛