煤礦井下搜救機器人關(guān)鍵技術(shù)研究
加入技術(shù)交流群
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(shí)，代替搜救人員進(jìn)入現場(chǎng)執行搜救探測任務(wù)的移動(dòng)機器人。該類(lèi)機器人可以遠程操控或采用自主的方式深入到復雜、危險、不確定的災害現場(chǎng)，探測未知環(huán)境信息，搜索和營(yíng)救被困者。搜救機器人是機器人技術(shù)朝實(shí)用化發(fā)展的一個(gè)重要分支和新的研究領(lǐng)域，具有重要的社會(huì )價(jià)值。
搜救機器人可以應用于許多救援場(chǎng)合，比如地震、泥石流、臺風(fēng)、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，現場(chǎng)環(huán)境復雜惡劣，充滿(mǎn)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(shí)施帶來(lái)嚴峻考驗。而災難發(fā)生后的48小時(shí)是實(shí)施營(yíng)救的關(guān)鍵時(shí)間，否則超過(guò)48小時(shí)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(shí)用價(jià)值和社會(huì )意義，近年來(lái)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定、可靠的煤礦井下移動(dòng)探測機器人平臺，該平臺的主要任務(wù)定位為煤礦井下危險區域的環(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，以及現場(chǎng)視頻及音頻的采集與實(shí)時(shí)上傳；對于這些危險區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(lèi)繁多，情況復雜，我們不可能指望通過(guò)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(zhuān)用的機構與技術(shù)來(lái)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(jìn)入條件的災害環(huán)境進(jìn)行探測。另外，作為一款搜救機器人平臺本系統預留了可以加載如機械臂等末端執行機構的接口，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(shù)支撐，也可以為該平臺在其他搜索與救援領(lǐng)域（如地震、泥石流、火災等其他災難現場(chǎng)）的應用提供重要的技術(shù)儲備。
2 搜救機器人研究進(jìn)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(jīng)過(guò)1995年的美國俄克拉荷馬州爆炸案以及日本神戶(hù)大地震，搜救機器人才逐漸被作為機器人學(xué)的人道主義應用研究被重視起來(lái)。
隨后的十幾年時(shí)間里搜救機器人的技術(shù)不斷發(fā)展，但仍多數停留在實(shí)驗室階段，參加實(shí)際救援行動(dòng)并發(fā)揮重要作用的實(shí)例很少。搜救機器人第一次大規模參與到現場(chǎng)救援的應用案例發(fā)生在美國911事件后，當時(shí)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(wù)中，機器人系統的主要任務(wù)包括：在廢墟中搜索可能有幸存者的空間，并監控現場(chǎng)的結構變化，防止發(fā)生倒塌危及現場(chǎng)救援人員。搜救工作主要分為兩個(gè)階段，在第一階段的的工作中，機器人并不是過(guò)度深入廢墟現場(chǎng)，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(diǎn)是清理現場(chǎng)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(zhù)操作人員熟練程度的增加以及現場(chǎng)積累的經(jīng)驗，機器人系統的優(yōu)越性逐漸表現出來(lái)。機器人通過(guò)深入現場(chǎng)近距離偵察、攝像，從而確定殘存墻體的穩定性和發(fā)生倒塌的可能性；同時(shí)，機器人通過(guò)自身攜帶的不同類(lèi)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場(chǎng)溫度，形成現場(chǎng)環(huán)境危險情況的基礎數據。通過(guò)十幾名不同專(zhuān)業(yè)、不同領(lǐng)域的專(zhuān)家進(jìn)行現場(chǎng)分析，并研究、指導現場(chǎng)的救援工作，大大加快了工作進(jìn)度，并保證了人員的安全，體現了明顯的優(yōu)勢。同時(shí)，在此次救援過(guò)程中也發(fā)現了機器人系統的一些問(wèn)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?？傊?，這次救援任務(wù)是人類(lèi)歷史上由救援機器人參與的規模最大、也是較為成功的一次救援，在這次救援過(guò)程中，工程技術(shù)人員和現場(chǎng)專(zhuān)家積累了大量的機器人系統進(jìn)行災難救援工作的寶貴經(jīng)驗，對今后搜救機器人的研究來(lái)說(shuō)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(kāi)始逐漸參與實(shí)際災害救援行動(dòng)，通過(guò)與災害應急部門(mén)的緊密合作，不斷積累實(shí)際救災經(jīng)驗，改進(jìn)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。
經(jīng)過(guò)幾年的研究和改進(jìn)，搜救機器人再次用于美國加州小鎮拉?肯奇塔泥石流和“卡特里娜”颶風(fēng)災害的搜救過(guò)程。拉?肯奇塔泥石流災害造成大量的房屋坍塌和煤氣泄漏，Inuktun公司專(zhuān)門(mén)為救災應用設計改進(jìn)的機器人VGTV-Xtreme被派往現場(chǎng)，但由于履帶脫落使搜救機器人無(wú)法繼續執行任務(wù)。同年在美國歷史上最嚴重的自然災害“卡特里娜”颶風(fēng)襲擊后的救援中，VGTV-Xtreme發(fā)揮了重大作用。另外國際上為促進(jìn)搜救機器人研究的進(jìn)展，也設有專(zhuān)門(mén)的搜救機器人大賽RoboCup Rescue。
評論