煤矿救援机器人研究现状及发展趋势.pdf

工矿自动化 Ind ustr y a nd Mine Auto ma tio n 第45卷第9期 2019年9月 Vo l . 45 No . 9 Sep. 2019 文章编号文章编号 1671-251X201909-0007-06DOI10. 13272/j. issn. 1671-251x. 17426 煤矿救援机器人研究现状及发展趋势 郑学召12 ,赵炬1 ,张铎12,郭军12 （1.西安科技大学安全科学与工程学院％陕西 西安710054； 2.国家矿山救援西安研究中心％陕西西安710054） 扫码移动阅读 摘要摘要介绍了煤矿救援机器人动力系统、防爆设计、多参数监测及通信系统等的国内外研究现状及应用 情况，指出煤矿救灾机器人存在续航能力有限、行走控制距离短、防爆材料质量大、信息处理与传输可靠性差 等问题％展望了煤矿救灾机器人的发展趋势研发适用于煤矿领域的新能源电池是煤矿救援机器人动力电 源的发展趋势之一；研发具有自主行走、定位与路径规划的智能化机器人是未来煤矿救援机器人发展的趋 势；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也将是煤矿救援机器人智能多元化发展的 方向。 关键关键词煤矿救援机器人；动力电源；智能化行走；防爆设计；无线通信；多源信息智能融合 中图分类号TD77 文献标志码A Resea r c h sta tus a nd d evel o pment tr end o f c o a l mine r esc ue r o b o t ZHENG Xuezh a o12, ZHAOJu1, ZHANG Duo12, GUO Jun12 1. Co l l eg e o f Sa fety Sc ienc e a nd Eng ineer ing , X\n Univer sity o f Sc ienc e a nd Tec h no l o g y, X\n 710054, Ch ina; 2. X\n Resea r c h Center o f Na tio na l Mine Resc ue, X\n 710054, Ch ina Abstract Th e r esea r c h sta tus a nd a ppl ic a tio n o f po wer system, expl o sio n-pr o o f d esig n, mul ti pa r a meter mo nito r ing a nd c o mmunic a tio n system o f c o a l mine r esc ue r o b o ts a t h o me a nd a b r o a d wer e intr o d uc ed ,a nd th eexis ting pr o b l ems o fc o a l miner es c uer o b o ts ,s uc h a s l imited c r uis ing a b il ity,s h o r t wa l king c o ntr o l d ista nc e,h ea vy weig h t o f expl o sio n-pr o o f ma ter ia l s,po o r r el ia b il ity o finfo r ma tio n pr o c essing a nd tr a nsmissio n wer e po inted o ut.Th ed evel o pmenttr end o fc o a l miner esc uer o b o ts wa s pr o spec ted ,th a tis,r esea r c h a nd d evel o pmento fnewener g yb ater ies s uita b l efo r c o a l mineis o neo fth e d evel o pment tr end s o f po wer suppl y o f c o a l mine r esc ue r o b o t, r esea r c h a nd d evel o pment o f intel ig ent r o b o tswith a uto no mo us wa l king , po sitio ning a nd pa th pl a nning is th e d evel o pment tr end o f c o a l mine r esc ue r o b o ts in th e futur e, l ig h tweig h t expl o sio n-pr o o f ma ter ia l s, intel ig ent integ r a tio n o f mul ti-so ur c e info r ma tio n,wir el es sa nd wir ed c o mmunic a tio n mo d ewila l s o b eth ed ir ec tio no fintelig entd evel o pment o fc o a l miner esc uer o b o ts. Key words c o a l mine r esc ue r o b o t; po wer suppl y; intel l ig ent wa l king; expl o sio n-pr o o f d esig n; wir el essc o mmunic a tio n;intelig entinteg r a tio no fmul ti-so ur c einfo r ma tio n 收稿日期收稿日期019-04-18；修回日期修回日期019-06-22；责任编辑责任编辑张强。 基金项目基金项目国家重点研发计划重点专项项目“018YFC0808201陕西省自然科学基础研究计划项目“018JM5009,2018JQ5080）。 作者简介作者简介郑学召（1977 男，新疆焉耆人，副教授，博士，主要从事矿山安全与应急救援方面的教学与科研工作,E-ma ilzh eng xuezh a o xust. ed u. c n。 引用格式引用格式郑学召，赵炬，张铎，等煤矿救援机器人研究现状及发展趋势口*工矿自动化2019,45（9）7-12. ZHENG Xuezh a o ,ZHAO Ju,ZHANG Duo ,et a l . Res ea r c h s ta tus a nd d evel o pment tr end o f c o a l mine r es c ue r o b o t*. Ind us tr y a nd MineAuto ma tio n 2019 4597-12. ・8・ 工矿自动化2019年第45卷 0引言引言 为了加强煤矿安全生产，我国采取了一系列重 大措施，煤矿安全生产形势稳定好转。2018年，全 国煤矿共发生事故224起，死亡333人，百万吨死亡 率为0.093,历史首次降到0.1以下「门。但煤矿事 故仍时有发生，安全问题仍需高度地视。 煤矿灾害事故发生后，被困井下的遇险矿工需 要紧急救援。传统的应急救援方法大多采取救护队 员直接下井搜救。但矿井火灾、瓦斯爆炸事故后，灾 区温度往往很高，粉尘浓度较大，巷道内充满爆炸性 气体以及高浓度的CO等有毒有害气体，矿井环境 不稳定，随时有可能发生二次爆炸或多次爆炸3*。 爆炸后顶板不稳定，随时可能发生冒落。爆炸冲击 波波及的矿井巷道内设备错乱，冒落的顶板堆积、电 缆纵横，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,从而延误了救援的最佳时机，导致更多的 人员伤亡和财产损失。因此，在矿井灾害救援时，如 何快速、精确地确定被困人员的位置是灾害救援的 首要问题。为了能够使煤矿井下受灾区域的救援工 作顺利进行，亟需一种能够代替救援人员进入到受 灾区域的煤矿救援机器人来对煤矿井下进行实时监 测，从而减少人员的伤亡）4*。 随着科学技术的发展，在危险复杂的煤矿救灾 环境中，通过机器人替代救险队员进入井下灾区，对 灾区环境进行探测，使煤矿无人智能化探测成为可 能。在救援行动中，机器人深入井下对灾区环境信 息进行探测，包括气体浓度（CH4、O2、CO等）、环境 信息（温度与湿度）及灾区现场的视音频信息。因 此，研究煤矿救援机器人对矿井灾害救援具有一定 导。 经过多年努力，我国在煤矿机器人应急救援领 域取得了突破性进展，为矿山事故救援事业做出了 重大贡献。本文主要介绍煤矿救援机器人的研究进 展,分析现有研究及应用中存在的问题，并对其总体 发展趋势进行展望。 1煤矿救援机器人研究现状煤矿救援机器人研究现状 目前，国内外学者对煤矿救援机器人进行了深 入研究，尤其在动力系统、防爆设计、信息的监测与 传输等方面取得了很大的进展。煤矿救援机器人系 统构架如图1所示。 图1煤矿救援机器人系统构架 Fig 1 Ar c h itec tur eo fc o a l miner esc uer o b o tsystem 1. 1 煤矿救援机器人动力系统研究现状 煤矿救援机器人的动力系统主要包括电源、驱 动电动机 行 机 。 在动力电源研究方面，赵峰囚通过对机器人的 动力电池进行研究分析，结合机器人正常工作时所 需的电流，设计出了一种混合式电源为机器人提供 动力来源。方海峰等「6*通过分析磷酸铁锂电池、超 级电容及混合电源的优缺点，得出了适合煤矿机器 人的动力电源为磷酸铁锂电池的结论。刘伟嵬等⑺ 针对电动汽车动力电源能量难以满足动力需求的问 题，提出研究和开发高性能、低成本的动力电源，为 煤矿机器人动力电源的研发提供了依据。目前，煤 矿机器人 动 力 电 主要 是磷酸铁锂电 ， 中救援机器人用的电源主要是锂电池「8*。 在井下机器人驱动电动机及行走机构方面， P. R. Upa d h ya y等「9*利用计算机软件设计了轴向 磁场永磁无刷直流轮毂电动机，为煤矿机器人驱动 电动机的研发提供了依据。Ch en Ha o等）10*通过对 开关磁阻电动机的研究，结合其在机器人中的应用， 实现了开关磁阻电动机在机器人运动关节驱动中的 应用。L. L. Wa ng等口1*通过对磁性齿轮永磁无刷 电动机的研究，总结了磁性齿轮永磁无刷电动机在 机器人中的应用。Ch en Yo ng等）12*通过对垂直和 横向磁场的两轮毂电动机的研究，结合其动力学仿 真分析，为煤矿机器人驱动电动机的研发奠定了基 础。李允旺「13*通过对矿井下地形环境的分析，结合 理论分析和模拟仿真，得出履带式摇杆机器人的行 走机构。刘志彬「⑷通过对履带式机器人动力学模 型的分析，结合其模拟仿真，得出履带式机器人的运 动规律。 1. 2 煤矿救援机器人防爆研究现状 防爆设计是为了保证煤矿救援机器人在爆炸性 环境中不会引起爆炸，从而保证煤矿救援机器人在 井下受灾区域可以顺利工作。 在煤矿救援机器人防爆外壳设计方面，高俊）15* 通过UG软件对隔爆外壳进行研究,并利用ABAQUS 2019年第9期郑学召等煤矿救援机器人研究现状及发展趋势 9 软件对防爆外壳进行有限元分析，对煤矿救援机器 人的防爆设计进行了改进 Li Yunwa ng等）16*通过 分析煤矿救援机器人的防爆设计，研究了煤矿救援 机器人的防爆类型，认为在煤矿救援机器人设计中 可采用集成式和部分防爆设计的混合防爆设计方 法。。巩利萍）17*在对外壳进行初始化设计时，利用弹 塑性力学理论，并使用So l id wo r ks软件对壳体进行 建模，再利用COSMOSwo r ks对改进后的矿用救援 机器人外壳结构进行分析与设计。李向东等［18］不 仅对本质安全、正压防爆、隔爆等做了详细的理论分 析，而且研究了救援机器人安全防护的方法，在此基 础上设计出了煤矿救援机器人的安全电气系统。 。 Ro ng Xuewen等）19*通过对煤矿探测机器人防爆技 } 研究， ， 压外壳防 型/}， ， 并且对机器 人防爆系统的组成和工作流程进行了详细介绍。 。 雷利伟等）0*分析了国内外煤矿机器人防爆设计现 状，对用于探测废弃矿井井下环境的轮式矿井机器 人的结构进行了介绍，重点探讨了机器人防爆设计， ， 为今后矿井探测机器人的设计提供了参考。 。 煤矿救援机器人防爆电动机设计方面，现已在 国内外得到广泛研究。。郭长亮［21］基于对超声电动 机 研究， ， 隔 型式 防 计方法， ， 计 出了防爆型直线超声电动机 Xu Ming yu等通 过对高功率密度防爆电动机额定运行状态的分析， ， 建立了电动机转换热量的数学和物理模型，研究结 果可为电动机热控优化提供理论依据。范伟等 通过对隔爆电动机原理的分析，研制出了一种新型 的隔爆电动机，，能够更好地实现轴向移动。 。 胡文华研究了在爆炸性气体和可燃性粉尘同时 存在的条件下电动机的运动性能， ，分析了新型 YBFB复合型防爆电动机的结构，对机器人防爆电 动机的研究具有一定的指导意义。 。 从目前防爆的发展现状来看，防爆壳体和电动 机的材料主要是钢铁，质量非常大，防爆外壳质量在 煤矿机器人总质量中占比较大。。由于质量大等问 题，需要较大的动力，电动机需要更大的功率，导致 爆炸可能性更大。因此，亟需研发一种体积小、质量 小的防爆材料，以减小机器人质量。 。 1. 3 煤矿机器人通信技术的研究现状 目前，矿井无线通信方式主要有基于WiFi网 络的通信技术、Zig Bee无线通信技术以及无线 Mesh通信技术等。 。 在无线通信技术方面，康跃明等）5*对WiFi通 信技术进行了研究，结合其在矿井中的应用，得出传 感参数不兼容等问题的解决方法。孙弋）6*提出了 Zig Bee通信技术，能够实现煤矿井下受灾区域环境 参数以及视音频信息的远程采集，从而可以及时有 效地将井下受灾区域的信息传输到井上，减少人员 的伤亡。Li Qua nxi等）7*对Zig Bee通信技术在煤 矿井下机器人网络通信系统中的应用进行了研究, 提出了一种改进措施，设计出了一种应用于煤矿的 高性能无线机器人网络通信系统。宋柏等设计 了一种无线监测装置，可实现自组网和无线信号的 传输。孙继平等）930*通过研究矿用无线通信技术, 设计出了一种异构网络，可以适应于复杂、特殊的环 境。傅郁松⑶*通过对无线Mesh通信技术的分析, 结合实验验证，得出无线Mesh通信技术在煤矿井 下通信系统的应用较其他通信技术更适宜，且设计 出了该无线Mesh通信系统的结构。郑学召盟通 过对无线多媒体通信技术的研究，研发了一种具有 Mesh组网功能的矿井救援无线多媒体通信系统, 并 现 验 ， 为 矿 援 技术研究 提供了科学的理论依据。无线Mesh网络具有以下 优点自组织、自修复、传输速率高、网络覆盖范围广 且组网成本较低，能够与现有的无线网络兼容，在目 前的应急救援通信系统中得到广泛应用，同时也是 未来煤矿救援机器人无线通信的发展趋势。 2煤矿救援机器人研制存在的问题 煤矿救援机器人的研制虽已取得很大进展，但 仍然存在诸多问题，主要如下 （1） 续航能力有限。由于煤矿救援机器人质量 较大，需要消耗很大动力，而现有机器人的动力电源 存在充电速度慢、体积大、质量大等问题，从而使得 救援机器人的续航能力有限。 （2） 行走控制距离短。煤矿救援机器人行动迟 缓且反应时间较长，需要救援人员在可视范围内进 行近距离遥控操作，无法实现真正意义上的远程无 线操控煤矿井下的通信信号在巷道内传播特 性不同于地面，在巷道内传播距离较短，一般在 500 m左右）5*,随着机器人的行走距离加长，就有 可能造成信息的缺失，使得井上不能对井下受灾区 域进行实时、全面的监测。 （3） 防爆材料质量大。目前，煤矿救援机器人 的防爆材料主要由钢铁制成，质量较大，导致正常工 作需要的动力较大、反应时间长、行走速度缓慢）6*。 ・10・ 工矿自动化2019年第45卷 4信息处理与传输可靠性差。煤矿救援机器 人主要是对视音频、气体环境信息进行单一的处理, 不能对多源信息进行融合以及对后续信息进行集中 传输，多源化仍有不少短板需要突破「36*。 3煤矿救援机器人发展趋势煤矿救援机器人发展趋势 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，为煤矿救援机器人的研发提供了各种 技术支持「37*。煤矿救援机器人主要是在矿井发生 灾害后完成环境探测及辅助救援任务，由于煤矿井 下特殊的工作环境和工作要求，煤矿救援机器人还 需要在技术上不断提升，主要发展趋势如下 1 新能源电池的利用。新能源电池，如石墨 烯电池38*已经在汽车、航天等领域得到应用，该电 池具有体积小、质量轻、充电快、储存量大等特点，但 在煤矿领域还未得到应用。因此，研发适用于煤矿 领域的新能源电池是煤矿救援机器人动力电源的发 展趋势之一。 2 智能化行走。随着科技的发展，自主行走、 定位与路径规划技术有了很大的进展，在无人机领 域已经得到了广泛应用，主要包含的技术有激光雷 达 SLAM及时定位与地图构建技术、自主避障 技术，通过激光定位导航和SLAM来确定机器人的 位置，在完全未知环境中创建地图，同时利用地图进 行自主定位和导航。研发具有自主行走、定位与路 规划 智能 机器人是 矿 援机器人 的一种趋势,具体技术如图2所示。 Fig 2 Auto no mo uswa l king，po sitio ning a nd pa th pl a nning tec h no l o g yfo r r o b o t 3防爆材料轻量化。由于井下环境复杂，煤 矿救援机器人的防爆应采用体积小、质量小的材料, 如碳纤维、导电塑料等，同时这些材料必须符合 GB 3836. 12010爆炸性环境第1部分设备通用 要求对于表面静电方面和强度方面的规定。 4多源信息智能融合。目前，随着计算机和 通信技术的发展，多源信息融合技术在许多行业已 经得到广泛应用，但在煤矿中的应用甚少。由于目 前煤矿救灾区的环境条件，煤矿救援机器人的多参 数监测及通信系统应具有以下优势一是功能更强 大，可以实现煤矿井下灾变时期的温度、湿度、CO、 O2及CH4浓度、视音频等多环境参数的实时监测, 具有自主分析、自动判断与预警等功能；二是无论是 气体 还是 音 ， 以 中 处 的方法进行数据的转换和预处理分析，根据数据关 联、异步信息融合和异类信息融合等手段对监测信 进行统 处 ， 实现 处 与 多 智能化。多源信息智能融合是煤矿救援机器人的发 展趋势之一。信息的采集与处理如图3所示。 温度信息 湿度信息 c o浓度 。2浓度 CH4浓度 LED照明 视频釆集 红外成像 语音对讲 图3信息的采集与处理 Fig 3 Info r ma tio nc olec tio na nd pr o c essing 5无线加有线的通信方式。基于无线自组网 的监测信息、视音频通信系统，通过无线Mes h自组 网络技术和H.265压缩技术，建立稳定可靠的传输 机制，使其实现实时信息长距离无线传输，且将无线 Mesh和H.265压缩技术嵌入在机器人系统中，实 现对大容量、高带宽数据的预处理分析。在密闭墙 及风门等信号衰减较大的地方通过有线光纤进行信 息传输。 4结语结语 经过多年的研究，煤矿救援机器人的研究已取 得一定进展，为煤矿灾害事故的救援做出了突出贡 献。为了适应矿山应急救援技术的需求，今后可从 2个方面进行研究和探索一是煤矿救援机器人信 息多元化融合的新技术二是煤矿救援机器人动力 电源高效化、防爆材料轻量化及行走方式智能化等 2019年第9期郑学召等煤矿救援机器人研究现状及发展趋势-11 - 技术。全面提高煤矿救援机器人对矿山各种环境的 适应能力和技术手段，对矿山救援决策具有重要的 指导意义和实际价值。 参考文献References 1* 黄玉治.安全生产根源在企业，企业不主动，安全永 无宁日［N/OL* 中国能源报,2019-03-15 ［2019-05- 16 *. h ttps//b a ijia h a o . b a id u. c o m/s/ id 1627596403421478341 h wfr spid er h fo r pc 2*郭军，岳宁芳，金永飞，等.矿井热动力灾害救援安全 性评价指标体系［J*.煤矿安全,2017, 48 7 253-2568 GUO Jun, YUE Ning fa ng, JIN Yo ng fei, et a l . 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