淺談礦山機器人的現(xiàn)狀問題及發(fā)展

淺談礦山機器人的現(xiàn)狀問題及發(fā)展第一頁，共二十一頁，2022年，8月28日21世紀是信息主導的世紀。信息技術的飛速發(fā)展給中外采礦業(yè)帶來了巨大沖擊，采礦業(yè)是以礦產資源為生產對象的古老產業(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年煤礦產量已達到33億t左右，有力地推動了國民經濟的持續(xù)發(fā)展。煤礦安全形勢也得到了好轉，但災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，安全生產形勢依然嚴峻。第二頁，共二十一頁，2022年，8月28日煤礦災害事故的發(fā)生具有災難性、突發(fā)性、繼發(fā)性和破壞性等特點，救災的時效性比較強，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。隨著科學技術的發(fā)展，在危險，復雜的煤礦救災等領域內靈活使用機器人，利用其優(yōu)點，迅速探測災區(qū)狀況為搶險救災提供決策支持，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)各種災難救援機器人和反恐防爆機器人，用于災難的防護和救援工作。目前，災難救援機器人技術正從理論和試驗研究向實際應用拓展。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，已有多家研究機構或高校相繼研發(fā)出了針對不同用途的煤礦救災機器人。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。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。第七頁，共二十一頁，2022年，8月28日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。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國內研究現(xiàn)狀國內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，經過幾年努力已經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合視頻觀測、紅外熱成像和音頻探測等多種技術手段，可確認礦難現(xiàn)場是否有生命跡象存在。該機器人首次結合本安防爆和正壓防爆等多種防爆技術，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)境探測技術等方面也已達到國際領先水平。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，由唐山市質監(jiān)局、唐山開誠集團組織編寫了我國第一個關于礦用井下機器人的省級地方標準——《礦用井下機器人技術規(guī)范》，填補了國內空白。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需解決的問題及關鍵技術的研究從以上3個例子可以看出，應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域，沒有真正在“救人”工作上取得實質性的突破。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、較高的機構可靠性、較長的續(xù)航能力、整體安全防爆設計和穩(wěn)定高效的通信能力等關鍵技術。第十四頁，共二十一頁，2022年，8月28日(1)移動機構移動機構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、地面適應性高、自調整能力強、可靠性高的移動機構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。第十五頁，共二十一頁，2022年，8月28日(3)安全保護與防爆設計為保證救援機器人在災區(qū)環(huán)境下的安全運行，機器人應具備必要的安全保護功能，不能引發(fā)次生災害事故。(4)通信和感知系統(tǒng)機器人的通信系統(tǒng)主要負責實現(xiàn)雙向信息交流?？梢圆捎糜芯€與無線結合的方式進行控制，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，在保證對機器人正?？刂葡?，使其能夠迅速探測井下環(huán)境，傳輸數(shù)據信息，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。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。第十八頁，共二十一頁，2022年，8月28日(2)多種技術融合化和智能化為使救援機器人達到更好的搜救效果，必須融合人機交互、導航定位技術、多傳感器技術、遙控和監(jiān)控技術、網絡技術和機器智能等針對災難現(xiàn)場特殊環(huán)境的相關技術，為救援機器人系統(tǒng)提供強有力的保障。第十九頁，共二十一頁，2022年，8月28日(3)群體機器人協(xié)調化群體機器人技術采用了