淺談礦山機(jī)器人的現(xiàn)狀問題及發(fā)展

淺談礦山機(jī)器人的現(xiàn)狀問題及發(fā)展第一頁，共二十一頁，2022年，8月28日21世紀(jì)是信息主導(dǎo)的世紀(jì)。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(dá)到33億t左右，有力地推動了國民經(jīng)濟(jì)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(dá)到了6起，安全生產(chǎn)形勢依然嚴(yán)峻。第二頁，共二十一頁，2022年，8月28日煤礦災(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(diǎn)，救災(zāi)的時效性比較強(qiáng)，此時救援人員進(jìn)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(xué)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(jī)器人，利用其優(yōu)點(diǎn)，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。第三頁，共二十一頁，2022年，8月28日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(jī)器人和反恐防爆機(jī)器人，用于災(zāi)難的防護(hù)和救援工作。目前，災(zāi)難救援機(jī)器人技術(shù)正從理論和試驗研究向?qū)嶋H應(yīng)用拓展。第四頁，共二十一頁，2022年，8月28日1.1國外研究現(xiàn)狀對于煤礦救援機(jī)器人的研究工作，美、英、德與澳等發(fā)達(dá)國家起步相對較早，并已進(jìn)入實用化階段。目前，這些發(fā)達(dá)國家已基本消滅了礦井重大死亡事故，已有多家研究機(jī)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(jī)器人。圖1所示是RATLER礦井探索機(jī)器人，是由美國智能系統(tǒng)和機(jī)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(jī)等，采用電傳遙控方式，無線遙控距離約76m。第五頁，共二十一頁，2022年，8月28日第六頁，共二十一頁，2022年，8月28日卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)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(jī)器人Groundhog。由Remotec公司制造的V2煤礦救援機(jī)器人安裝有導(dǎo)航、機(jī)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(dá)5000ft，礦井環(huán)境信息由光纖通信傳送。第七頁，共二十一頁，2022年，8月28日日本在救援機(jī)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(xué)研制的蛇形機(jī)器人，該機(jī)器人充分運(yùn)用了仿生學(xué)原理，能在高低不平的廢墟上前進(jìn)，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。第八頁，共二十一頁，2022年，8月28日第九頁，共二十一頁，2022年，8月28日1.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)救援機(jī)器人的研究工作起步較晚，研究單位也相對較少，但進(jìn)展很快，經(jīng)過幾年努力已經(jīng)取得了卓有成效的進(jìn)展。山東省自動化研究所聯(lián)合其他研究機(jī)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(jī)器人(見圖3)該探測救援機(jī)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(rèn)礦難現(xiàn)場是否有生命跡象存在。該機(jī)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(jī)器人的安全作業(yè)，同時在基于機(jī)械臂的全方位環(huán)境探測技術(shù)等方面也已達(dá)到國際領(lǐng)先水平。第十頁，共二十一頁，2022年，8月28日第十一頁，共二十一頁，2022年，8月28日2010年，唐山開誠集團(tuán)等課題組共同研制的“KRZ-I型礦用井下機(jī)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(jī)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(jìn)入危險區(qū)域進(jìn)行環(huán)境探測，近距離可無線控制，遠(yuǎn)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(tuán)組織編寫了我國第一個關(guān)于礦用井下機(jī)器人的省級地方標(biāo)準(zhǔn)——《礦用井下機(jī)器人技術(shù)規(guī)范》，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。第十二頁，共二十一頁，2022年，8月28日第十三頁，共二十一頁，2022年，8月28日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(jī)器人進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)器人必須具備較強(qiáng)的越障避障能力、較高的機(jī)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)。第十四頁，共二十一頁，2022年，8月28日(1)移動機(jī)構(gòu)移動機(jī)構(gòu)作為救援機(jī)器人的移動載體，直接決定了其越障能力。研發(fā)一款機(jī)動性好、地面適應(yīng)性高、自調(diào)整能力強(qiáng)、可靠性高的移動機(jī)構(gòu)對于提高機(jī)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(jī)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(jī)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。第十五頁，共二十一頁，2022年，8月28日(3)安全保護(hù)與防爆設(shè)計為保證救援機(jī)器人在災(zāi)區(qū)環(huán)境下的安全運(yùn)行，機(jī)器人應(yīng)具備必要的安全保護(hù)功能，不能引發(fā)次生災(zāi)害事故。(4)通信和感知系統(tǒng)機(jī)器人的通信系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)雙向信息交流?？梢圆捎糜芯€與無線結(jié)合的方式進(jìn)行控制，保證信號傳輸?shù)母咝Х€(wěn)定性。而感知系統(tǒng)的研發(fā)主要是針對靈敏度高、可靠性好的傳感器，在保證對機(jī)器人正常控制下，使其能夠迅速探測井下環(huán)境，傳輸數(shù)據(jù)信息，并通過搭載的生命探測儀探索生命跡象，實現(xiàn)對人員的定位，保證及時展開救援。第十六頁，共二十一頁，2022年，8月28日3煤礦救援機(jī)器人的發(fā)展趨勢由于煤礦救援機(jī)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(jī)交互方式進(jìn)行操作的半自主煤礦救援機(jī)器人將是今后發(fā)展的重要方向。第十七頁，共二十一頁，2022年，8月28日(1)實現(xiàn)從搜救到救人的突破目前開發(fā)的煤礦救援機(jī)器人普遍只能做到探測和環(huán)境分析，不能實現(xiàn)完全獨(dú)立的“救人”工作，且在搜救工作中，工作失效是導(dǎo)致機(jī)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(qiáng)大突破能力的救援機(jī)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。第十八頁，共二十一頁，2022年，8月28日(2)多種技術(shù)融合化和智能化為使救援機(jī)器人達(dá)到更好的搜救效果，必須融合人機(jī)交互、導(dǎo)航定位技術(shù)、多傳感器技術(shù)、遙控和監(jiān)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和機(jī)器智能等針對災(zāi)難現(xiàn)場特殊環(huán)境的相關(guān)技術(shù)，為救援機(jī)器人系統(tǒng)提供強(qiáng)有力的保障。第十九頁，共二十一頁，2022年，8月28日(3)群體機(jī)器人協(xié)調(diào)化群體機(jī)器人技術(shù)采用了