浅谈矿山机器人的现状、问题及发展

浅谈矿山机器人的历史、现状、问题及发展趋势21世纪是信息主导的世纪。信息技术的飞速发展给中外采矿业带来了巨大冲击，采矿业是以矿产资源为生产对象的古老产业，绝大多数矿山企业还处在劳动密集型阶段，安全问题也存在着很大隐患。近年来，我国煤炭工业发展迅速，2010年煤矿产量已达到33亿t左右，有力地推动了国民经济的持续发展。煤矿安全形势也得到了好转，但灾害事故尚未得到有效控制。2010年一次死亡10人以的事故就发生了19起，其中特重大煤矿事故达到了6起，形势依然严峻。煤矿灾害事故的发生具有灾难性、突发性、继发性和破坏性等特点，救灾的时效性比较强，此时救援人员进入井下施救，很容易遇到二次爆炸等各种危险状况，对救援人员造成极大伤害。随着科学技术的发展，在危险，复杂的煤矿救灾等领域内灵活使用机器人，利用其优点，迅速探测灾区状况为抢险救灾提供决策支持，是安全高效救援的迫切需要。1　国内外研究现状近年来，世界上许多国家开始从国家安全战略角度出发，研发各种灾难救援机器人和反恐防爆机器人，用于灾难的防护和救援工作。目前，灾难救援机器人技术正从理论和试验研究向实际应用拓展。1.1　国外研究现状对于煤矿救援机器人的研究工作，美、英、德与澳等发达国家起步相对较早，并已进入实用化阶段。目前，这些发达国家已基本消灭了矿井重大死亡事故，已有多家研究机构或高校相继研发出了针对不同用途的煤矿救灾机器人。图1所示是RATLER矿井探索机器人，是由美国智能系统和机器人中心研发，用于灾后现场侦查工作。它装备有陀螺仪、无线射频收发器、危险气体传感器和主动红外摄像机等，采用电传遥控方式，无线遥控距离约76m。卡内基梅隆大学机器人研究中心开发了具有探测井下实时环境、精确绘制立体地图功能的全自主矿井探测机器人Groundhog。由Remotec公司制造的V2煤矿救援机器人安装有导航、机器臂和多种传感器，具有2路语音通信功能和夜视能力，遥控距离可达5000ft，矿井环境信息由光纤通信传送。日本在救援机器人研发方面开展了相对全面的工作，图2所示为日本大阪大学研制的蛇形机器人，该机器人充分运用了仿生学原理，能在高低不平的废墟上前进，其身体部位安装传感器，顶端装有一小型监视器，可以在废墟里寻找幸存者。1.2　国内研究现状国内救援机器人的研究工作起步较晚，研究单位也相对较少，但进展很快，经过几年努力已经取得了卓有成效的进展。山东省自动化研究所联合其他研究机构于2009年成功研制出了具有生命探测功能的井下探测救援机器人(见图3)该探测救援机器人结合视频观测、红外热成像和音频探测等多种技术手段，可确认矿难现场是否有生命迹象存在。该机器人首次结合本安防爆和正压防爆等多种防爆技术，以实现机器人的安全作业，同时在基于机械臂的全方位环境探测技术等方面也已达到国际领先水平。2010年，唐山开诚集团等课题组共同研制的“KRZ-I型矿用井下机器人装置”重大科技项目经过了专家鉴定(见图4)。KRZ-I型矿用井下机器人具有越障、防爆、自定位、各种数据传输和信息采集识别等功能，能够进入危险区域进行环境探测，近距离可无线控制，远距离采用光纤通信控制。2011年，由唐山市质监局、唐山开诚集团组织编写了我国第一个关于矿用井下机器人的省级地方标准——《矿用井下机器人技术规范》，填补了国内空白。2需解决的问题及关键技术的研究从以上3个例子可以看出，应用机器人进行井下救援工作面临诸多难题，在恶劣的井下环境中，救援机器人很容易发生短路、传感器失效、越障能力欠缺或续航能力不足等故障。目前来看，各国研制的救援机器人仅局限于井下探测和搜索领域，没有真正在“救人”工作上取得实质性的突破。所以，为使其能高效地完成作业，救援机器人必须具备较强的越障避障能力、较高的机构可靠性、较长的续航能力、整体安全防爆设计和稳定高效的通信能力等关键技术。(1)移动机构　移动机构作为救援机器人的移动载体，直接决定了其越障能力。研发一款机动性好、地面适应性高、自调整能力强、可靠性高的移动机构对于提高机器人的越障能力起着决定性的作用。(2)续航能力　由于救援机器人工作环境比较恶劣，且越障过程中耗能较大，为保证机器人长时间的正常工作，必须具有较长续航能力的能源供给。(3)安全保护与防爆设计　为保证救援机器人在灾区环境下的安全运行，机器人应具备必要的安全保护功能，不能引发次生灾害事故。(4)通信和感知系统　机器人的通信系统主要负责实现双向信息交流。可以采用有线与无线结合的方式进行控制，保证信号传输的高效稳定性。而感知系统的研发主要是针对灵敏度高、可靠性好的传感器，在保证对机器人正常控制下，使其能够迅速探测井下环境，传输数据信息，并通过搭载的生命探测仪探索生命迹象，实现对人员的定位，保证及时展开救援。3　煤矿救援机器人的发展趋势由于煤矿救援机器人工作在矿井事故发生后的恶劣环境中，研究能够避障越障、防水防爆、具有高移动性能和灵敏通信模块、可以通过人机交互方式进行操作的半自主煤矿救援机器人将是今后发展的重要方向。(1)实现从搜救到救人的突破　目前开发的煤矿救援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，且在搜救工作中，工作失效是导致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援机器人，使其在事故发生后能第一时间突破阻碍，争取更多的救人时间，减少人员伤亡。(2)多种技术融合化和智能化　为使救援机器人达到更好的搜救效果，必须融合人机交互、导航定位技术、多传感器技术、遥控和监控技术、网络技术和机器智能等针对灾难现场特殊环境的相关技术，为救援机器人系统提供强有力的保障。(3)群体机器人协调化　群体机器人技术采用了仿生学原理，具有空间分布广、效率高及适应性好等特点，与单机器人系统相比，群体机器人系统具有更强的优越性。在响应巨大灾难时，可以考虑由多机器人组成群体，通过系统调节来完成单机器人无法或难以完成的工作。谢谢！