煤矿救援机器人研究现状及发展趋势

煤矿救援机器人研究现状及发展趋势

摘要：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的指导意义。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。

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

引言

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。

1.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：第一，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。

第二，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500m左右，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。

第三，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。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。

2.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。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：

2.1新能源电池的利用

新能源电池，如石墨烯电池已经在汽车、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。

2.2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、定位与路径规划的智能化机器人是未来煤矿救援机器人发展的一种趋势，

具体技术如图1所示。

图1.机器人自主行走、定位与路径规划技术：

2.3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GB3836．1—2010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。

2.4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[1]：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；二是无论是气体环境信息

还是视音频信息，可以通过集中处理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息进行统一处理，实现

信息处理与传输的多源化和智能化。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2所示。

2.5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Mesh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.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[2]。

结论

简而言之，文章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[3]。

参考文献：

[1]银川兴庆区安监局．“十二五”期间全国生产安全事故统计数据

［EB/OL］．［2016－10－26］．

[2]国家安全生产监督管理总局．前7月全国生产安全事故28115起16059人

死亡失踪［EB/OL］．2018.22-29.

[3]丁显孔．浅谈我国消防灭火机器人在火场上的应用[J].消防技术与产品信息，2017（8）：26－30．