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煤矿救援机器人研究现状及关键技术

1、煤矿救援机器人工作环境

煤矿救援机器人工作的环境，往往是结构化地形环境和非结构化地形环境的

综合。

〔1〕井下巷道的布局、轨道、水沟、人行道、管道和电缆等的铺设以及各

种设备的布置都是根据矿井实际需要，按照国家或行业标准建造，这些都属于结

构化地形。

〔2〕井下主要有火灾、水灾、顶板事故、瓦斯事故和煤尘事故五大灾害。

瓦斯爆炸是煤矿最严重的灾害事故，爆炸产生的高温高压使附近的气体产生巨大

的冲击波，造成井下设施的破坏。冲击波扬起的煤尘参与爆炸，产生更大的破坏

力，引发顶板冒落、煤壁片帮以及设备翻倒等事故。这种地形是复杂的非结构化

地形。

2、国内外研究现状

〔1〕国外研究现状

1998年Sandia智能系统机器人研究中心研制了“RATLER机器人”，该机器

人采用无线控制，利用自身携带的摄像头,可以识别煤矿的入口，同时传回有用

的周围环境信息。

图1RATLER机器人

卡内基梅隆大学研制了Groundhog四轮驱动机器人，用于检测矿井有害气体

浓度和对井下巷道进行三维成像，通过电缆将测得数据传到地面指挥人员。但在

首次试验时，机器人进入到距离矿井口30米处，因电脑进水，而被迫中止。

图2Groundhog侦查机器人

图3为2006年美国东部西弗吉尼亚州阿普舒尔县萨戈〔Sago〕煤矿发生矿

难运用的机器人。2007年8月美国Utah州发生煤矿事故，救援人员派出了

UniversityofSouthFlorida研制的图4所示救援机器人，但因机器人中途行进过程

中陷入泥潭而受阻。

图3美国救援机器人图4南佛罗里达救援机器人

GeminiScout是美国职业安全与健康中心资助圣帝亚国家实验室研制的一款

矿井救灾机器人，如下列图所示。它为履带式双节机器人，长1.2m，宽0.7m，

在身体上方有一个高出机体的摄像机桅杆，其上安装了一个能透过烟雾和尘埃的

红外摄像头，配置了有毒气体传感器和爆炸气体传感器。由一个灵活的关节连接

身体的两节，使它能够通过复杂的地形和狭窄的角落。采用遥控方式，由于无线

控制容易受到井下环境的干扰，它同时以光纤通信装置为备用，以保障通信畅通。

它能够先于搜救人员进入危险的环境，为救援提前感知现场情况，当它寻找到伤

员时，能够引导伤员到安全的环境，提供氧气、水、药品等必需品，它还能改装

成能将伤员搬动或拖到安全地点的救援机器人。

图5GeminiScout矿井救灾机器人

BEAR救护机器人由美国维克那机器人公司研制，是一款类人救援机器人。

它采用双腿独立式履带，除自主移动外，还可利用膝盖、臀部或脚改变身体高度，

以适应不同的地形条件，如图6所示。

图6BEAR机器人

东京工业大学的广濑是最早从事救援机器人研究学者之一，由他带头研制的

蛇形机器人主要有SOURYU-I、SOURYU-II、SOURYU-III、ACM-R5。SOURYU-III分别

连接作为能够姿势变化的活动关节连接三个履带机构构成履带机器人。ACM-R5

蛇形机器人为水陆两用机器人利用模块化技术设计，整个本体结构分为多节，每

节都在圆柱形物体上安装六枚类似鱼鳍的构件，然后利用履带将各节连接起来。

鱼鳍的顶端装有脚轮，但这种脚轮并不产生驱动力，而是通过蛇行方式或扭动身

体实现陆地移动。在水中的运动可以通过身体蛇行或螺旋运动来实现。

图6SOURYU-III蛇形机器人图7ACM-R5蛇形机器人

2006年6月，日本研制出新型搜救机器人—木槿，如图5所示，木槿全身

都是特制的履带，四肢能够独立遥控，移动自如，具有较强的越障能力和环境适

应能力，并装备了红外热敏摄像头，可以对受困人员或死难者进行定位，将拍摄

的图像传送给救援人员。

图8日本搜救机器人木槿

日本横滨警察署研发设计的爬行者〔Crawler