极限作业机器人系列（五）——矿山救援机器人

极限作业机器人（robot under critical working condition）是可以在人为难以接受的环境下工作的工业机器人，矿山救援机器人则是其中用于矿山灾害应急救援的一类机器人，是处理井下水灾、火灾、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出和顶板等事故的专业性机器人队伍。

（矿山救援机器人）

目前，各类矿山尤其是煤矿大多数为矿工开采，不安全因素很多，瓦斯煤尘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，中断生产时间长，损毁井巷工程或生产设备。然而，煤矿事故的救灾方式只是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，救灾周期长效率低。

（矿难救援现场）

随着科技的发展，机器人在矿难救灾领域的应用日益广泛，显示出强大的功能。当矿井下发生火灾和瓦斯爆炸事故后，不仅破坏井下的设施和巷道，而且使灾区产生大量有毒有害气体。传统的灾区侦察方法是依靠矿山救护队员佩戴氧气呼吸器进入灾区进行侦察，取得灾区内的第一手资料，矿井指挥部才能制订科学的救灾方案。在灾区侦查时，对矿山救护队员最大的威胁就是瓦斯爆炸。使用智能机器人对灾区环境气体采样检测分析，可以有效取代手工球胆采样、手动检测仪器、便携式自动检测仪等各类检测仪器。人工智能可以支持数据融合、信息处理和灾情分析，当灾害发生后，智能机器人能迅速赶到灾害现场进行连续监测、监视，并对灾区的有毒有害气体进行分析及爆炸危险性的判别。特别是人工智能机器人能够承载多种传感、探测、救援设备（甚至人所不能携带的设备），代替救护队员进入高温、浓烟、黑暗、有毒有害气体、冒顶等灾害环境下的侦察、智能分析判断，对现场数据进行实时传输并进行分析，在减少人员伤亡和财产损失方面发挥着重要的作用，为科学决策提供依据。

（矿山救援机器人）

当矿井下发生矿难事故后，矿山救护队的主要任务是抢救井下遇险遇难人员。如矿井冒顶坍塌，水淹等救援队伍被堵，遇险人员被困在设备或岩渣残骸下，当利用常规手段不能找到他们时，有几类处理办法——

一是首先考虑用无人机或者机器人搭载导航系统实现精准定位。对遇险人员进行精确定位后，进行安全科学施救，这样可以彻底代替生命探测仪和人体搜寻仪带来的操作不便。 人工智能搜索飞行机器人就可以发挥“千里眼”的重要作用，通过回传视频，救援队直接了解灾区范围内道路拥堵的情况，救援现场指挥部可以判断决策，采取有效措施。

（用于矿山安全监测的无人机）

二是通过搭载的光学、声音、气体、生命等应用载荷，在废墟的复杂地形上运动，可利用搜救机器人的运动能力先行通过，进行危险度检测有害气体浓度、温度、水深、搜索生还者和运送救生设备、防毒面具、氧气、水和食物等，为救援人员及时搜寻和抢救遇险提供了有效帮助。

三是搜救机器人可以代替人进行现场检测，还可以定期进入长期停用的封闭的巷道进行情况观察，对可能发生的瓦斯泄漏、透水险情进行监视，避免矿难的发生。

四是通过远程数据通信和传输实现抢险救灾数据分析和现场灾害评估，然后通过智能机器人，进行抢险救援。

（废墟搜救机器人）

世界上第1台矿山救援机器人是由美国智能系统与机器人中心于1998年开发的矿井探索机器人 (RATLER) ,, 该机器人采用电传遥控方式, 有主动红外摄像机、无线射频信号收发器、陀螺仪和危险气体传感器等装备, 无线遥控距离 (直线距离) 约76 m。此后, 又有美国南佛罗里达大学研制的矿井救援机器人 (Sim-bot) 、美国Remotec公司制造的V2煤矿救援机器人、美国桑迪亚实验室开发的Gemini-Scout救援机器人等。

（RATLER矿井探索机器人）

中国第1台矿山救援机器人是由中国矿业大学于2006年6月研制的CUMT-I型矿山救援机器人，它装配有低照度摄像机、气体和温度传感器, 能够探测灾区的瓦斯、一氧化碳、氧气等浓度和温度, 采用无线通信方式, 传输视频和数据, 能够携带有食品、水、药品、救护工具等救助物资, 使受害者能够积极开展自救。此后 ，中国矿业大学研发的CUMT-II、CUMT-III煤矿救援机器人以及北京理工大学、沈阳自动化研究所、西安科技大学、太原理工大学等单位研制的矿用救援机器人纷纷问世，一些机器人还获得了煤矿安全证书。

（CUMT矿山救援机器人）

矿山救援机器人的研发难度大, 相比于其他救援机器人, 其应用情况相对滞后。国外比较著名的机器人在矿难救援中应用的案例有2006年美国西贡山矿难中的V2机器人、2010年新西兰派克河矿难的军用机器人和西澳水务机器人、2016年俄罗斯北极城市沃尔库塔 (Vorkuta) “北方”煤矿矿难的机器人。

（美国V2机器人）

（新西兰排爆机器人）

（澳大利亚矿山救援机器人）

（俄罗斯“领导者”系列机器人）

目前我国的煤矿救援机器人仍处于试验样机的研究阶段, 很少有机器人参与到矿难现场救援中的报道。2019年4月，国内首台矿山防爆救援机器人在同煤集团塔山煤矿试用，这种机器人在煤矿井下发生瓦斯煤尘爆炸，火灾等灾害事故后，机器人能够进入灾区，探测并回传井巷中的甲烷、一氧化碳、温度、湿度、风速、风向、灾害场景以及呼声讯等信息。还具有一定的作业功能包括清障、急救药品、食物、通讯器材、简易自救工具等的输送。矿山防爆救援机器人的投入使用为煤矿安全生产提供安全保障。

（同煤集团矿山防爆机器人）

矿山救援机器人最主要的技术关键点是爆炸性气体环境下的防爆设计。当前的矿山救援机器人以环境探测机器人为主, 能够测量井下环境气体, 如甲烷、一氧化碳的传感器是其必要的组成部分。同时矿井通信受到巷道的影响, 无线通信与有线通信均存在缺点。随着计算机技术、传感技术、控制技术、新材料技术的快速发展，特别是网络技术和图像信息处理技术的长足发展，为矿山救援机器人的研发提供了各种技术支持。研发适用于矿山领域的新能源电池，研发具有自主行走、定位与路径规划的智能化机器人，防爆材料轻量化、多源信息智能融合、无线加有线的通信方式都是未来矿山救援机器人智能多元化发展的方向。

（美国CMU团队矿山救援系统）