淺談礦山機器人的現(xiàn)狀、問題及發(fā)展課件

淺談礦山機器人的歷史、現(xiàn)狀、問題及發(fā)展趨勢

21世紀是信息主導(dǎo)的世紀。信息技術(shù)的飛速發(fā)展給中外采礦業(yè)帶來了巨大沖擊，采礦業(yè)是以礦產(chǎn)資源為生產(chǎn)對象的古老產(chǎn)業(yè)，絕大多數(shù)礦山企業(yè)還處在勞動密集型階段，安全問題也存在著很大隱患。近年來，我國煤炭工業(yè)發(fā)展迅速，2010年煤礦產(chǎn)量已達到33億t左右，有力地推動了國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。煤礦安全形勢也得到了好轉(zhuǎn)，但災(zāi)害事故尚未得到有效控制。2010年一次死亡10人以的事故就發(fā)生了19起，其中特重大煤礦事故達到了6起，安全生產(chǎn)形勢依然嚴峻。煤礦災(zāi)害事故的發(fā)生具有災(zāi)難性、突發(fā)性、繼發(fā)性和破壞性等特點，救災(zāi)的時效性比較強，此時救援人員進入井下施救，很容易遇到二次爆炸等各種危險狀況，對救援人員造成極大傷害。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，在危險，復(fù)雜的煤礦救災(zāi)等領(lǐng)域內(nèi)靈活使用機器人，利用其優(yōu)點，迅速探測災(zāi)區(qū)狀況為搶險救災(zāi)提供決策支持，是安全高效救援的迫切需要。1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，世界上許多國家開始從國家安全戰(zhàn)略角度出發(fā)，研發(fā)各種災(zāi)難救援機器人和反恐防爆機器人，用于災(zāi)難的防護和救援工作。目前，災(zāi)難救援機器人技術(shù)正從理論和試驗研究向?qū)嶋H應(yīng)用拓展。1.1國外研究現(xiàn)狀對于煤礦救援機器人的研究工作，美、英、德與澳等發(fā)達國家起步相對較早，并已進入實用化階段。目前，這些發(fā)達國家已基本消滅了礦井重大死亡事故，已有多家研究機構(gòu)或高校相繼研發(fā)出了針對不同用途的煤礦救災(zāi)機器人。圖1所示是RATLER礦井探索機器人，是由美國智能系統(tǒng)和機器人中心研發(fā)，用于災(zāi)后現(xiàn)場偵查工作。它裝備有陀螺儀、無線射頻收發(fā)器、危險氣體傳感器和主動紅外攝像機等，采用電傳遙控方式，無線遙控距離約76m?？▋?nèi)基梅隆大學機器人研究中心開發(fā)了具有探測井下實時環(huán)境、精確繪制立體地圖功能的全自主礦井探測機器人Groundhog。由Remotec公司制造的V2煤礦救援機器人安裝有導(dǎo)航、機器臂和多種傳感器，具有2路語音通信功能和夜視能力，遙控距離可達5000ft，礦井環(huán)境信息由光纖通信傳送。日本在救援機器人研發(fā)方面開展了相對全面的工作，圖2所示為日本大阪大學研制的蛇形機器人，該機器人充分運用了仿生學原理，能在高低不平的廢墟上前進，其身體部位安裝傳感器，頂端裝有一小型監(jiān)視器，可以在廢墟里尋找幸存者。1.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)救援機器人的研究工作起步較晚，研究單位也相對較少，但進展很快，經(jīng)過幾年努力已經(jīng)取得了卓有成效的進展。山東省自動化研究所聯(lián)合其他研究機構(gòu)于2009年成功研制出了具有生命探測功能的井下探測救援機器人(見圖3)該探測救援機器人結(jié)合視頻觀測、紅外熱成像和音頻探測等多種技術(shù)手段，可確認礦難現(xiàn)場是否有生命跡象存在。該機器人首次結(jié)合本安防爆和正壓防爆等多種防爆技術(shù)，以實現(xiàn)機器人的安全作業(yè)，同時在基于機械臂的全方位環(huán)境探測技術(shù)等方面也已達到國際領(lǐng)先水平。2010年，唐山開誠集團等課題組共同研制的“KRZ-I型礦用井下機器人裝置”重大科技項目經(jīng)過了專家鑒定(見圖4)。KRZ-I型礦用井下機器人具有越障、防爆、自定位、各種數(shù)據(jù)傳輸和信息采集識別等功能，能夠進入危險區(qū)域進行環(huán)境探測，近距離可無線控制，遠距離采用光纖通信控制。2011年，由唐山市質(zhì)監(jiān)局、唐山開誠集團組織編寫了我國第一個關(guān)于礦用井下機器人的省級地方標準——《礦用井下機器人技術(shù)規(guī)范》，填補了國內(nèi)空白。2需解決的問題及關(guān)鍵技術(shù)的研究從以上3個例子可以看出，應(yīng)用機器人進行井下救援工作面臨諸多難題，在惡劣的井下環(huán)境中，救援機器人很容易發(fā)生短路、傳感器失效、越障能力欠缺或續(xù)航能力不足等故障。目前來看，各國研制的救援機器人僅局限于井下探測和搜索領(lǐng)域，沒有真正在“救人”工作上取得實質(zhì)性的突破。所以，為使其能高效地完成作業(yè)，救援機器人必須具備較強的越障避障能力、較高的機構(gòu)可靠性、較長的續(xù)航能力、整體安全防爆設(shè)計和穩(wěn)定高效的通信能力等關(guān)鍵技術(shù)。(1)移動機構(gòu)移動機構(gòu)作為救援機器人的移動載體，直接決定了其越障能力。研發(fā)一款機動性好、地面適應(yīng)性高、自調(diào)整能力強、可靠性高的移動機構(gòu)對于提高機器人的越障能力起著決定性的作用。(2)續(xù)航能力由于救援機器人工作環(huán)境比較惡劣，且越障過程中耗能較大，為保證機器人長時間的正常工作，必須具有較長續(xù)航能力的能源供給。3煤礦救援機器人的發(fā)展趨勢由于煤礦救援機器人工作在礦井事故發(fā)生后的惡劣環(huán)境中，研究能夠避障越障、防水防爆、具有高移動性能和靈敏通信模塊、可以通過人機交互方式進行操作的半自主煤礦救援機器人將是今后發(fā)展的重要方向。(1)實現(xiàn)從搜救到救人的突破目前開發(fā)的煤礦救援機器人普遍只能做到探測和環(huán)境分析，不能實現(xiàn)完全獨立的“救人”工作，且在搜救工作中，工作失效是導(dǎo)致機器人救人失敗的主要原因。因此，要針對井下障礙環(huán)境，設(shè)計開發(fā)具有強大突破能力的救援機器人，使其在事故發(fā)生后能第一時間突破阻礙，爭取更多的救人時間，減少人員傷亡。(3)群體機器人協(xié)調(diào)化群體機