越障机器人.doc

前言
1:背景及意义：
2010年11月19日新西兰南岛西岸派克河煤矿发生爆炸，爆炸后井下毒气弥漫、状况复杂，导致井下29人下落不明，事故发生76小时候，救援人员仍然无法下井开展营救工作。目前救援人员已经开始着手派遣三部机器人进行井下环境探测和井下救援工作。
煤炭资源是目前经济发展和社会进步的主要能源之一，全球能源紧张局势的加剧和经济高速发展的迫切需要，对煤炭的需求量也保持快速增长。但中国煤矿的采掘大部分是井下开采，不安全因素很多，瓦斯爆炸和火灾等灾害事故频繁发生。灾害事故危害严重，伤害人员多，中断时间长损坏井巷工程或生产设备。然而一旦发生煤矿事故，井下环境异常凶险，抢险人员一般难以在第1时间进入，往往在井上等待很长时间，事故专家和决策者也由于缺少信息无法及时做出判断和决策的救灾方式只能根据事故的类型确定救灾的方案，一般救护人员无法进入危险区域，只能通过提升绞车、移动式风车等设备清除垃圾,向井下通风，然后再搜救遇险矿工。这种方式危险性大，伤亡人数多，救灾周期长，往往效率低。众所周知煤矿灾害事故发生后存在突发性，灾难性，破坏性等特点抢险救灾的时效性极强，救灾良机稍纵即逝，必须时刻掌握灾区环境条件，制定救灾对策和措施。所以我们必须借助科技手段，在短时间内侦探出井下的环境状况。这样机器人将有必要应用到煤矿救灾领域。
矿井瓦斯爆炸发生后,因受高温、烟雾、有害气体和缺氧等影响,以及存在发生二次灾害的可能,救护人员无法知道能否进入或无法直接进入灾害现场执行营救任务,而且上述事故中的伤亡人员有相当一部分是救护人员[24]。2009年2月22日，河北省张家口市涿鹿县巩山镇巩山磷矿井下发生炮烟中毒事故，1人死亡。在抢救过程中，2名救援人员重伤，送医院抢救无效死亡。共造成3人死亡。2009年6月30日9时左右， 新疆吐鲁番地区鄯善县地湖煤矿发生瓦斯爆炸事故，当班井下共6人，发生事故后矿方组织10人入井自救，在随后的抢救过程中，又发生第二次爆炸。共造成3人死亡、3人下落不明，8人受伤。2009年11月21日2时30分，黑龙江省龙煤集团鹤岗分公司新兴煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，共造成108人遇难。2010年6月21日凌晨1时40分左右，河南平顶山市卫东区兴东二矿发生井下火药爆炸事故，事故导致46人遇难。由此可见,为了使矿井救灾工作顺利开展,减少矿井灾害造成的人员伤亡,迫切需要研发进入矿井灾害现场进行环境探测的井下环境探测机器人,这对煤矿安全生产,建立特种危险环境下的工业救灾体系具有十分重要的意义[17][22]。
2:国外研究应用情况
目前国外机器人技术发展迅速且日益成熟，并已经开始进入实用化阶段，其中以日本和美国为代表。日本研制蛇形机器人，能够穿越狭窄空间，能够在高低不平的废墟上前进，其头部装有一部摄像头，身体
各关节都装有传感器其中包括压力传感器，主要用于地震和恐怖袭击后的探测和救援工作[3][4]。由Remotec公司制造的V2煤矿救援机器人,高约113 m,重约540 kg,并进行了整体防爆设计。安装有导航和监控摄像机、照明设备、气体传感器和一个机械臂,具有夜视能力和两路语音通讯功能。可在1 500 m以外的安全位置远程遥控,使用光纤通讯传送矿井环境信息,操纵者能够看到实时视频信息和易燃的有毒气体的浓度。V2机器人曾在美国Sago煤矿瓦斯爆炸事故的处理中得到应用[11]。InuKtun公司研制了机器人MicroVGTV，机身可变位，采用电缆控制，含有直视的彩色摄像头，并带有微型话筒和扬声器，可穿越困难地形以向被困者发出双路音频，可用于与压在废墟中的幸存者通话，适用于在小的孔洞和空间中执行任务[5]。由日本东京电子信息大学研制的HANZO机器人，克服了传统轮系越障高度不能高于其轮径的缺点，具有自动变臂功能。该机器人采用无线控制，具有五种变臂模式，能够较强适应复杂环境，该系统采用PID调节，相比传统机器人它有更高的自由度和较强的越障能力（图4展示了其变臂的过程）[15]。由日本研制的轮腿混合机器人能够实现轮径可变以增强其越障功能，克服了传统轮腿模式的瓶颈，同时具有轮系和腿系运动结构的优点，能够应用于更加复杂的地面环境，增强了其应用范围，并且可以在其结构上安装一些传感器以应用于搜索和救灾领域[16]

图1.蛇形机器人 图2. V2机器人

图3. MicroVGTV机器人

图4.HANZO机器人及其变臂过程

图5.轮腿混合机器人及其轮腿变化过程

3:国内研究应用情况
由山东省科学院自动化研究所、沈阳新松机器人自动化有限公司和山东省煤炭工业局，历经3年时间研制成功的我国首台具有生命探测功能的井下探测救援机器人“急先锋”，机器人具有井下防爆抗水、生命探测和协助救援、环境监测及环境参数实时探测、无光线搜救、数据信号传输等功能，可以在第一时间到达井下事故现场，可代替抢险救援人员抢先一步进入５００米范围内的事故现场进行探测救援。机器人可将采集到的各种信息以图像、声音和数据形式传送到主控制中心，为制定抢险救灾方案、及时进行抢险救援提供重要依据和支持（图6）[22]。“智能型联合救灾机器人”是中国矿业大学杨勇、孙健铨、孙伟等5位在校学生，利用1年多的时间自行研制出来的，它集先进的机械、电子、信息、控制工程等技术于一身，巧妙的将多种机器人进行组合，用于搜索探测幸存者、清理灾害现场、勘探化学品泄漏、检测井下环境等多种领域，具有体积小、成本低、可控性强等特点（图7）。中国矿业大学可靠性工程与救灾机器人研究所于2006 年6 月成功研制了我国第1 台用于煤矿救援的CUMT- 1 型矿井搜救机器人, 该机器人装备有低照度摄像机、气体传感器和温度计等设备。能够探测灾害环境, 实时传回灾区的瓦斯、CO、粉尘浓度和温度以及高分辨现场图像等信息; 具有双向语音对讲功能, 能够使救灾指挥人员与受害者进行快速联络, 指挥受伤人员选择最佳的逃生路线; 具有无线网络通讯功能; 同时还携带有食品、水、药品、救护工具等救助物资, 使受害者能够积极开展自救（图8）[18]。由中国农业大学研制的仿地形车辆，针对现有的车辆在崎岖的丘陵山区作业时出现的地面适应性差，车轮易打滑，附着力不足等问题，根据路况较差的特殊的工作环境，采用底盘多自由度大变形的方法，研制出具有8轮驱动全地形仿形车辆，该车辆采用地面仿形原理，底盘具有5个自由度，在崎岖地形行驶能够根据地形变化而变形，实时适应地形环境。该全地形车能够保证车轮与地面附着力，克服一般车辆地形适应性差，车轮易打滑等问题很好的解决了越障问题（图9）[27]。由北京航空航天大学研制的一种车轮直径可变的月球探测车,由装在轮毂内的电机驱动车轮收缩和张开,车轮直径变化范围为200~390 mm。月球探测车的车轮直径可以依据所通过的路面状况由车载系统控制张开或收缩,具有机构紧凑、越障能力强和地形适应性好等特点（图11）[28]。由北京航空航天大学大学研制模块化的可重组履带机构，目的在于解决履带机器人的通用性、地形适应性、便携和微小化问题,得到一个几者之间兼顾的最佳解决方案. 模块化履带机构的运动性较为稳定其中三节稳定性最好,而且比较灵活,越障能力也较强,控制协调也较简单,因此具有较强的实用性(图10)[29]。

图6.“急先锋”机器人 图7. 联合救灾机器人

图8.CUMT-1 机器 图9.仿地形车辆

图10.模块化可重组履带机构

图11.可变直径轮月球车

4本课题的研究内容和工作[10][12]
机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。井下环境探测机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统[18]，因此该环境探测机器人设计依据井下环境的特殊性主要分为以下几部分：
1越障机构: 环境探测机器人除了应该具有轻小灵便外还要实现较好的越障功能[21]。机器人的行走机构需要达到井下的越障指标。目前常见几种越障机构：无肢运动(以蛇形机器人为主) 、轮式、腿式、轮腿式和履带式等。蛇形机器人具有运动稳定性好、适应地形能力强和牵引力大等特点，但其自由度多，控制困难且速度低；轮式机器人具有结构简单、重量轻、轮式滚动摩擦阻力小和机械效率高等特点，但越过壕沟、台阶的能力差；腿式机器人具有适应地形能力强的特点，能越过大的壕沟和台阶，其缺点是速度慢；“轮-腿式”机器人融合腿式机构的地形适应能力和轮式机构的高速高效性能，其缺点是结构相对复杂；履带式机器人地形适应能力强，动载荷小，设计紧凑，但越障和跨越壕沟的能力也有待提高[23]。
2智能控制系统[25][26]: 机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合[30]。该环境探测机器人要能够实现导航、避障、最优路径搜索、定位以及井下地图的绘制等[7][13][14]。其控制都是基于传感器的感知环境和状态，以实现各自控制功能[32]。
3传感器网和摄像装置：其性能要求能够实时探测巷道中甲烷、一氧化碳、氧气浓度，实时探测出巷道的温度、湿度、风向，并且能够保证在零照度下高质量的现场影像的采集，同时还应具有喊话装置（能够稳定受困人员的情绪）。机器人必须在配有数量众多的不同类型的传感器以满足探测和数据采集的需要，此时我们必须实现多传感器信息融合处理，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾,利用信息互补,降低不确定性，以形成对系统环境相对完整一致的感知描述，从而提高智能系统决策、规划的科学性、反应的快速性、正确性、容错性、降低其决策风险,如果对各传感器采集的信息进行单独、孤立地处理不仅会导致信息处理工作量的增加，而且割断了各传感器信息间的内在联系，丢失了信息经有机组合后可能蕴含的有关环境特征，造成信息资源的浪费[6][31]。
4通讯[9]:具有现场环境信息数据实时通讯和一定的影像信息传输能力，有效通讯距离不小于1 km。采用有线和无线通讯方式。在保证一定的传输数度为前提下克服井下通讯距离短、通讯信号容易被吸收和干扰的特点[1]。目前无线传输介质主要是红外线和电磁波，红外线容易受到障碍物的影响，电磁波的远距离传输和避障方面都是良好的。
5防爆设计[20]：其机体的设计不仅要满足一般恶劣环境的要求（比如防水要求等[8]），同时也要满足井下应用的煤矿本质安全的要求[19]：
1.电气防爆要求
2.有线/无线电信号光信号波信号防爆要求
3.抗静电防爆要求
4抗摩擦和冲击火花的防爆要求
5运转温升的防爆要求
6蓄电池安全
参考文献：
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31. 赵小川 罗庆生 韩宝玲 北京理工大学宇航科学技术学院!北京!"""#!"$9北京理工大学机械与车辆工程学院!北京“机器人多传感器信息融合研究综述”
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