新疆矿山救护基地 新疆乌鲁木齐市 830063
摘要：矿用救援机器人是一种辅助或替代矿山救护队员进行灾区环境探测和搜救工作的应急救援装备，其应用可以有效地加快搜救速度，及时发现被困矿工，快速定位遇难人员，减少人员伤亡。煤矿井下空间狭小、地形复杂，尤其是煤矿事故后，矿用救援机器人的作业环境和作业对象是变化的、未知的非结构化环境。因此本文从煤矿救援机器人结构分析入手，对救援机器人的功能和结构进行了设计。
关键词：救援机器人；危险环境；结构设计
灾害事故发生后，作业矿工常常被困于井下，需要进行应急救援。目前的应急救援方法是派矿山救护队员下井直接搜救。应急救援时间要求紧迫，救援队员越早进入煤矿，被困矿工的生还希望就越大。但是，矿井瓦斯爆炸发生后，灾区气温升高，粉尘浓度增大，爆炸性气体以及高浓度的有害气体充满了巷道，矿井环境不稳定，随时有发生二次爆炸或多次爆炸的可能；爆炸后部分造成顶板不稳定，随时可能发生冒落；加之爆炸冲击波波及的矿井巷道内设备错乱、冒落的顶板堆积、错综复杂，给搜救工作带来了很大的困难和危险，以至于救护队员往往不能或无法进入某些危险区域进行搜救工作，从而延误了最佳救援时机，增加了伤亡和事故损失。因此，在灾害发生后，及时、快速、准确地进行井下失踪矿工的搜寻和定位工作是极其重要的。 需要研制代替矿山救护队员进入煤矿井下灾后现场进行环境探测和救援任务的矿用救援机器人。
一、煤矿救援机器人的技术要求
为了能够在煤矿灾变事故环境中有效作业，矿用救援机器人有以下技术要求：
（1）移动平台具有很强的非结构环境适应能力和很高的可靠性。
（2）具有较长的续航能力，减少能源补充次数，增加矿用救援机器人在恶劣环境中工作时间，提高作业效率。
（3）为了保证矿用救援机器人在爆炸性环境下工作，并且不引发次生灾害，应该具有防爆、防水等安全保护功能。
（4）具有可靠的通信和感知系统，保证双向信息通信和灾变环境的准确感知。
最后矿井环境是一种特殊的环境，需要对其三维空间进行检测和识别。井下三维环境实时识别是矿用救援机器人在恶劣通讯条件下的遥操作及机器人的自主避障的基础。目前对矿井的三维环境建模都是离线建模，而机器人要求对矿井进行三维环境的实时在线建模，因此需要对面向矿用救援机器人的井下三维实时识别进行研究。
二、救援机器人移动平台结构的对比与选择
移动平台包括行走机构、平衡机构和驱动器。行走机构要适应崎岖复杂的非结构环境，平衡机构将重力均分到行走机构各个部分，从而保证机器人的稳定，驱动器为行走机构提供动力。
1.移动行走机构。四种常见行走机构对比如表1所示。
目前来说煤矿救援机器人主要采用履带式行走机构，能够适应是由煤泥、煤块、岩块等构成的矿井地面，其技术成熟度高。
2.平衡机构
灾害后的矿井，地面分布着障碍物，为了避免矿用救援机器人在搜救过程中由于履带所受的压力分布不均而使机器人陷入煤泥中或着车体倾覆，必须使用一种机构使履带受力均匀。
被动适应平衡机构主要有以下几种形式：齿轮系式、绳索式、空间连杆式。齿轮系式差动机构由于采用行星轮系，其质量较大，且放置于车体内部，占用车体内部一定的空间，影响内部有效载荷的布置，由于机构有穿过车体的动轴，使车体密封设计变困难；传动中易发生由于齿轮受力不均而产生的卡死现象。绳索式差动机构由于采用弹性绳索作为传动部件，往复运动时易产生较大变形，影响工作性能。空间连杆式差动机构也可实现对输入的线性均化输出，可以布置在车体外则，不占用车体内部的空间，便于车内有效载荷的布置，又因为机构没有穿过车体的部件，所以车体的密封很容易设计，不需要考虑动密封。
3.动力匹配
机器人使用蓄电池—电动机驱动方式。为了满足防爆要求，电池组必须采用隔爆结构。隔爆后电池组的重量和体积都增大了很多，尤其是重量增加了一倍，严重影响了机器人的行驶里程，增加了行驶阻力。同时，电池隔爆后，形状也被固定，需要最大的空间布置电池，使其他设备布置困难。 矿用救援机器人的行驶阻力随其自重的增大而增大，为了达到规定的行驶里程，就需要更多的能源，也就是需要更大容量的电池。由于防爆标准规定，电池组在隔爆壳内只能串联，因此只能使用大容量的单体电池，其电池组的体积也会变大。而隔爆壳包裹着电池组，其外形尺寸随电池组的增大而增大，并且隔爆壳材料密度要远远大于电池组的度，所以整个防爆电池组的重量增加的幅度很大。因此在动力电池及其他技术没有突破前，优化矿用救援机器人的动力系统参数匹配，减小防爆电池组对动力性能的影响，是提高矿用救援机器人续航能力、减小自重的重要手段。
4.控制系统选择与构建
目前来说在煤矿救援机器人主要有以下三种控制方式。首先是直接控制控制方式，在这种方式下机器人被看做无条件执行指令的设备，机器人不具有智能，仅具备感知和执行功能，完全由操作者进行决策。这种系统的效率和性能取决于操作者的技术水平以及控制接口设计，并且通信系统的带宽及通信质量影响任务完成的效率。
二是共享控制，共享控制是基于遥操作机器人站点的局部传感反馈回路，提取操作者指令的一种方式。操作者通过运动反馈设备发出总路径规划指令，并且可以随时进行微调。在具有大延时的应用环境中，操作者和远程机器人将总任务分为若干子任务，共同执行任务。机器人要求具有一定的智能。
三是监督控制。监督控制方式中，操作者作为监督者向机器人发出高层指令，并接受来自机器人的综合信息。操作者监督机器人并作出决策。该控制方式由两个并行工作的控制回路组成，一个回路控制真实系统，包含内部反馈已形成局部自治。另一回路是与真实系统大致相同的仿真环境。两个回路通过一个通用的模型数据库进行通信，将任务执行的先验知识传递给远程系统，然后使用后验知识更新仿真环境的模型。这种方式下的机器人具有更高的智能。因此在控制方式的选择上选取了监督控制方式。
三、小结
煤矿井下空间狭小、地形复杂，尤其是煤矿事故后，巷道内环境遭到严重的破坏，如果采用人工救援势必造成更大的伤亡。因此矿用救援机器人是一种辅助或替代矿山救护队员进行灾区环境探测和搜救工作的应急救援装备，其可以有效地加快搜救速度，及时发现被困矿工，定位遇难人员，并进行及时有效的施救。本文从救援机器人的行走模式等角度对救援机器人结构进行了分析，希望研究能够促进救援机器人的不断发展和进步。
参考文献
[1]陈海龙,郭鹏.煤矿救援机器人结构设计及分析[J].工矿自动化,2014,03:106-109.
[2]白云.煤矿救援蛇形机器人环境建模方法研究[J].西安科技大学学报,2014,04:485-489.
论文作者:刘春
论文发表刊物:《基层建设》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/29
标签：机器人论文; 环境论文; 电池组论文; 机构论文; 车体论文; 煤矿论文; 矿井论文; 《基层建设》2017年第14期论文;