0 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[1]。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[2-3]。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。

1 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 Architecture of coal mine rescue robot system

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、驱动电动机及行走机构。

在动力电源研究方面，赵峰[5]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[7]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，煤矿机器人采用的动力电源主要是磷酸铁锂电池，其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.Upadhyay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。Chen Hao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.Wang等[11]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。Chen Yong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[14]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 Yunwang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Solidworks软件对壳体进行建模，再利用COSMOSworks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。Rong Xuewen等[19]通过对煤矿探测机器人防爆技术的研究，采用了加压外壳防爆型技术，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[20]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]基于对超声电动机的研究，采用隔爆型式的防爆设计方法，首次设计出了防爆型直线超声电动机。Xu Mingyu等[22]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[23]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[24]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、ZigBee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[25]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[26]提出了ZigBee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 Quanxi 等[27]对ZigBee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[28]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[29-30]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[31]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[32]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，并通过了现场验证，为煤矿井下救援通信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[33]。

(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[34]。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[35]，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[36]。

(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

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2所示。

图2 机器人自主行走、定位与路径规划技术
Fig.2 Autonomous walking,positioning and path planning technology for robot

(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 3836.1—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。

(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3所示。

图3 信息的采集与处理
Fig.3 Information collection and processing

(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

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。

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].https://baijiahao.baidu.com/s?id=1627596403421478341&wfr=spider&for=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):253-256.

GUO Jun,YUE Ningfang,JIN Yongfei,et al.Evaluation index system for rescue safety of mine thermodynamic disasters[J].Safety in Coal Mines,2017,48(7):253-256.

[3] 郭军.矿井热动力灾害救援安全性评价与动态预测[D].西安:西安科技大学,2016.

[4] 郑学召,李诚康,文虎,等.矿井灾害救援生命信息探测技术及装备综述[J].煤矿安全,2017,48(12):116-119.

ZHENG Xuezhao,LI Chengkang,WEN Hu,et al.Summary of mine disaster rescue life information detection technology and equipment[J].Safety in Coal Mines,2017,48(12):116-119.

[5] 赵峰.煤矿环境探测机器人混合动力电源研究[J].煤矿机械,2011，32(12):60-62.

ZHAO Feng.Research on mixed power source of mine detect robot[J].Coal Mine Machinery,2011,32(12):60-62.

[6] 方海峰,张礼华,李允旺,等.煤矿灾后环境下机器人能耗模型研究[J].工矿自动化,2015,41(2):21-25.

FANG Haifeng,ZHANG Lihua,LI Yunwang,et al.Research of energy consumption model of robot in coal mine post-disaster environment[J].Industry and Mine Automation,2015,41(2):21-25.

[7] 刘伟嵬,刘丽红,章恒,等.锂离子电池电极片的激光清洗理论与实验研究[J].清洗世界,2016,32(6):17-23.

LIU Weiwei,LIU Lihong,ZHANG Heng,et al.Theoretical and experimental study on laser cleaning of cathode from lithium-ion batteries[J].Cleaning World,2016,32(6):17-23.

[8] 毛杨明.煤矿井下探测机器人防爆电机与动力电源研究[D].徐州:中国矿业大学,2015.

[9] UPADHYAY P R,RAJAGOPAL K R,SINGH B P.Computer aided design of an axial-field permanent magnet brushless DC motor for an electric vehicle[J].Journal of Applied Physics，2003,104(10):8689-8691.

[10] CHEN Hao,ZHU Yifeng.The switched reluctance motor drive for the direct-drive joint of the robot[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation,2001:1439-1443.

[11] WANG L L,SHEN J X,LUK P C K,et al.Development of a magnetic-geared permanent-magnet brushless motor[J].IEEE Transactions on Magnetics,2009,45(10):4578-4581.

[12] CHEN Yong,LU Zhongkui.Simulation analysis of vertical and lateral dynamics of an electric vehicle driven by two rear hub-motors[C]//International Conference on Mechatronics and Automation，2009:3613-3618.

[13] 李允旺.矿井救灾机器人行走机构研究[D].徐州:中国矿业大学,2010.

[14] 刘志彬.履带式移动机器人建模与动态仿真研究[D].呼和浩特:内蒙古工业大学,2009.

[15] 高俊.煤矿救援机器人隔爆外壳结构强度分析[J].机械管理开发,2018,33(11):42-43.

GAO Jun.Finite element analysis of flameproof enclosure of coal mine rescue robot[J].Mechanical Management and Development,2018,33(11):42-43.

[16] LI Yunwang,GE Shirong,ZHU Hua .Explosion-proof design for coal mine rescue robots [J].Advanced Materials Research,2011,211-212:1194-1198.

[17] 巩利萍.隔爆电气设备外壳的设计与有限元分析[D].青岛：山东科技大学,2009.

[18] 李向东,葛兆斌,孙洁,等.基于井下探测救援机器人的电气安全设计实现[J].山东科学,2009,22(5):72-75.

LI Xiangdong,GE Zhaobin,SUN Jie,et al.Electric safety design of a mine detect and rescue robot[J].Shandong Science,2009,22(5):72-75.

[19] RONG Xuewen,SONG Rui,SONG Xianming,et al.Mechanism and explosion-proof design for a coal mine detection robot[J].Procedia Engineering,2011,15:100-104.

[20] 雷利伟,朱斌,贾瑞卿.轻型轮式废弃矿井探测机器人的防爆设计[J].煤矿机械,2014,35(4):1-3.

LEI Liwei,ZHU Bin,JIA Ruiqing.Explosion-proof design for light wheel abandoned mine detection robot[J].Coal Mine Machinery,2014,35(4):1-3.

[21] 郭长亮.防爆型直线超声电机的研究[D].郑州:郑州大学,2012.

[22] XU Mingyu,WEN Jiabin,WU Guizhen.Integrated calculation on temperature field and fluid field in explosion-proof motor with high power density[J].Explosion-Proof Electric Machine，2008,43(3):30-34.

[23] 范伟,倪俊芳.隔爆电机隔爆结构研制[J].电工电气,2012 (8):55-57.

FAN Wei,NI Junfang.Flameproof structure development and manufacturing for flameproof motor[J].Electrotechnics Electric,2012 (8):55-57.

[24] 胡文华.YBFB复合型防爆电动机典型结构[J].防爆电机,2009,44(5):39-40.

HU Wenhua.A typical structure of YBFB combination explosion-proof motor[J].Explosion-Proof Electric Machine,2009,44(5):39-40.

[25] 康跃明,胡玉超,谢成梁,等.WI-FI在矿井应急无线传感网络中的应用[J].河南理工大学学报(自然科学版),2010,29(5):635-638.

KANG Yueming,HU Yuchao,XIE Chengliang,et al.Application of WI-FI in mine emergency WSN[J].Journal of Henan Polytechnic University (Natural Science),2010,29(5):635-638.

[26] 孙弋.新型煤矿井下应急无线通信系统的建立[J].西安科技大学学报,2008，28(1):117-121.

SUN Yi.A wireless emergency communication system based on the Zigbee technology for modern mine[J].Journal of Xi'an University of Science and Technology,2008，28(1):117-121.

[27] LI Quanxi,ZHAO Hongtu,LIU Peiqian.Research on robot network communication system in underground coal mine based on ZigBee[M].IEEE Computer Society,2010.

[28] 宋柏,孙戈,朱华,等.煤矿环境参数及工况参数无线监测系统：CN201022018Y[P].2008-02-13.

[29] 孙继平,石庆冬.空圆形隧道中电磁波的传播特性[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2001,20(2):169-171.

SUN Jiping,SHI Qingdong.Propagation characteristic of electromagnetic waves in empty circular tunnels[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2001,20(2):169-171.

[30] 孙继平.煤矿安全监控系统联网技术研究[J].煤炭学报,2009,34(11):1546-1549.

SUN Jiping.Networking technology for safety supervision system in a coal mine[J].Journal of China Coal Society,2009,34(11):1546-1549.

[31] 傅郁松.无线Mesh技术在煤矿井下应急通信系统中的应用[J].工矿自动化,2012,38(5):93-96.

FU Yusong.Application of wireless Mesh technology in underground emergency communication system [J].Industry and Mine Automation,2012,38(5):93-96.

[32] 郑学召.矿井救援无线多媒体通信关键技术研究[D].西安：西安科技大学,2013.

[33] 王勇,李允旺,田鹏,等.煤矿救灾机器人发展历程分析及展望[J].矿山机械,2018,46(5):1-10.

WANG Yong,LI Yunwang,TIAN Peng,et al.Analysis and prospect on development course of colliery rescue robots[J].Mining and Processing Equipment,2018,46(5):1-10.

[34] 张海波,茹瑞鹏,张静.煤矿井下瓦斯智能巡检机器人系统的研究与设计[J].中国煤炭,2019,45(4):77-81.

ZHANG Haibo,RU Ruipeng,ZHANG Jing.Research and design of intelligent patrol robotic system for gas of underground mine[J].China Coal,2019,45(4):77-81.

[35] 李珍宝.煤矿井下自燃危险区域无线信号衰减规律研究[D].西安:西安科技大学,2015.

[36] 刘根民.煤矿机器人的现状与发展[J].装备机械,2019(1):71-73.

LIU Genmin.Current status and development of coal mine robots[J].The Magazine on Equipment Machinery,2019(1):71-73.

[37] 由韶泽,朱华,赵勇,等.煤矿救灾机器人研究现状及发展方向[J].工矿自动化,2017,43(4):14-18.

YOU Shaoze,ZHU Hua,ZHAO Yong,et al.Research status of coal mine rescue robot and its development direction[J].Industry and Mine Automation,2017,43(4):14-18.

[38] 轩中.“快速充电”石墨烯电池横空出世[J].互联网周刊,2018(22):16-17.

XUAN Zhong."Fast charging" graphene battery turned out[J].China Internet Week,2018(22):16-17.