救援機器人技術綜述

于振中， 蔡楷倜， 劉 偉， 鄭為湊

(江南大學輕工過程先進控制教育部重點實驗室，江蘇無錫214122)

近年來世界范圍內的自然災害、人為災難頻發(fā)，威脅著人們的生命財產(chǎn)安全，引起了全世界范圍內的廣泛關注。雖然人們對災難的警覺和反應能力有所提高，但是災難現(xiàn)場通常環(huán)境復雜，很多人往往死于不及時的救援，如果救援人員貿然進入現(xiàn)場實施救援，極易造成新的傷亡。所以災難發(fā)生后第一時間若能獲取現(xiàn)場情況、探明幸存者所在位置，對于之后實施進一步救援工作和減少人員傷亡具有重要的意義。

根據(jù)災害發(fā)生的時間，救援可以分為災前救援、災時救援和災后救援3個階段。每個階段的救援都面臨著環(huán)境的復雜性和危險性。例如地震后的建筑物容易發(fā)生二次倒塌，救援人員無法深入進行偵查或救援。此時，救援機器人的參與可以起到非常重要的作用，能夠有效地提高救援工作的效率和減少人員的傷亡［1］。

1 救援機器人國內外研究現(xiàn)狀

21世紀以來，國內外對機器人技術的發(fā)展越來越重視。機器人技術被認為是對未來新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義的高技術之一。國內外產(chǎn)業(yè)界對機器人技術引領未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展寄予厚望，機器人技術也是未來高技術、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎之一，對于國民經(jīng)濟和國防建設具有重要意義［2］。

在20世紀80年代以前就有人開始從事將機器人應用于災害搜救工作的理論研究。1995年發(fā)生的日本神戶、大阪的大地震及其之后發(fā)生在美國俄克拉荷馬州的阿爾弗德聯(lián)邦大樓爆炸案揭開了救援機器人技術研究的序幕。機器人在“9·11”事件中的成功應用，引起了對救援機器人的研究熱潮。近年來，世界各國從安全戰(zhàn)略的角度在研究救援機器人系統(tǒng)上投入大量精力，救援機器人也從理論和實驗研究階段向實用化方向發(fā)展，在突發(fā)事件的救援任務中發(fā)揮越來越重要的作用。

1．1 救援機器人構架

救援機器人的構架通常包括運動平臺和延伸機構兩個方面。運動平臺主要是各類運動驅動機構，延伸機構主要是以機械臂為主的執(zhí)行機構。救援機器人典型的運動結構主要有輪式［3-4］、腿式［5-6］、履帶式和蛇形結構［7］等。輪式機器人結構簡單、質量輕、移動平穩(wěn)且機械效率高，但是通過壕溝、臺階等障礙物的能力差;腿式機器人相比輪式機器人的地形適應能力更強，能夠適應各種非結構化環(huán)境，但是它的移動速度慢、控制難度大且機械結構復雜［8］;蛇形結構的機器人是通過模仿生物蛇進行移動，其穩(wěn)定性好、橫截面積小，能在各種復雜的地形上行走，但是蛇形機器人過多的關節(jié)和自由度提高了機器人建模和控制的復雜程度。與以上幾種結構的機器人相比，履帶式機器人具有更多突出的優(yōu)點:履帶式機器人的支撐面積大，接地比壓小，適合于松軟或泥濘場地作業(yè)，且越野機動性能好;其轉向半徑小，可實現(xiàn)原地轉向;履帶支撐面有履齒，不易打滑，無論是在陸地還是在水中都可以發(fā)揮出較大的牽引力;帶有子履帶的機器人還可以像腿式機器人一樣實現(xiàn)行走［9-10］。因此履帶式機器人是目前在救援機器人上廣泛采用的一種結構，且履帶式機器人技術較為成熟。

國外已研制的典型的履帶式救援機器人如圖1所示。圖1(a)為iRobot公司生產(chǎn)的商用機器人Packbot，“Packbot”意指“背包機器人”。該機器人除了具有兩個主履帶輪之外，還具有兩個子履帶輪，增強了機器人的攀爬能力。其上配備了可折疊的操作臂，這是目前比較經(jīng)典的履帶式救援機器人機構形式［11-12］。它的底盤裝有GPS、電子指南針和溫度探測儀，設計成方形的頭部由一個相機、紅外感應器和攝像頭組成，可以隨時觀察周圍的環(huán)境。Packbot機器人可以用于確認并拆除路邊的炸彈以及其他危險裝置，它同樣可以用于執(zhí)行其他任務，包括救援和偵察等。它十分堅固，即使從1．8 m的高度摔在硬質混凝土地面也能毫發(fā)無損。該機器人采用的Aware2．0版機器人智能軟件，允許機器人自主操作，從而降低操作人員的工作負荷，提高態(tài)勢感知能力。該款機器人是目前世界上經(jīng)過戰(zhàn)爭環(huán)境測試的最成功的機器人之一。圖1(b)也是iRobot公司的一款機器人，該機器人體積小、質量輕，能夠在狹小的空間執(zhí)行持久的監(jiān)視和調查任務。它抗摔性能強，可以從4．6 m高處摔落至水泥地無任何損傷，潛水深度可達0．91 m;該機器人還內置4個攝像頭和雙向音頻通信，它的堅固結構和通信技術可以為救援現(xiàn)場的環(huán)境偵察提供有力的幫助。

圖1(c)是美國Vecna Robotics公司研制的戰(zhàn)場救援機器人BEAR(Battlefield Extraction Assist Robot)。該機器人采用類人的外形，有兩個可活動的手臂，采用履帶和輪子作為移動平臺可使其快速靈活移動。該款機器人可以適應不同地形，在崎嶇路面，它可以采用“跪姿”，通過履帶平穩(wěn)行進，到了平坦地面，則可轉換成輪式快速前行。它還可以利用腿部的兩個獨立踏板完成各種特殊的動作，依靠膝蓋、臀部或足部的運動來改變身體高度。該機器人的液壓手臂可抬起227 kg的重物長達1 h，其機械手則可以完成精細的任務，如進行緊急止血等手術作業(yè)。目前對BEAR機器人的操作還是采用遠程控制，軍隊的工程師希望最終可以使用激光、雷達和聲吶等傳感器讓機器人具備感知和應對周圍環(huán)境的能力。

圖1(d)為日本千葉工業(yè)大學開發(fā)的小型機器人Quince，它的體積只有玩具車大小，配備4套滾輪、踏板設備以及6個電機。該款機器人的機械手十分靈活，可以打開門把手，也可以運送食物或其他補給品。該機器人上還配有紅外感應器和二氧化碳探測器，可以用來檢測人體呼吸和體溫情況，適合用于救援現(xiàn)場進行搜救工作。在日本福島核電站發(fā)生核泄漏事故后，“Quince”機器人作為日本國內生產(chǎn)的唯一救援機器人進入了核反應堆廠房內部進行輻射檢測和拍攝照片。

目前國內許多學者和研究機構也對救援機器人展開了相關研究。圖2(a)所示的是哈爾濱工業(yè)大學研制的子母式煤礦救援機器人系統(tǒng)，母機器人采用單節(jié)履帶式結構，具有4個主動擺腿。子機器人為4節(jié)4面履帶式機器人，子機器人采用蛇形結構，每個單元用八條窄履帶包覆在周圍，由一個電機驅動，既減小機器人的質量和尺寸，又簡化控制系統(tǒng)的設計。子機器人的頭部單元還安裝有攝像頭、照明燈、超聲傳感器和各種氣體傳感器，可以探測周圍環(huán)境并將信息傳回控制中心［13］。還可采用一種未知環(huán)境下基于可視切線圖的新型路徑規(guī)劃方法，使機器人具有較好的環(huán)境適應能力，滿足其在未知環(huán)境下的運動要求。

中國礦業(yè)大學針對煤礦救援機器人機構和控制系統(tǒng)展開了許多研究，圖2(b)是其研制的一類履帶式救援機器人。該機器人裝備有低照度攝像機、氣體傳感器和溫度計等設備，能夠探測現(xiàn)場環(huán)境，實時傳回現(xiàn)場的瓦斯、CO、粉塵濃度以及現(xiàn)場圖像等信息;還具有雙向語音對講功能，能夠使救災人員和受害者進行快速聯(lián)絡，對受困人員進行正確指揮;同時可以攜帶食品、水、藥品、救護工具等物資進入救援現(xiàn)場。圖2(c)、(d)分別為中國航天科工集團第四研究院探測與控制技術研究所研制的雪豹20和“排爆奇兵”排爆機器人。雪豹20的履帶式結構使其具有很好的越野性能，能夠適應草原、戈壁、碎石等多種地形環(huán)境，同時它的手臂關節(jié)有4個自由度，操作更加簡單靈活。并且采用模塊化設計，手臂等關鍵部件可以迅速更換，還可以根據(jù)要求安裝作業(yè)器械或輔助工具，它的遙控終端人機界面友好，操控方便，降低了救援人員的操作難度。

圖1 國外典型的履帶式救援機器人Fig．1 Foreign typical crawler-type rescue robot

“排爆奇兵”機器人同樣也采用履帶式結構，使其能適應野外惡劣環(huán)境，三段履帶的設計可以讓機器人平穩(wěn)地上下樓梯，跨越0．45 m高的障礙，實現(xiàn)全方位行走，具備較強的地形適應能力。它的操作臂同樣可以靈活應用，通過更換專用手爪可以實現(xiàn)對不同形狀目標的抓取，還能抓取20 kg的可疑物。它可以代替排爆人員搬運、轉移爆炸可疑物品和其他危險品;也可以放置帶線引爆裝置，代替排爆人員處置或銷毀爆炸物，避免不必要的人員傷亡;還可以代替安檢人員勘測現(xiàn)場，實時傳輸現(xiàn)場圖像。

縱觀國內外的專家學者在機器人機械結構方面的研究現(xiàn)狀，傳統(tǒng)的履帶式或可變形履帶式移動平臺仍然是救援機器人移動平臺的最佳選擇。

1．2 救援機器人地形自適應技術

為了提高機器人對復雜地形的自適應能力，通常采用增加自由度的方法，但是這樣也增加了操作人員的操作負擔。一個有效的方法是提高機器人的自主性，使其根據(jù)現(xiàn)場地形信息可以自主地做出一些決策，從而減輕操作者的工作負擔。

首先機器人要獲取周圍環(huán)境信息，機器人通常是將各類傳感器對環(huán)境的感知轉化成自身對環(huán)境的認知，從中獲取位置和環(huán)境信息，從而服務于機器人的運動導航。機器人對識別周圍環(huán)境所采用的傳感器通常有基于激光、超聲波的有源測距傳感器和基于視覺的傳感器。有源測距傳感器是當今機器人技術中最流行的傳感器，它能直接測量機器人到鄰近物體的距離，可以很好地識別出障礙并完成避障。并由測距傳感器提供的局部信息通過算法轉換到機器人的全局坐標中，完成環(huán)境的全局定位。采用視覺傳感器則可以彌補激光測距等傳感器在景象提取、障礙物檢測、目標識別等方面的不足［14］。

圖2 國內典型的履帶式救援機器人Fig．2 Domestic typical crawler-type rescue robot

目前在地形信息的自主控制算法中，以基于多個雷達傳感器對地形切片然后重建三維地形、采用3D圖像傳感器建立三維模型和多傳感器信息集成為主。但是，雷達傳感器和3D圖像傳感器價格昂貴，多傳感器信息集成算法復雜，且雷達傳感器建立的地形信息缺乏真實度，限制了該方法的普及。2009年微軟發(fā)布了Kinect傳感器［15］，這是一款廉價的RGB-D相機，通過內置的CMOS紅外攝像機，無論周圍環(huán)境的光照條件如何，都可以以30幀/s的速度生成景深圖像流，實時再現(xiàn)周圍環(huán)境。使用Kinect傳感器可以實時建立機器人所到之處的三維地圖，能夠確定幸存者所在的空間位置并反饋給操作端，為實施進一步救援提供重要的參考。目前Smisek等研究人員已經(jīng)對基于Kinect的實時3D建模和目標定位方法進行了諸多研究［16-18］。到目前為止，Kinect尚屬于新生事物，從技術和算法上還不夠成熟，需要進一步研究。

國內外許多學者在機器人復雜地形自適應技術上進行了很多研究。Okada等人所研究的是建立一個共享控制的救援機器人遙感操作系統(tǒng)，為了提高機器人的自主性，該系統(tǒng)基于3支激光雷達傳感器，采用實時地形切片方式建立地形實時三維模型信息，從運動學角度分析經(jīng)典擺腿式履帶機器人適應地形的原理，基于以上信息采用模糊算法實現(xiàn)機器人自主翻越復雜地形任務，并且通過實驗驗證了其通過崎嶇地形的能力［19］。Mourikis等人針對履帶式機器人自主攀爬樓梯的任務，提出基于樓梯邊緣實時估計的機器人地形自適應方法。該方法采用視覺系統(tǒng)識別樓梯，并采用卡爾曼濾波器估計機器人頭部姿態(tài)。但是該算法沒有考慮機器人車輪滑移、估計誤差等造成的運動誤差，有可能導致任務失?。?0］。Al-Milli等人所研究的是從運動學和動力學角度預測履帶和地面的接觸力，在此基礎上設計自主控制器，但僅限于履帶與軟地形的接觸。此外，輪地摩擦、輪地接觸強度等信息無法直接測量，因此該方法有待進一步改進［21］。

Chonnaparamutt等人針對結構可變的移動機器人，利用模糊控制器對機器人攀爬樓梯的環(huán)境進行仿真，分別為主履帶輪和子履帶輪建立了兩個不同的自主控制器實現(xiàn)機器人的全自主探索任務。兩個控制器均基于模糊算法:一個控制器根據(jù)機器人的重心位置控制機器人的主履帶輪;另一個控制器根據(jù)機器人的角度控制機器人的子履帶輪，實現(xiàn)機器人的自主運動［22］。

國內也有許多學者在進行這方面的研究。中科院沈陽自動化所研究了全地形移動機器人在不平坦地形中輪-地幾何接觸角的實時估計問題，全地形移動機器人的精確控制是一個具有挑戰(zhàn)性的問題，與一般平坦地形下的移動機器人有很大差異，地形復雜性所帶來的影響是不可忽略的。該方法的實現(xiàn)為移動機器人運動學的精確計算和自主導航控制奠定了基礎［23］。東南大學王建等人以檢測機器人自身姿態(tài)而非環(huán)境尺寸作為越障控制的基本依據(jù)，設計了多關節(jié)履帶機器人的各種自主越障控制方法。首先以姿態(tài)航向參考系統(tǒng)測得機器人的姿態(tài)作為重要反饋量，采用穩(wěn)定錐方法實時判定機器人越障過程中的傾翻穩(wěn)定性。在此基礎上以機器人姿態(tài)為反饋，并結合機器人關節(jié)位置和驅動電流，設計了典型障礙下的自主越障控制動作規(guī)劃，實際環(huán)境測試的結果表明該方法具有對障礙物具體尺寸依賴性小、實用性強的特點［24］。哈爾濱工業(yè)大學王偉東等人提出的基于質心坐標公式和機器人運動學的質心運動學模型，通過此模型獲取機器人在越障過程中質心變化的情況，從而分析機器人越障性能，自主規(guī)劃機器人越障動作。并且建立穩(wěn)定裕度角及俯仰角度與障礙物高度關系的求解方法，在此基礎上進行基于最大裕度的越障動作規(guī)劃［25］。

救援機器人對復雜地形的自適應能力始終是機器人研究領域中的難點和重點，一個實用可靠的控制算法需要許多人進行反復實驗驗證，相信通過國內外專家學者的研究，將會不斷提升救援機器人的性能。

2 救援機器人研究的方向

自“9·11”以來，救援機器人的研究迅猛發(fā)展，解決了一系列困擾救援機器人發(fā)展的難題，機器人逐漸由半自主向全自主方向發(fā)展。當前救援機器人的研究熱點主要有優(yōu)化機器人的結構、提高救援機器人的智能化程度和群體機器人的研究等。

2．1 機器人結構

隨著機器人技術的發(fā)展和復雜地形的要求，機器人的運動平臺已不能滿足于傳統(tǒng)結構，需要有一定改進。如自適應腿式機器人［26］，通過冗余的機械設計和控制算法，即使部分腿結構失效，仍然可以執(zhí)行動作，完成任務。目前應用較為成熟的腿式機器人有美國波士頓動力學工程公司(Boston Dynamics)專門為美國軍隊研制的機器狗(Bigdog)，它可以替士兵背負幾百磅重的工具，其4條強壯的機械腿能讓它保持很好的穩(wěn)定性，并且它的頭部裝有攝像頭和激光掃描儀，能為災難救援工作提供強有力的幫助。同時機器人運動平臺也不再只涉及某種單一的運動機械結構，可以融合各類運動結構的特點，設計出一種綜合的機械結構。如輪履復合機器人［27］，采用變體輪技術，使機器人移動平臺可以在輪式和履帶式之間進行切換，以適應不同地形，提高了地形適應能力。還有輪腿混合［28］、輪臂混合［29］等結構的機器人。但是過于復雜的機器人結構會增加救援人員在現(xiàn)場的操作負擔，反而可能影響救援效果。

可以看出，救援機器人機械結構的設計至關重要，不僅影響到救援現(xiàn)場的運動效果，還關系到之后對其進行控制的難易程度。因此研究兼具地形適應能力和操作能力或者二者相互增強的機器人機構模型，是救援機器人系統(tǒng)重要的研究發(fā)展方向。

2．2 機器人智能化

當前救援機器人的人工智能水平低下，機器人在復雜地形環(huán)境下很難完全自主地完成救援任務。目前主要還是依靠人工操作的方式操控機器人進行救援任務。操作者負擔較重，救援效率較低。隨著傳感器技術、信息技術、人工智能技術的發(fā)展，采用人機智能結合的共享控制的遙感操作控制方式能較大程度上提高系統(tǒng)的救援效率。在共享控制系統(tǒng)中，提高機器人的智能化程度始終是該類系統(tǒng)研究的重要方向。救援現(xiàn)場地形環(huán)境復雜，如果機器人能夠自主穿越復雜地形，如自主爬樓梯、越過不規(guī)則障礙物等，操作者只需要進行有限的高級決策，將會大大降低操作者的工作負擔。

在提高機器人智能化方面，實用的傳感器技術和智能控制算法同等重要?；诩す饫走_或3D深度圖像傳感器的控制方法算法復雜，實時性差，硬件成本昂貴。微軟公司研發(fā)的Kinect傳感器能彌補傳統(tǒng)設備的一些缺點但其控制技術還不夠成熟。提高救援機器人的智能化程度始終是一個重要的研究發(fā)展方向。

2．3 群體機器人

隨著機器人的應用方式由部件式單元應用向系統(tǒng)式應用方向發(fā)展，群體機器人系統(tǒng)的研究也受到了許多學者的關注。群體機器人相比單機器人具有更優(yōu)越的性能:相互協(xié)調的n個機器人系統(tǒng)的能力可以遠大于單個機器人系統(tǒng)的n倍，群體機器人還可以實現(xiàn)單個機器人系統(tǒng)無法實現(xiàn)的復雜任務;使用群體機器人可以大大節(jié)約時間，提高效率;群體機器人系統(tǒng)的平行性和冗余性可以提高系統(tǒng)的柔性和魯棒性［30-31］。一旦發(fā)生自然災害，受災的面積通常很大，如果將群體救援機器人應用于救援工作中，將會發(fā)揮出比單個機器人更好的搜救效果

群體機器人的研究也是機器人技術中的一個共性技術，很多研究人員從人類社會以及其他動物的社會性、組織性得到靈感，進行群體機器人系統(tǒng)的研究［32］。

3 結語

防災、減災和救災是每個國家公共安全的重要組成部分。在面對危險惡劣的救援現(xiàn)場時，救援機器人可以代替、協(xié)助救援人員在現(xiàn)場進行作業(yè)。救援機器人不僅可以應用于災害救援、消防、公安等領域，同時在國防、軍事等方面也有良好的應用前景。救援機器人的研發(fā)具有深遠的影響和現(xiàn)實意義，目前救援機器人技術還有許多關鍵性技術問題尚待解決。救援機器人技術是國家發(fā)展迫切需要的核心技術之一，將在國民經(jīng)濟和國家安全中起著重要作用和重大戰(zhàn)略意義。

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