矿难救援机器人的发展应用现状与未来趋势

□陈升

东北林业大学机电工程学院 哈尔滨 150040

矿难救援机器人的发展应用现状与未来趋势

□陈升

东北林业大学机电工程学院 哈尔滨 150040

矿难每年给世界带来大量的经济损失与人员伤亡。介绍了矿难救援的危险性及矿难救援机器人在救灾上的可行性，分析了国内外救援机器人的发展现状与应用，展望了未来矿难救援机器人的发展趋势与方向。随着国家的日益重视以及资金的大量投入，矿难救援机器人的研发成果必定会切实保障煤矿工人的人身安全，并带来可观的经济效益。

矿难 救援机器人 发展现状 趋势

目前，全世界每年都遭遇着大大小小的灾难，从地震、海啸、矿难到火灾，无一不肆意威胁、掠夺着人民的生命和财产。对于各种自然灾害，各国人民只能做到尽力预防以减少灾难所直接带来的危害和损失，但灾后的救援工作往往是决定灾难带来损失多少的关键因素。以矿难为例，在实施救援过程中，幸存者若在两天时间内得不到及时救助，死亡概率就会大大增加［1］。我国是世界产煤大国之一，但由于挖矿设备以及管理水平发展比较落后，时常有各种矿难发生，使矿难伤亡总人数位居世界首位［2］。随着经济的飞速发展，对煤等矿产资源的需求也日益增多，一定程度上增加了煤矿生产的压力，使安全生产更加不受保障。人力的局限、环境的危险性和不可控性以及对煤矿需求的剧增，使救援机器人成为替代传统救援工作的较佳选择。

1 救援机器人的必要性和可行性

1.1 救援机器人在矿难救援中的优势

（1）体积小巧，质量较轻，在坍塌现场，相比较于搜救犬和救援人员，引起二次危害发生的几率较小。

（2）能轻易地进入矿区深部危险区，拍摄详细的资料提供给研究者更全面的信息。

（3）能无条件、不停地做简单重复的救援任务，不会产生疲劳感。

（4）不用担心接触有毒物质和发生爆炸等。

1.2 矿难救援灾难现场存在的危险因素

在矿难发生坍塌后的救援过程中，救援现场危险因素主要有以下几点。

（1）结构疏松不牢固。在发生重大矿难事故后，原本牢固的矿床由于爆炸等原因，遭到不同程度的破坏，发生了结构改变，所以，当救援人员或搜救犬进入事故现场时，可能会发生二次坍塌，使救援工作变得复杂困难，甚至对救援人员人身造成伤害，使损失加剧。

（2）环境的不确定性。通常情况下，进行挖矿作业的工人都是在地表下工作，除了熟知的缺氧环境外，还有更多的不可控因素。矿难发生之后，由于不确定工作现场的环境，危险性增加，救援人员如果穿戴各种防护服，势必造成行动上的不便。

据美国救援办公室记录的数据，一名幸存者被从封闭的狭窄空间救援出来，大概需要十个救援人员花费四个小时［3］。而利用救援机器人独具的优势，可完成救援人员很难完成甚至不可能完成的救援任务。

2 矿难救援机器人的发展现状与应用

2001年美国“911”事件的发生，使世界各国意识到救援机器人在灾难救援过程中的重要性，开始将救援机器人投入实际应用阶段。经过十多年的不断实践与应用，救援机器人取得了很大的进步，但同时在救援过程中也暴露出一系列的问题。

2.1 国外矿难救援机器人的发展现状

欧美、日本等发达国家对矿难救援机器人的研究起步较早，在“911”事件中，原本一直致力于实验室研究的救援机器人，开始投入实用，这是救援机器人参加的第一次救援活动。之后，救援机器人吸引了许多科技大公司、高等院校及企业的注意，开始投入研究的资金也日益增多。

在发达国家对救援机器人的开发时间较早，重大矿难已差不多被消灭，但对矿难救援机器人的研发并没有就此止步，近年来仍取得了一系列研究成果。

美国卡内基梅隆大学研发的机器人Groundhog［4］如图1所示，利用液压系统作为动力，采用激光技术来测距的传感器，配有陀螺仪及在黑夜环境下工作的摄像机，能够比较准确地反映矿难现场的环境，同时，建立矿床的3D模型供救援人员参考［5］。

日本大阪大学研发的蛇形机器人［6］如图2所示，此类机器人身长较长，约有8 m，但直径却很小，只有不到几英寸，利用电动机作为原始动力，推动其向前行进，由于其身形较小，能通过相对较小的狭缝进入救援人员进不去的地方，利用被安装在头部的摄像机将矿区的受灾情况拍摄下来供研究人员参考。

2.2 国内救援机器人的发展现状

国内的矿难救援机器人发展起步较晚，但随着国家重视程度的不断提高，资金的投入越来越多，取得了一系列丰硕的成果。如：凯信集团与沈阳自动化研究所共同研发的煤矿救援探测机器人［7］，如图3所示；唐山开诚电器研发的矿用探测机器人［8］，如图4所示。

2.3 国内外救援机器人的应用及其问题

近年来，世界各国在矿难救援机器人的研究上，虽取得不少成就，但出现的问题也不容忽视。如：2006年发生在美国的西弗吉尼亚矿难，2010年发生在中国山西的王家岭特大矿难，以及同年发生在新西兰的派克矿难等［9］，都或多或少与机器人在救援过程中出现的故障有关，从而使救援工作在一定程度上受阻。

3 未来救援机器人的发展趋势与研究方向

从发生矿难的例子看出，目前矿难救援机器人在进行救援的过程中还是会面临一系列的难题，如不能连续地避开各种障碍物；遇水遇爆炸等可能发生短路而不能继续工作；不能很好地跟救援人员发生互动；救援过程中总是单个机器人独立地进行工作，缺乏合作性等，这些难题都是未来矿难救援机器人急需解决的。综合以上的各种事例，矿难救援机器人未来的研究方向与发展趋势大致如下。

（1）机器人运动结构。在矿难救援现场，由于地底下地形较之于地表复杂，所以要更加合理地设计矿难救援机器人的运动结构，使其更加平稳地行进；增强越过障碍的能力，达到更快、更准确地搜救出被困的采矿工作者。

（2）单个机器人向多个机器人的转变。在较为严重的矿难事故中，救援任务往往比较繁重，单个机器人往往无法及时完成，而多个机器人协调合作，使搜救范围变广，救援效率也更高，具有更强的救援优势。

（3）由“搜”转变为“搜救”。目前的矿难救援机器人，往往都是搜出受困伤员，探测出其是否有生命迹象，然后将信息反馈给救援人员，在这个过程中需要花费一定的时间。因此，研究出在搜到生命特征体之后由多个机器人合作将其迅速高效地救出现场的系统显得尤为重要。

（4）人机互动。在灾难现场，矿难救援机器人及时将信息准确地向救援人员反映，以便救援人员更好更快地控制机器人的动向，力求达到人机反应基本一致，以缩短救援时间。

▲图1 Groundhog矿井探测机器人

▲图2 蛇形机器人

▲图3 凯信集团与沈阳自动化研究所研发的探测机器人

▲图4 开诚电器公司研发的机器人

4 结束语

目前，世界各国对矿难救援机器人的研究已达到一定水平，但各方面仍存在一系列问题需要研究人员努力完善。伴随着未来科技的智能化和多元化，矿难救援机器人在不久的将来，定会为煤矿的安全生产带来切实保障，为世界带来巨大的经济效益。

［1］李斌.蛇形机器人的研究及在灾难救援中的应用［J］.机器人技术与应用，2003（3）：22-26.

［2］王忠明，刘军，窦智，等.矿难救援机器人的研究应用现状与开发［J］.煤矿机械，2007（11）：6-8.

［3］董晓坡，王绪本.救援机器人的发展及其在灾害救援中的应用［J］.防灾减灾工程学报，2007（1）：112-117.

［4］朱华.矿井救灾机器人研究现状及需要重点解决的技术问题［J］.徐州工程学院学报，2007（6）：5-8.

［5］Baker C，Morris A，Ferguson 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个日本地震营救机器人［J］.今日科技，2011（3）：54-55.

［7］煤矿井下探测机器人获国际制博会特别奖［J］.地质装备，2010（6）：7-8.

［8］王争.井下探测机器人控制系统研制及其运动性能分析［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

［9］齐帅，李宝林，程岩.煤矿救援机器人研究应用现状和需解决的问题［J］.矿山机械，2012（6）：7-10.

（编辑 小 前）

TP242

A

1000-4998（2015）04-0086-02

2014年10月