礦難救援機(jī)器人的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀與未來趨勢(shì)

□陳升

東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 哈爾濱 150040

礦難救援機(jī)器人的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀與未來趨勢(shì)

□陳升

東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 哈爾濱 150040

礦難每年給世界帶來大量的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。介紹了礦難救援的危險(xiǎn)性及礦難救援機(jī)器人在救災(zāi)上的可行性，分析了國(guó)內(nèi)外救援機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用，展望了未來礦難救援機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)與方向。隨著國(guó)家的日益重視以及資金的大量投入，礦難救援機(jī)器人的研發(fā)成果必定會(huì)切實(shí)保障煤礦工人的人身安全，并帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

礦難 救援機(jī)器人 發(fā)展現(xiàn)狀 趨勢(shì)

目前，全世界每年都遭遇著大大小小的災(zāi)難，從地震、海嘯、礦難到火災(zāi)，無一不肆意威脅、掠奪著人民的生命和財(cái)產(chǎn)。對(duì)于各種自然災(zāi)害，各國(guó)人民只能做到盡力預(yù)防以減少災(zāi)難所直接帶來的危害和損失，但災(zāi)后的救援工作往往是決定災(zāi)難帶來?yè)p失多少的關(guān)鍵因素。以礦難為例，在實(shí)施救援過程中，幸存者若在兩天時(shí)間內(nèi)得不到及時(shí)救助，死亡概率就會(huì)大大增加［1］。我國(guó)是世界產(chǎn)煤大國(guó)之一，但由于挖礦設(shè)備以及管理水平發(fā)展比較落后，時(shí)常有各種礦難發(fā)生，使礦難傷亡總?cè)藬?shù)位居世界首位［2］。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)煤等礦產(chǎn)資源的需求也日益增多，一定程度上增加了煤礦生產(chǎn)的壓力，使安全生產(chǎn)更加不受保障。人力的局限、環(huán)境的危險(xiǎn)性和不可控性以及對(duì)煤礦需求的劇增，使救援機(jī)器人成為替代傳統(tǒng)救援工作的較佳選擇。

1 救援機(jī)器人的必要性和可行性

1.1 救援機(jī)器人在礦難救援中的優(yōu)勢(shì)

（1）體積小巧，質(zhì)量較輕，在坍塌現(xiàn)場(chǎng)，相比較于搜救犬和救援人員，引起二次危害發(fā)生的幾率較小。

（2）能輕易地進(jìn)入礦區(qū)深部危險(xiǎn)區(qū)，拍攝詳細(xì)的資料提供給研究者更全面的信息。

（3）能無條件、不停地做簡(jiǎn)單重復(fù)的救援任務(wù)，不會(huì)產(chǎn)生疲勞感。

（4）不用擔(dān)心接觸有毒物質(zhì)和發(fā)生爆炸等。

1.2 礦難救援災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)存在的危險(xiǎn)因素

在礦難發(fā)生坍塌后的救援過程中，救援現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)因素主要有以下幾點(diǎn)。

（1）結(jié)構(gòu)疏松不牢固。在發(fā)生重大礦難事故后，原本牢固的礦床由于爆炸等原因，遭到不同程度的破壞，發(fā)生了結(jié)構(gòu)改變，所以，當(dāng)救援人員或搜救犬進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生二次坍塌，使救援工作變得復(fù)雜困難，甚至對(duì)救援人員人身造成傷害，使損失加劇。

（2）環(huán)境的不確定性。通常情況下，進(jìn)行挖礦作業(yè)的工人都是在地表下工作，除了熟知的缺氧環(huán)境外，還有更多的不可控因素。礦難發(fā)生之后，由于不確定工作現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，危險(xiǎn)性增加，救援人員如果穿戴各種防護(hù)服，勢(shì)必造成行動(dòng)上的不便。

據(jù)美國(guó)救援辦公室記錄的數(shù)據(jù)，一名幸存者被從封閉的狹窄空間救援出來，大概需要十個(gè)救援人員花費(fèi)四個(gè)小時(shí)［3］。而利用救援機(jī)器人獨(dú)具的優(yōu)勢(shì)，可完成救援人員很難完成甚至不可能完成的救援任務(wù)。

2 礦難救援機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用

2001年美國(guó)“911”事件的發(fā)生，使世界各國(guó)意識(shí)到救援機(jī)器人在災(zāi)難救援過程中的重要性，開始將救援機(jī)器人投入實(shí)際應(yīng)用階段。經(jīng)過十多年的不斷實(shí)踐與應(yīng)用，救援機(jī)器人取得了很大的進(jìn)步，但同時(shí)在救援過程中也暴露出一系列的問題。

2.1 國(guó)外礦難救援機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)礦難救援機(jī)器人的研究起步較早，在“911”事件中，原本一直致力于實(shí)驗(yàn)室研究的救援機(jī)器人，開始投入實(shí)用，這是救援機(jī)器人參加的第一次救援活動(dòng)。之后，救援機(jī)器人吸引了許多科技大公司、高等院校及企業(yè)的注意，開始投入研究的資金也日益增多。

在發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)救援機(jī)器人的開發(fā)時(shí)間較早，重大礦難已差不多被消滅，但對(duì)礦難救援機(jī)器人的研發(fā)并沒有就此止步，近年來仍取得了一系列研究成果。

美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研發(fā)的機(jī)器人Groundhog［4］如圖1所示，利用液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力，采用激光技術(shù)來測(cè)距的傳感器，配有陀螺儀及在黑夜環(huán)境下工作的攝像機(jī)，能夠比較準(zhǔn)確地反映礦難現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，同時(shí)，建立礦床的3D模型供救援人員參考［5］。

日本大阪大學(xué)研發(fā)的蛇形機(jī)器人［6］如圖2所示，此類機(jī)器人身長(zhǎng)較長(zhǎng)，約有8 m，但直徑卻很小，只有不到幾英寸，利用電動(dòng)機(jī)作為原始動(dòng)力，推動(dòng)其向前行進(jìn)，由于其身形較小，能通過相對(duì)較小的狹縫進(jìn)入救援人員進(jìn)不去的地方，利用被安裝在頭部的攝像機(jī)將礦區(qū)的受災(zāi)情況拍攝下來供研究人員參考。

2.2 國(guó)內(nèi)救援機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的礦難救援機(jī)器人發(fā)展起步較晚，但隨著國(guó)家重視程度的不斷提高，資金的投入越來越多，取得了一系列豐碩的成果。如：凱信集團(tuán)與沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所共同研發(fā)的煤礦救援探測(cè)機(jī)器人［7］，如圖3所示；唐山開誠(chéng)電器研發(fā)的礦用探測(cè)機(jī)器人［8］，如圖4所示。

2.3 國(guó)內(nèi)外救援機(jī)器人的應(yīng)用及其問題

近年來，世界各國(guó)在礦難救援機(jī)器人的研究上，雖取得不少成就，但出現(xiàn)的問題也不容忽視。如：2006年發(fā)生在美國(guó)的西弗吉尼亞礦難，2010年發(fā)生在中國(guó)山西的王家?guī)X特大礦難，以及同年發(fā)生在新西蘭的派克礦難等［9］，都或多或少與機(jī)器人在救援過程中出現(xiàn)的故障有關(guān)，從而使救援工作在一定程度上受阻。

3 未來救援機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)與研究方向

從發(fā)生礦難的例子看出，目前礦難救援機(jī)器人在進(jìn)行救援的過程中還是會(huì)面臨一系列的難題，如不能連續(xù)地避開各種障礙物；遇水遇爆炸等可能發(fā)生短路而不能繼續(xù)工作；不能很好地跟救援人員發(fā)生互動(dòng)；救援過程中總是單個(gè)機(jī)器人獨(dú)立地進(jìn)行工作，缺乏合作性等，這些難題都是未來礦難救援機(jī)器人急需解決的。綜合以上的各種事例，礦難救援機(jī)器人未來的研究方向與發(fā)展趨勢(shì)大致如下。

（1）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。在礦難救援現(xiàn)場(chǎng)，由于地底下地形較之于地表復(fù)雜，所以要更加合理地設(shè)計(jì)礦難救援機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，使其更加平穩(wěn)地行進(jìn)；增強(qiáng)越過障礙的能力，達(dá)到更快、更準(zhǔn)確地搜救出被困的采礦工作者。

（2）單個(gè)機(jī)器人向多個(gè)機(jī)器人的轉(zhuǎn)變。在較為嚴(yán)重的礦難事故中，救援任務(wù)往往比較繁重，單個(gè)機(jī)器人往往無法及時(shí)完成，而多個(gè)機(jī)器人協(xié)調(diào)合作，使搜救范圍變廣，救援效率也更高，具有更強(qiáng)的救援優(yōu)勢(shì)。

（3）由“搜”轉(zhuǎn)變?yōu)椤八丫取?。目前的礦難救援機(jī)器人，往往都是搜出受困傷員，探測(cè)出其是否有生命跡象，然后將信息反饋給救援人員，在這個(gè)過程中需要花費(fèi)一定的時(shí)間。因此，研究出在搜到生命特征體之后由多個(gè)機(jī)器人合作將其迅速高效地救出現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)顯得尤為重要。

（4）人機(jī)互動(dòng)。在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)，礦難救援機(jī)器人及時(shí)將信息準(zhǔn)確地向救援人員反映，以便救援人員更好更快地控制機(jī)器人的動(dòng)向，力求達(dá)到人機(jī)反應(yīng)基本一致，以縮短救援時(shí)間。

▲圖1 Groundhog礦井探測(cè)機(jī)器人

▲圖2 蛇形機(jī)器人

▲圖3 凱信集團(tuán)與沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研發(fā)的探測(cè)機(jī)器人

▲圖4 開誠(chéng)電器公司研發(fā)的機(jī)器人

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，世界各國(guó)對(duì)礦難救援機(jī)器人的研究已達(dá)到一定水平，但各方面仍存在一系列問題需要研究人員努力完善。伴隨著未來科技的智能化和多元化，礦難救援機(jī)器人在不久的將來，定會(huì)為煤礦的安全生產(chǎn)帶來切實(shí)保障，為世界帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］李斌.蛇形機(jī)器人的研究及在災(zāi)難救援中的應(yīng)用［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2003（3）：22-26.

［2］王忠明，劉軍，竇智，等.礦難救援機(jī)器人的研究應(yīng)用現(xiàn)狀與開發(fā)［J］.煤礦機(jī)械，2007（11）：6-8.

［3］董曉坡，王緒本.救援機(jī)器人的發(fā)展及其在災(zāi)害救援中的應(yīng)用［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2007（1）：112-117.

［4］朱華.礦井救災(zāi)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及需要重點(diǎn)解決的技術(shù)問題［J］.徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（6）：5-8.

［5］Baker C，Morris A，F(xiàn)erguson D.A Campaign in Autonomous Mine Mapping［C］.Proceedings of The IEEE International Conference on Robotics and Automation（ICRA），New Orleans，LA，2004.

［6］7個(gè)日本地震營(yíng)救機(jī)器人［J］.今日科技，2011（3）：54-55.

［7］煤礦井下探測(cè)機(jī)器人獲國(guó)際制博會(huì)特別獎(jiǎng)［J］.地質(zhì)裝備，2010（6）：7-8.

［8］王爭(zhēng).井下探測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)研制及其運(yùn)動(dòng)性能分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［9］齊帥，李寶林，程巖.煤礦救援機(jī)器人研究應(yīng)用現(xiàn)狀和需解決的問題［J］.礦山機(jī)械，2012（6）：7-10.

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1000-4998（2015）04-0086-02

2014年10月