中国矿业大学09届本科生毕业设计论文 第2页 年2月22日山西焦煤集团屯兰矿“2.22”瓦斯事故共78名矿工遇难?? 我国煤矿事故发生的原因极为复杂，是偶然性和必然性的结合。由于大多数为井工开采，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。各类灾害事故还存在突发性、灾难性、破坏性和继发性等特点。目前，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，只能通过采用提升绞车清除垃圾、移动式风车向井下通风，然后再搜救遇险矿工。这种方式危性大，伤亡人数多，救灾周期长，往往效率低，因此，研究救灾新装备是一项紧迫的任务。
从煤矿救灾的“需求牵引”上分析，如果能使用救灾机器人代替或辅助救护人员进行井下灾害救助不失为一种提高矿井救灾效率的有力途径。这是由于在井下发生灾害时，受高温、烟雾、有害气体和缺氧等影响，救护人员很难接近或到达灾害的现场，而机器人却有可能进入或比救护人员更接近灾区。另外，机器人先于救护人员对灾区进行探测，对救灾人员的生命也多了一份保障。在很多条件下，机器人进入灾区的时间都将比救灾队员所需要的更短。
从煤矿救灾的“技术导向”上分析，将具有一定智能扽救灾机器人用于危险和复杂的灾难环境“搜索和营救”幸存者，是机器人学中的一个新兴而富有挑战性的领域。世界上许多国家都在研制军用机器人、扫雷机器人、排爆机器人和消防机器人等危险作业机器人。救灾机器人是机器人的一个新兴发展领域，属于危险作业机器人的一个分支，具有危险作业机器人的特点。 救灾机器人利用自身的优点，能迅速找到井下遇险矿工的位置，降低事危害性，对提高救灾效率具有重大意义，具体表现为：
⑴机器人具有灵活性好、机动性强的特点，有较好的爬坡和越障能力，能适应现场各种各样的地理环境。
⑵机器人的探测技术发展迅速，能迅速找到井下遇难矿工的位置。机器人利用传感器通过探测井下遇难矿工的呻吟声、体温的变化及心脏跳动的频率的信息能找到他们的位置。其次，机器人的视频探测器（CCD摄像头）具有信息直观、能实现计算机辅助控制等特点，可以将现场环境的图像返回到救灾中心，为进一步控制机器人的运动方向，制定下一步救灾的方案提供决策依据。最后，机器人还能进入井下区域，监测事故现场（如温度、瓦斯以及有害气体的浓度）的变化，防止事故的二次发生。
⑶机器人具有为井下遇难矿工投放小包食品、药物和通讯装置等辅助功能，可以有效减少遇难矿工的伤亡人数。
中国矿业大学09届本科生毕业设计论文 第3页 综上所述，煤矿救灾机器人的研制，对煤矿安全生产，建立特种危险环境下的工业救灾具有十分重要的意义。同时，救灾机器人又是机器人研究的热门领域，但目前国内外研制救灾机器人大都集中在地面火灾和地震等自然灾害的救灾，而对矿井地下救灾机器人的研制基本属于空白。研制救灾机器人已成为了我国煤矿生产的迫切需要。对于矿井内的搜救机器人的研制，技术上有很多难题需要解决，国内还没有现成的具解决方案，这也正是我们需要研究的意义所在。
1.3 设计基础
在本设计之前，已经有许多研究人员和研究公司对非结构环境移动机器人
进行了许多方面的工作。这些都是非常有价值的参考资料。我们试验室已制作出包括“CUMT-1”型双履带式机器人等五台样机，如图1-1，并进行了多次室内、室外和模拟环境的试验，积累了许多宝贵的数据与设计经验，这些也是非常有价值的参考资料。
图1.1 双履带机器人“CUMT-1”实验照片
在CUMT-1试验时,试验人员发现该机器人存在以下不足： ⑴在翻越垂直障碍和沟槽的过程中,机器人存在卡链、托扣等现象,传动系统可靠性不高.机器人越障后,履带无缓冲,着地时冲击大,对内部控制电路和传动系统都具有破坏性。
⑵机器人越障时，整体稳定性不高，车体摆动较大，对图像采集非常不利。同时，机器人的越障性能也有待提高。
中国矿业大学09届本科生毕业设计论文 第4页 ⑶机器人的续航能力差，CUMT-1型在额定功率状态下运行时间不超过2.5小时。
⑷整体的密封性设计欠缺。
在试验中这些缺点非常突出，并直接影响了机器人运行的稳定性。
1.4 国内外研究与应用现状
对于矿井救灾机器人的研究工作，美国起步较早，已有多家高校或研究机
构研发了针对不同用途的矿井救灾机器人。如美国智能系统和机器人中心开发RATLER矿井探索机器人，用于灾难后的现场侦查工作，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。这种机器人已经形成系列化，除了矿井方面的应用，还有军事方面的应用。美国南佛罗里达大学研制的Ｓｉｍｂｏｔ矿井搜索机器人，这种机器人小巧灵活，携带数字低照度摄像机和基本气体监视组件，可以通过一个钻出的小洞钻进矿井，越过碎石和烂泥，并使用其携带的传感器发现受害矿工，探测氧气、甲烷气体含量，生成矿井地图。另外，卡内基梅隆大学机器人研究中心也开发了２款全自主矿井探测机器人Ｇｒｏｕｎｄｈｏｇ和Ｆｅｒｒｅｔ。Ｇｒｏｕｎｄｈｏｇ主要用于探测井下环境，精确绘制井下立体地图。机械结构采用四轮导向、液压驱动，可实现零半径转弯，最高速度可达１９ｋｍ／ｈ。装备有激光测距传感器、夜视摄像机、气体探测传感器、ｓｉｎｋａｇｅ传感器、陀螺仪等，能够对矿井下的环境进行综合性测量，建立矿井立体模型。机器人雪貂用于矿井钻孔探测，装备有长距离低反射率三维激光扫描仪、嵌入式微处理器、磁指南针、倾角传感器、活动云台摄像机、照明灯、接近传感器等设备。能够完成三维激光扫描地图生成，地图核对，可通过性分析等任务，一次充电可连续工作４ｈ。由Ｒｅｍｏｔｅｃ公司制造的Ｖ２煤矿救援机器人，大约５０ 英寸高，１２００ 英磅重，使用防爆电动机驱动橡皮履带。安装有导航和监控摄像机、灯、气体传感器和一个机器臂，具有夜视能力和２路语音通讯功能。可在５０００ 英尺以外的安全位置远程遥控，使用光纤通讯传送矿井环境信息，操纵者能够看到实时视频信息和易燃的有毒气体的浓度。 国内研究矿井救灾机器人的工作相对较晚，研究机构也相对较少，目前报道的只有中国矿业大学。中国矿业大学可靠性工程与救灾机器人研究所于２００６年６月成功研制了我国第. 台用于煤矿救援的CUMT-1 型矿井搜救机器人，该机器人装备有低照度摄像机、气体传感器和温度计等设备。能够
中国矿业大学09届本科生毕业设计论文 第5页 探测灾害环境，实时传回灾区的瓦斯、ＣＯ、粉尘浓度和温度以及高分辨率的现场图像等信息；具有双向语音对讲功能，能够使救灾指挥人员与受害者进行快速联络，指挥受伤人员选择最佳的逃生路线；具有无线网络通讯功能；同时还携带有食品、水、药品、救护工具等救助物资，使受害者能够积极开展自救。
上述矿井搜救机器人代表了当前国内外在该领域的研究现状和发展水平，但它们离实际应用的要求还有很大距离。例如RATLER 矿井探索机器人的通讯方式单一，通讯距离短；机械结构方面，其原型设计是基于野外全地形运动车辆的使用要求，没有按照适合于矿井环境来设计运动系统，底盘较低，越障性能一般。由于采用轮式差速转弯，转弯半径大，转向不灵活，结构不太适合于巷道等狭窄空间且没有任何自主避障方面的设计。Ｓｉｍｂｏｔ 是一种体积非常小的机器人,这就决定了它不可能拥有较远的控制范围，只能在较近的范围内进行有线控制，携带的传感器数量也很有限，必须由搜索队员携带下井，使用方式非常有限。Groundhog机器人的自主性和移动性都非常强，但它是为了探测正常矿井地形而设计的试验平台，携带有非常多的仪器设备，由于美国的矿井巷道比较宽敞，道路平坦，瓦斯含量少，条件比较优越，所以其设计的体积巨大，并不适合用作煤矿搜救，曾经陷入泥浆地，被用线缆拉了出来。Ｖ２机器人是比较成熟的一款矿井救灾机器人，结构设计很好，但体积略显巨大，而且也没有自主避障功能，仅仅是遥控而已，并且只有光纤一种通讯方式，其可靠性也有待提高。CUMT-1型矿井搜救机器人同样存在通讯、避障和机械可靠性等方面的技术问题。
1.5 本章小结
本章从机器人的发展史出发并结合我国煤炭生产的安全现状引出我国目
前发展煤矿救灾机器人的可行性及紧迫性。并简要介绍了国内外煤矿救灾机器人研究和应用的现状。
中国矿业大学09届本科生毕业设计论文 第6页 2行走机构方案确定
对于机器人行走机构而言,腿式机器人运动速度过慢,无法满足于救灾的
时效要求，这里不作讨论。而轮式和履带式各有其忧缺点，本章从分析矿井发生灾害后的非结构环境的特征入手，结合现有的技术条件和知识储备，通过典型特征分析的方法讨论两者在非结构环境中的性能。从而得出轮式机器人相对于履带式机器人在救灾应用中的优点。
2.1 煤矿灾害现场特征
煤矿开采必须从地面向地下开掘一系列井巷（本文不对露天采矿进行分
析），其正常生产过程的自然条件比较复杂，环境恶劣。巷道路面多积水，有矿车轨道、水沟、风管、线缆等障碍物；支巷道路面窄而不平，多有斜坡；工作面的路面坡度大，有碎煤、支撑、滑道等障碍。灾害发生后，脱落的顶板、岩石煤块等形成新的障碍物。复杂的路况要求井下机器人要有较强的越障、避障能力和行驶功能恢复能力。下面对矿井主要存在的瓦斯、煤尘、顶板、火、水五大灾害进行简要说明。
⑴瓦斯、矿尘灾害。根据瓦斯-粉尘-空气混合气体燃烧、爆炸时的火焰传播速度及冲击波的大小，瓦斯爆炸有三种：速燃，火焰传播速度在10m/s以内，冲击波压力较小。它可以使人烧伤，引起火灾；爆燃，火焰的传播速度在音速以内，冲击波压力较大，对人和设备有较强的杀伤力和摧毁作用；爆炸，火焰的传播速度超过音速，达到每秒数千米，冲击波压力达到数个至数十个大气压，对人和设备具有强烈的毁灭作用。救护人员往往由于高温而无法接近灾区.此外,灾害过后,井下通风系统常受到破坏,使井下气候发生明显的变化,常见瓦斯和粉尘浓度增大,灾变区域的温度、湿度增加，风量减少。所以，二次瓦斯爆炸的危险也常常是影响救护队员及时下井救护的一个主要因素。机器人的移动系统除要能够适应瓦斯和煤尘发生爆炸后的非结构环境外，为了防止煤尘和积水进入车体内部和运动副，厢体要进行密封、防水设计。为能在高瓦斯下安全工作，控制系统需要进行矿用隔爆或本案型设计，电子元件在井下温度变化范围也应能可靠地工作。
⑵顶板灾害。在地下采掘过程中，由于矿山压力的作用，顶板会垮塌。如果顶板管理工作出现漏洞或者地层变动等原因，则可能会发生顶板事故。