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救援机器人的研究现状与发展趋势_图文



述 General Review

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救援机器人的研究现状与发展趋势

郭 月,赵新华,陈 炜,侍才洪,邢 凯,张西正
[摘要] 阐述了救援机器人的研究现状,重点介绍了几款参加实际救援任务的国内外典型机器人。从机械结构设计和 测控系统设计的角度出发,归纳了其中的关键技术,包括运动能力、作业能力、通信能力、感知能力、能源供给与续航能 力和材料装备等。最后对前人的工作进行了总结,并对救援机器人的发展趋势进行了展望。 [关键词] 救援机器人;机械结构;测控系统;关键技术 [中国图书资料分类号] R318.6;TP24 [文献标志码] A [文章编号] 1003-8868(2014)08-0105-04 DOI:10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.08.105
Research status and development tendency of disaster rescuing robot
GUO Yue1, ZHAO Xin-hua1, CHEN Wei1, SHI Cai-hong2, XING Kai1, ZHANG Xi-zheng2 (1. School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China; 2. Institute of Medical Equipment, Academy of Military Medical Sciences, Tianjin 300161, China) Abstract The research status of the rescue robot is described, and several robots involved in disaster relief are introduced from the aspects of mechanical structure design and control system design, involving mobility, operability, communication capability, perception ability, power supply and battery life, materials and etc. The previous researches related are summarized, and the trends of rescue robot are predicted. [Chinese Medical Equipment Journal,2014,35 (8): 105-108] Key words rescue robot; mechanical structure; measuring and control system; key technology

0 引言 近些年,战争、恐怖袭击等突发事件,地震、海啸
等自然灾害及潜在的核、化、生和爆炸物等严重威胁 着人类的生命与财产安全。各种灾难发生次数增多 的同时,其严重性、多样性和复杂度也逐渐增加[1]。灾 难发生后的 72 h 为黄金抢救时间,但受灾难现场的 非结构化环境的影响,救援人员难以快速、高效、安 全地进行工作,且救援任务逐渐超出了救援人员的 能力范围,因此,救援机器人已经成为一个重要的发 展方向[2]。 1 国内外研究现状
20 世纪 80 年代,已经有人对将机器人应用于 救援工作中进行探讨,但救援机器人技术的正式研 究始于 1995 年的日本神户-大阪大地震,并在 2001 年的美国 9·11 事件中,救援机器人正式投入应用。 但同时,机器人在如控制方式、防水性、视野等很多 方面也暴露出了不足[3],此后,引发了救援机器人的 研究热潮。近年来,机器人在理论和实际应用上都取 得了很大的进步。2011 年 3 月 11 日,日本 9.0 级大 地震及海啸引起的核污染灾害再次使机器人引起了
基 金 项 目 :国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (11302147,51275353); 天 津 市 高 等 学 校 科 技 发 展 基 金 计 划 项 目 (20100402);中 国 博 士 后 科 学 基 金 项 目 二 等 (军队系统);天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室资助项目 作者简介:郭 月(1989—),女,研究方向为机器人学,E-mail:1060384823 @qq.com。 作者单位:300384 天津,天津理工大学机 械 工 程 学 院 (郭 月 ,赵 新 华 ,陈 炜,邢 凯);300161 天津,军事医学科学院卫生装备研究所(侍才洪,张西 正) 通讯作者:张西正,E-mail:z56787@sohu.com

全球的注意,救援机器人的研制势在必行。 在计算机等新技术的发展推动下,机器人的应
用领域迅速扩大。按不同的分类方式,机器人具有多 种形式:按功能和用途可分为医疗机器人、军用机器 人、助残机器人、清洁机器人等[4-5];按其移动机构可 分为轮式、步行式、履带式以及复合式等类型;按硬 件发展的基本平台分,有履带式平台、蜿蜒式平台、 飞行类平台等[6]。近年来,世界各国对机器人的研究 工作都投入了大量的人力和物力,并取得了一定的 成绩。下面根据国内外的研究现状介绍几款典型的 救援机器人。 1.1 国外研究现状
日本作为一个多核能、地震等灾害的国家,十分 重视救援机器人的研制,其技术水平一直处于世界 领先地位。日本的 Hirose 教授首先提出蛇形机器人 运动系统,并于 1972 年研制了第一个蛇形机器人, 他提出用“蛇形曲线”来描述蛇的蜿蜒运动方式[7],并 研制了“ACM”等系列机器人。比较典型的还有日本 研究专家 Satoshi Tadokoro 发明的 Snakebo(t 如图 1 所示)。该机器人主要承担搜索工作,长约 8 m,依靠 装有动力装置的尼龙绳索进行驱动,可以深入灾后 废墟的各个狭小角落。其利用摄像机构成的“眼睛” 传回的影像可以使救援者了解并控制受灾区域的内 部情形。该蛇形机器人经受了可控和现实灾难的双 重检验,在加入到日本地震救援之前,它曾在美国 佛罗里达的一次停车场坍塌事故中帮助救援队实 施营救。

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菊池制作所针对日本东京消防厅开发的救援机 器人 RoboCue(如图 2 所示)[8]能进入救援队员不能 进入的地方,比如火势凶猛的房屋、爆炸或弥散毒气 的现场来寻找受害人。它配备有超声波传感器、红外 照相机,并随身携带一个氧气罐,其 2 个机械臂不仅 可以识别受伤者,还可将伤员装载到一张雪橇样的 床上,撤回到安全地带。日本横滨警察署研发设计的 “爬行者”(Crawler)(如图 3 所示)的承载极限为 250 lb (1 lb=0.453 6 kg),该机器人的主要作用是依靠“舱 体”将被困人员安全运出危险区域。以上介绍的几款 机器人 Snakebot、RoboCue、Crawler 及 Quince(如图 4 所示)均应用在 2011 年的日本大地震救援中,并起 到了一定的作用。

加州大学伯克利分校的一名教授研制的 Dash, 即“不死的小强”机器人(如图 7 所示),由硬纸板和 电子器件的废弃部分组成,体积很小。Dash 的优点 是行动敏捷,而且用纸板做成的躯干对损伤几乎免 疫,每只的造价不超过 1 美元。从节能环保的角度来 看,Dash 的研究具有十分重大的意义。目前,世界各 国已经出现了各种仿生机器人,如壁虎机器人、蜘蛛 机器人等。美国 Vecna 公司的 Bear 仿人型机器人 (如图 8 所示)[12]是一种用于战场的救援机器人。
10 cm

图 1 Snakebot

图 2 RoboCue

图 7 “不死的小强”机器人

图 8 Bear 机器人

其他国家也很重视救援机器人的研究。如加拿 大 Inuktun 公司研制的 MicroVGTV[13(] 如图 9 所示) 及 Sherbrook 大学研制的 AZIMUT 机器人[14],其主要 特点是根据环境与任务的不同随机改变自身形态。 还有西班牙的 ALACRANE(如图 10 所示)[15]、瑞士的 Shrimp[16]、英国的“手推车”(Weelbarrow)[17]Mk7 型排 爆机器人、德国 TEODORG 公司的 MV4 机器人、法 国的 MK4D 智能排爆机器人[18]等。

图 3 Crawler

图 4 Quince

美国在 9·11 事件后,对机器人的研究更加重视。

其中,极具代表意义的由 Irobot 公司研制的小型便 携带式机器人 Packbo(t 如图 5 所示)系列[9]和“War- rio(r 战士)”[10]等均得到了较好的应用。“Warrior”可通

过远距离遥控动作,前后长 90 cm,左右宽 80 cm,上下

高 53 cm,质量为 250 kg,机械手臂前段装有刷子。在

福岛第一核电站中,3 号机组建筑物 1 层的放射线

量最高时达 620 mSv/h,操作人员不能进入,“Warri-

or ”可 将 爆 炸 后 沉 积 的 小 石 子 和 沙 土 清 除 干 净 ,并 搬走倒塌的架子(如图 6 所示)[11]。

图 5 Packbot

图 6 Warrior

图 9 MicroVGTV

图 10 ALACRANE

1.2 国内研究现状

在国内,救灾机器人的研究起步较晚,但受到的 重视程度很高。如国家“863”计划支持研发地震救援 辅助机器人等的一系列措施;国内各大高校、研究机

构以及企业单位等都进行了积极研究,近年来取得 了很大进展。下面介绍几款在 2013 年芦山 7.0 级地 震中做出贡献的机器人。
国家“十二五”科技支撑计划的重点项目“龙虾” 救援机器人(如图 11 所示)是目前世界上最大的抢 险救援机器人。它的每只臂有 7 个自由度,在工作人 员的控制下可自由升降,且能模仿人的双臂进行无

死角的协调及配合作业,还能实现轮、履两用驱动行 驶。具有油、电“双动力”交替驱动,可双臂手作业,轮 履复合行进,其双臂末端的机械手可根据作业或救 援现场的需要快速更换不同作业功能的液压属具,

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实现快速装卸、拆解、抢险救援等作业。 中科院沈阳自动化研究所研制的生命探测仪、
表面搜救机器人和旋翼飞行机器人分别如图 12~14 所示。废墟搜索机器人的最大特点是可以改变自身 的构型进入危险区域或救援人员无法进入的复杂环 境,利用其自身携带的红外摄像机、声音传感器可将 废墟内部的图像、语音等信息实时传回后方控制台。 废墟搜索机器人的作用体现在以下 2 个方面:(1)快 速搜索幸存者,并提供信息给救援人员,方便施救; (2)随时监视废墟的变化,防止发生倒塌危及救援人 员。旋翼飞行机器人的主要功能是提供灾害现场的 精确位置及救援人员现场作业等实时信息,并协助 救援队进行排查工作,最大任务载荷为 40 kg,最大 巡航时间为 1.5 h[2]。

图 11 “麻辣小龙虾”机器人

图 12 生命探测仪

图 13 表面搜救机器人

图 14 旋翼飞行机器人

2 关键技术研究 从设计及应用的角度来讲,非结构化环境对救援
机器人是一个很大的挑战。在操作过程中,机器人必 须具备以下几种能力:(1)运动能力。(2)作业能力,包 括机器人本身具有的一定的作业功能和可操作性 2个 方面。(3)续航能力与能源供给。能源供给有有线和 无线 2 种形式,且各有优缺点。有线装置可以不受机 器人尺寸的影响,但导线的存在限制了机器人的救 援距离;无线装置的关键是如何提高续航能力 。 [19] (4)装备材料。现场复杂的救援环境会增加机器人执 行任务的难度,因此,在设计过程中应注意机器人的 防水、防爆、防腐蚀、防电磁干扰、抗热辐射等功能[20]。 (5)通信能力,包括操作人员和机器人之间的通信、 操作人员和遇难者之间的通信和多救援机器人之间 的通信。(6)感知能力,即对遇害者的定位与导航能 力。如果把机器人比喻成人体,那么其机械结构则是 人的肉体,而测控系统则是其神经系统,二者缺一不 可。因此,救援机器人的设计应从以下几点出发。 2.1 机械结构的设计与分析
复杂的灾难环境会对机器人的运动有所限制, 因此,在救援任务中具有一定的爬坡和越障能力是

十分必要的。机器人的结构设计需满足 2 点:(1)小 型化与轻量化;(2)平台的稳定性和自调整能力。 2.1.1 机械结构设计
结构设计包括底盘的设计和机械臂的设计。从 节能角度出发,近年来,机器人在传动方案和驱动方 案上得到了较大进展。2007 年,由北京理工大学申 请的专利—— —小型四履带移动机器人省去了传动机 构,其履带和摆臂均由直流伺服电动机直接驱动,在 保证机器人性能的同时,大大地满足了小型化与轻 量化的要求[21]。 2.1.2 运动学与动力学
运动学是从几何角度研究分析物体的运动。由 于现场环境复杂,机器人必须具有跨越沟壕、爬台阶 及斜坡等越障能力,并具有一定的稳定性。在行驶过 程中,应能对自身的位置、方向、速度、加速度等进行 估计,进而根据期望的前进速度和方向确定出各驱 动轮的速度。因此,建立移动机器人的运动学模型是 十分必要的。
动力学是研究物体的机械运动与作用力之间的 关系,其目的是实时控制以及调节伺服系统的增益, 改善系统的性能。对于机械臂的动力学研究方法很 多,包括拉格朗日法、牛顿-欧拉法、高斯法及凯恩法 等[22]。当前,对于机器人的动力学建模主要是将各个 部分分别建模,但是考虑到运动过程中存在着移动 车体与机械臂间的耦合作用,移动机器人动力学建 模中需要考虑车体与机械臂间的耦合作用及复杂的 地形等因素。 2.2 测控系统的设计与分析
救援机器人的测控系统工作中需兼顾以下几 点:(1)将传感器收集到的外部环境及目标位置等信 息进行融合处理,将处理后的信息反映到人机交互 平台,使得救援人员能够实时了解机器人周围的环 境和控制机器人的行为。(2)指挥人员根据机器人传 送的实时环境信息,通过远程监控系统对机器人发 出指令,机器人根据周围的环境信息及收到的命令 进行路径规划,完成救援任务。(3)救援机器人测控 系统主要由上位机(远程控制端)和下位机组成,下 位机负责现场信息采集,上位机应用编程软件编写 上位机的人机交互界面,负责显示由下位机所采集 的图像、救援环境信息、机器人位姿等,通过分析处 理所采集的信息进行下位机的控制。其中,上、下位 机通过串行或远程无线等通信方式进行交互。 2.2.1 探测感知系统
机器人在完成任务的同时,应在避障、导航、路 径规划和环境感知上具有一定程度的自主性。传感 器是救援机器人感知外部世界的直接手段。救援机 器人的探测感知系统主要是通过传感器采集各种信

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息,并对这些信息进行融合处理,最终实现导航决 策。救援机器人应具备的传感器主要包括视觉传感 器、听觉传感器、超声传感器、气体传感器、生命探测 仪。其中,视觉传感器可以获取现场的视频信息,使 救援人员在第一时间了解灾害事故现场的有关情 况,实时跟踪机器人的最新动态;听觉传感器用于检 测灾害现场的声音;超声传感器主要用于探测距离, 实现探测障碍物信息以及机器人的实时避障;气体 传感器可以检测现场有毒气体的含量及人体释放的 气体含量;生命探测仪用于探测被倒塌建筑掩埋的 难以搜寻到的生命迹象,及时发现幸存者等。
单一传感器只能获取特定的信息片段,而只有 采用上述多种传感器才能完整准确地反映环境特 征。因而综合考虑工作场合、安装尺寸、成本及有效 地利用多种传感器提供的信息,就需要对传感器进 行合理的设计与布局。又由于各个传感器所提供的 信息存在着互补和冗余,因此,还需要进行多传感器 融合,从而更准确、更全面地反映出外界环境的特 征,为决策提供正确的依据。 2.2.2 远程监控系统
在救援过程中,指挥人员根据机器人传递的信 息了解现场环境并做出判断,进而对机器人进行控 制。此过程包含以下几个方面:各种传感器采集信息 以及控制指令的传输,而图像的传输成为机器人远 程控制的最重要的部分。现场的信息主要以图像的 形式实时传输给指挥中心,使指挥人员实时地感受 现场环境,提高救援效率。选择无线通信技术、摄像 机镜头、图像传输设备、摄像头结构布局、人机交互 界面和通信等技术十分关键[23]。人机交互界面是一 种用图标代替文本行创建应用程序的图形化语言, 可以简单快速地构建系统。通信是指下位机与上位 机之间的通信。 3 总结与展望
通过归纳总结可知,救援机器人有以下 4 个优 点:(1)机动性和搬运破拆能力强,而且通过电池补 给可以连续工作,提高搜救效率;(2)可以通过携带 多种传感器,实现废墟内的图、声、气、温等检测,有 效锁定受害者的位置;(3)行进速度快;(4)机器人救 援可以辅助或替代救援人员,避免二次倒塌所带来 的伤害,降低救援人员的风险[2,19]。
综合国内外的研究现状,机器人的智能化与多功 能化是今后的主要发展方向。一是将机、电、光、声、化 和生物等多学科进行融合,实现真正的智能化[24]。二 是研制能将被困者转运出受灾现场的机器人,真正 实现替代人类工作,减少救援人员的伤亡。三是通过 对救援人员进行操作培训,使救援机器人很好地配 合人类工作,使其广泛应用于救援队的现场工作中。

[参考文献]
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(收稿:2013-11-18 修回:2014-01-21)

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