井下救援探测机器人发展现状浅述

1、救援探测机器人发展现状目前，矿井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，只能通过提升绞车移动式风车等设备清除垃圾，向井下通风， 然后再搜救遇险矿工这种方式危险性大，伤亡人数多，救灾周期长，往往效率低 随着科技的发展，机器人将被应用到煤矿救灾领域。采用虚拟现实技术，遥控机 器人进行工作，救灾机器人利用自身的优点，可实现大范围移动，能迅速找到井 下遇险矿工的位置，能大大减少救生队员的伤亡和并有效加快搜救速度，对提高 救灾效率具有重大意义。在当今社会，研究有自己特色的救灾机器人，无疑具有 巨大的社会效益和经济效益。就目前存在的井下机器人来看，救灾机器人在用途上可分为

2、两类：环境探测 机器人和营救机器人。环境探测机器人探测、采集、发送矿井灾害环境参数和信 息，包括瓦斯、CO、02、温度和其他灾害特征气体等，以及生命、图像等信息， 为地面决策者提供相关信息，这类机器人体需要积较小，灵活。营救机器人是要 将受伤矿工转移到安全的地方，需要很大的力量，体积需要较大。目前矿井营救 机器人还没有开始研发，主要是研发矿井探测机器人。而所谓救援探测机器人， 就是对灾害环境进行探测并对探测到的生命进行一定救援帮助的机器人。在国外，救灾机器人发展迅速，技术日益成熟，并进入实用化阶段。探测机器人方面，日本美国英国等已开始装备使用在灾难现场中，救灾机器 人应能迅速找到幸存者的位置。

3、日本大阪大学研制出蛇形机器人，能在高低不平 的模拟废墟上前进，其顶端带有一部小型监视器，身体部位安装传感器，可以 在地震后的废墟里寻找幸存者。美国i Robot公司研制了 Pack-Bot系列机器人， 能适应崎岖不平的地形环境和爬楼梯，主要执行侦察任务寻找幸存者勘探化学品 泄漏等任务InuKtun公司研制了机器人MicroVGTV，机身可变位，采用电缆控制， 含有直视的彩色摄像头，并带有微型话筒和扬声器，可用于与压在废墟中的幸存 者通话，适用于在小的孔洞和空间中执行任务除了前面的中小型救灾机器人，微 型救灾机器人也正在研究中，美国加州大学伯克利分校研制出世界第一个苍蝇机 器人，通过装在它脑袋上

4、的微型传感器与微型摄像机，可以到倒塌的建筑物废墟 底下或其他灾难场所寻找幸存者。2001年“911事件”后，美国主要机器人生产公司和研究机构都组织参加了 纽约世贸大厦现场搜救工作。包括南佛罗里达大学机器人辅助搜寻与救援研究中 心、MIT的i Robot公司、美国海军的SPAWAR研究中心以及具有50多年历史的 Foster-Miller公司等。据时代周刊报道，在最初的十天里，搜救机器人在救援 人员与警犬无法到达的狭小，危险空间里搜到10余具遇难者遗体，与现场搜救 工作人员搜到的数量基本相同，但所花时间却不到现场搜救人员所用时间的一 半。救护机器人方面，日本已研究了一台救护机器人并于1994年第

5、一次投入使 用，它采用橡胶履带，带有电视摄像机易燃气体检测仪超声波探测器等信息收集 装置，还有两只最大抓力为90KG重的机械手，可将幸存者举起并送到救护平台 上。此外，为了提高救灾效率，机器人还可以清理现场的障碍物，美国陆军工兵 学校和无人地面车辆联合计划办公室联合研制了遥控清理机器人Panther。在国内，救灾机器人的研究刚刚起步，但进展很快。国内的矿用机器人发展 主要是在探测机器人方面。中科院沈阳自动化所在2002年研制了一种蛇形机器 人，由16个单自由度关节模块和蛇头蛇尾组成，在监控系统的无线控制下可实 现蜿蜒前进后退侧移翻滚等多种动作，并能通过安装在蛇头上的微型摄像头将现 场图像传回监

6、控系统。2003年3月在东南大学召开了危险恶劣环境作业机器人 技术研讨会，会议围绕 危险作业机器人的今后重点发展方向如何组织全国力量 培育重点课题和加快发展我国的危险作业机器人技术展开了热烈的讨论，并取得 了共识。2006年6月，中国矿业大学的机器人研究所成功研制了 “CUMT-1” 矿井救灾机器人，并对救灾机器人的机构设计做了一些有益的尝试，这是我国第 一台用于煤矿救援的矿井搜救机器人。该机器能够探测灾害环境，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，能够使受伤人员与受害者进行快速联络，指挥受伤人员选择最佳逃生路 径；具有无线网络通讯功能

7、；同时还携带有食品、水、药物、救护工具等救助物 资，使受害者能够开展积极自救。下面是目前使用的几类矿井以及灾害救援机器人：幻SOUI瓦#勾EiniHM JflB urtnri 机,lt A圉1炭带式搜就和器人UK应(b) g.g囹# 是舛iRobos PackBor 点授就相嚣入间*村跋金if血也禁办 TfW*闺3 加拿大Inukiuti 4 M MkmVGTV步密 址就帆若兀fxhCMUtf M7JU I #K.铲台鸵蛀陷机H人炸p加州大学稍七“样位 屹期到施幌帆右大114-ASrXMffr蛇息FUI人国4 位生拽Jt批罚人综合机器人研究与发展现状，救援探测机器人的研究与发展过程中存在的主

8、要问题包括以下几个方面：矿井下活动的首要条件是安全。所以矿用设备必须满足的条件就是符合本安 防爆的标准，设计保证小功率工作。为了工作人员携带方便，也为了搜救机械人 能够更灵活的井下作业，搜救机器人要求体积、重量要尽量更小、更轻。移动/机械结构。灾难事故中，现场地理环境比较恶劣，要求救援机器人具 有多种灵活的移动结构，以适应不同环境。一方面，在每层坍塌地方需要灵活越 障能力较强的移动结构，能够顺利行走；在平坦的地方，救援工作的时间紧迫， 就需要机器人能够有更快的移动速度，轮式，或者在井下利用轨道移动式等。现 有移动结构从军用轮履式结构向仿生结构比如蛇形和苍蝇结构等方向发展，更灵 活小巧。导航与定

9、位。越障、避障是救灾任务完成的前提，自然路标导航与定位技 术、视觉导航中的路标识别、图像处理的快速算法以及专用数字信号处理器(DSP) 的开发与研制等方面的研究，也可使救灾机器人的导航与定位取得突破性进展。 根据井下巷道的分布图进行导航在控制终端绘制行进路线图，随时对比修正救灾 机器人的位置，实现机器人定位的可视化，向救灾中心提供幸存者的位置，完成 任务后回到救灾中心。人机通讯方式。救灾机器人通讯系统负责完成前方与后方之间的双向信息交 流，包括数据通讯视频信号音频信号的通讯，其控制方式分为线控式无线遥控式 自适应式目前，大多数使用线控式和无线遥控式。传感检测装置与多传感器融合。井下环境复杂，瓦

10、斯、CO、02、温度和其他 灾害特征气体等，以及生命、图像等信息，尤其是探测幸存者是一项非常困难的 任务，幸存者的征兆只有呻吟声体温身体的气味以及其他体征等信息，这些都要 借助于传感器来识别。目前，根据需要探测要求，常用的传感器有热红外传感器、 嗅觉传感器、声波振动传感器、视频传感器以及生命探测仪等。同时用多种传感 器，个传感器之间的信号干扰，数据采集等都是需要考虑的因素。Research and Rescue robotWith the continuous development of science and technology,with the more and more resear

11、ch of robot technology ,robots are slowly finding their way into the hands of search and rescue groups.Robots engineered specifically for the search and rescue in mine detection domain have been paid great attention especially.The National Institute of Standards and Technology (NIST) has created a s

12、et of reference test arenas for evaluating the performance of mobile autonomous robots performing search and rescue tasks.Now lets have a brief introduce about the development and the present situation of the search and rescue robot both at home and abroad.A long standing goal of mobile robotics has

13、 been to allow robots to work in environments unreachable or too hazardous to risk human lives. Urban search and rescue is one of the most hazardous environments imaginable with victims often buried in unreachable locations. Rescue robotics is the application of robotics to the search and rescue dom

14、ain. The goal of rescue robotics is to extend the capabilities of human rescuers while also increasing their safety. In particular,the inside of severe earthquake stricken buildings or underground area should be investigated in advance of manned rescue operation in order to avoid risk of suffering f

15、rom secondary disaster. During the rescue mission the mobile robot is deployed on the rescue site, while the human tele- operator is monitoring the robots activities and giving the orders from a safe place outside of the site.Rescue robot are widely used mainly in the following sections:Urban search

16、 and rescue(USAR) robots have a relatively short history and their use is relatively new. In-uktun Services Ltd. conducted the first documented investigation of using robots for search and rescue in 1993. Although academic interest in this application of robots dates back to the 1995 Oklahoma City B

17、ombing and Kobe Japan Earthquakes, the first documented use of robots at a search and rescue site was shortly after September 11, 2001 in the aftermath of the World Trade Center(WTC)disaster. Retired Lt.Col. John Blitch led military, commercial, andaca-demic robotic groups from around the nation to

18、assist in the response effort. Although the robots used in the search were not originally designed for USAR, their successful performance during the response proved the robots value as tools in USAR incidents. As with any first time event, difficulties and relationships within the environment were i

19、dentified. This provided a baseline for future development of search and rescue robots.The World Trade Center (WTC) rescue response provided an unfortunate opportunity to study the human-robot interactions (HRI) during a real un-staged rescue for the first time. A post-hoc analysis was performed on

20、the data collected during the response, which resulted in 17 findings on the impact of the environment and conditions on the HRI: the skills displayed and needed by robots and humans, the details of the Urban Search and Rescue (USAR) task, the social informatics in the USAR domain, and what informat

21、ion is communicated at what time. The results of this work impact the field of robotics by providing a case study for HRI in USAR drawn from an un-staged USAR effort. Eleven recommendations are made based on the findings that impact the robotics, computer science, engineering, psychology, and rescue

22、 fields. These recommendations call for group organization and user confidence studies, more research into perceptual and assistive interfaces, and formal models of the state of the robot, state of the world, and information as to what has been observed.Robots in mine rescue . After a coal mine disa

23、ster, especially a gas and coal dust explosion, the space-restricted and unstructured underground terrain and explosive gas require coal mine rescue robots with good obstacle-surmounting performance and explosion-proof capability. To deal with this complicated problem, we must first solve a number o

24、f more simple tasks.An overall configuration of robot that can cross obstacles flexibly in the complicated unstructured environment , high mobility of walking mechanism and joint module are essential factors to be designed .A new scene recognition system was presented based on fuzzy logic and hidden

25、 Markov model(HMM) that can be applied in mine rescue robot localization during emergencies. The system uses monocular camera to acquire omni-directional images of the mine environment where the robot locates. By adopting center-surround difference method, the salient local image regions are extract

26、ed from the images as natural landmarks. These landmarks are organized by using HMM to represent the scene where the robot is, and fuzzy logic strategy is used to match the scene and landmark. By this way, the localization problem, which is the scene recognition problem in the system, can be convert

27、ed into the evaluation problem of HMM. The contributions of these skills make the system have the ability to deal with changes in scale, 2D rotation and viewpoint. The results of experiments also prove that the system has higher ratio of recognition and localization in both static and dynamic mine e

28、nvironments.To have more progress in the research of search and rescue robot development ,there are still more arduous tasks to do.参考文献：王勇，朱华，王永胜，程刚，李允旺；煤矿救灾机器人研究现状及需要重点解决的技术问题 J；煤矿机械；2007年04期王忠民,刘军,窦智,杜占灵；矿难救援机器人的研究应用现状与开发J；煤矿机械；2007 年11期杨朝虹，张海珠;机器人技术的应用与发展A；先进制造技术论坛暨第五届制造业自动化 与信息化技术交流会论文集C；2006年4.

29、宋国栋;移动机器人组合导航系统设计与应用的研究D；南京理工大学；2006年吕漫丽;基于多传感器信息融合的移动机器人避障研究D；东北电力大学；2008年咸宝金；基于专家系统的数据融合技术及在机器人避障中的应用D；北方工业大学；2008 年7.S.Tadokoro, T. Takamori, et al., On robotic rescue facilities for disastrous earthquakes -from the Great Hanshin Awaji (Kobe) Earthquake-, Journal of Robotics and Mechatronics, 9(1

30、), pp.46-56, 1997.8.J. Casper, Human-Robot Interactions during the Robot-Assisted Urban Search and Rescue Response at the World Trade Center, MS Thesis, Computer Science and Engineering, USF, April 2002.9.S.Tadokoro, H. Kitano, et al., The RoboCup-Rescue Project: A Robotic Approach to the Disaster M

31、itigation Problem, Proceedings of the 2000 IEEE International conference on Robotics & Automation, pp.4090-4095, 2000.A. Jacoff, E. Messina and J. Evans, A standard test course for urban search and rescue robots, Proceedings of Performance Metrics for Intelligent Systems Workshop, 2000.K. Osuka, R. Murp