國外典型核化偵察機(jī)器人探析

邵晟宇 曹樹亞 楊柳

（防化研究院，北京，102205）

國外典型核化偵察機(jī)器人探析

邵晟宇 曹樹亞 楊柳

（防化研究院，北京，102205）

摘 要本文摘選5款國外典型的核化偵察機(jī)器人技術(shù)信息，研討地面無人平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)、上裝任務(wù)載荷、應(yīng)用情況等，以期為更系統(tǒng)全面地掌握該類偵察機(jī)器人發(fā)展動(dòng)態(tài)提供直接的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人，核化偵察，應(yīng)用

核化偵察機(jī)器人是指無人駕駛的、依靠自主導(dǎo)航或者遙控操作，裝載各種核化報(bào)警設(shè)備和其余輔助設(shè)備，能夠獨(dú)立執(zhí)行核沾染、化學(xué)染毒等偵察任務(wù)的地面自動(dòng)車輛。近年來，核化偵察機(jī)器人受到各國的高度重視，經(jīng)費(fèi)投資大幅增加，裝備數(shù)量持續(xù)增長，任務(wù)領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)展，并且其軍事效能在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭中得到充分體現(xiàn)，取得了豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)優(yōu)勢。以下列出國外典型的5款核化偵察機(jī)器人加以詳細(xì)介紹。

1　Talon有害物質(zhì)探測機(jī)器人（Talon? HazMat）

Talon有害物質(zhì)探測機(jī)器人是美國Foster Miller公司生產(chǎn)的Talon機(jī)器人家族系列產(chǎn)品之一，具有重量輕、堅(jiān)固、快速、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其平臺可以兼容相關(guān)的電子硬件、武器和傳感器陣列。

Talon? HazMat機(jī)器人在機(jī)械臂折疊時(shí)高約42.7cm，機(jī)械臂展開時(shí)高130cm，寬57cm，長86.4cm，機(jī)械臂向下可探至底盤以下60cm。整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量根據(jù)不同任務(wù)配置約在52kg-71kg之間，有效載荷達(dá)45kg，牽引質(zhì)量高達(dá)680kg。在行進(jìn)速度方面，該機(jī)器人時(shí)速達(dá)到了8.3km/h，能夠跟上步兵機(jī)動(dòng)速度，它還可以攀爬43°的斜坡，并可在40cm厚的積雪中正常行駛。Talon? HazMat機(jī)器人的動(dòng)力由模塊化鋰電池提供，電池輸出36V，電能容量750W.h，可持續(xù)使用4.5h。

任務(wù)載荷方面：爆炸物處理時(shí)，Talon? HazMat機(jī)器人利用自身攜帶3套具有自動(dòng)數(shù)字變焦功能的視頻傳感器，既使在黑暗環(huán)境中從較遠(yuǎn)距離也可以觀察爆炸物細(xì)節(jié)信息，通過多自由度機(jī)械手臂的夾鉗將爆炸物的引信或雷管擰斷，并把爆炸物運(yùn)走。核化偵察作業(yè)時(shí)，通過上裝的Smiths APD2000化學(xué)毒劑探測器和聯(lián)合化學(xué)戰(zhàn)劑檢測器（JCAD）能夠檢測常規(guī)的化學(xué)毒劑，檢測時(shí)間不大于30s；通過上裝的Canberra AN/UDR-13輻射監(jiān)測儀可探測γ劑量率和β表面活度。在污染事故現(xiàn)場檢測時(shí)，通過平臺配置的MultiRAE氣體探測儀可檢測工業(yè)有毒有害氣體，如CO、H2S、SO2、NO、NH3等；同時(shí)該機(jī)器人機(jī)械臂夾鉗上固定的FirstDefender拉曼化學(xué)物質(zhì)鑒定儀也可以在現(xiàn)場對炸藥、有毒工業(yè)化學(xué)品、毒品等在內(nèi)的未知固體、液體進(jìn)行快速識別鑒定。[1]

2004年，美軍首次在駐阿富汗部隊(duì)中裝備Talon? HazMat機(jī)器人，主要實(shí)施戰(zhàn)場偵察及致命化學(xué)物質(zhì)、放射性物質(zhì)的探測任務(wù)，目前它在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)場已經(jīng)完成了2萬多次任務(wù)。Talon? HazMat機(jī)器人及其任務(wù)載荷平臺如圖1所示。

圖1　Talon有害物質(zhì)探測機(jī)器人及其任務(wù)載荷平臺

2　化生放核無人地面車輛（CUGV）

美國國防部高級研究計(jì)劃局組織的化學(xué)、生物、放射性、核（Chemical Biological Radiological and Nuclear，CBRN，簡

稱“化生放核”）地面無人偵察技術(shù)演示項(xiàng)目旨在解決在有限到達(dá)區(qū)域、受限地帶和城市軍事作戰(zhàn)行動(dòng)中實(shí)施表面或點(diǎn)源CBRN偵察的探測能力缺陷。此項(xiàng)目的第一目標(biāo)是運(yùn)用紫外激光拉曼光譜檢測技術(shù)研制出能夠機(jī)動(dòng)探測、識別表面液態(tài)、固態(tài)化學(xué)毒劑的聯(lián)合污染表面探測器（JCSD）；第二目標(biāo)則是將JCSD集成到地面無人平臺上，重點(diǎn)從人控偵察車裝備轉(zhuǎn)向無人平臺，此稱之為CBRN無人地面車輛（CUGV）。檢測人員可以安全停留在偵察車等集防系統(tǒng)內(nèi)，指揮CUGV對有限空間實(shí)施無人化生放核偵察，這提高了地面?zhèn)刹旌兔舾械攸c(diǎn)評估方面的實(shí)施能力，同時(shí)使人員遠(yuǎn)離潛在危險(xiǎn)環(huán)境。[2]

CBRN無人地面車輛最終選用了美國iRobot公司研制的Packbot 510機(jī)器人作為地面無人平臺。“Packbot”意指“背包機(jī)器人”，是一種小型便攜式地面無人車輛，是世界上經(jīng)受考驗(yàn)最多、最成功的機(jī)器人之一，其最新型510的HazMat功能機(jī)器人是專門針對有毒有害物質(zhì)探測而研發(fā)的，如圖2所示。Packbot 510主體結(jié)構(gòu)采用履帶式底盤，并帶有兩節(jié)可拆卸式前置履帶，這對提高底盤的越障能力、增大主履帶的拖拽力都很有幫助；動(dòng)力系統(tǒng)為小型靜音電動(dòng)馬達(dá)，車載電池模塊為兩塊鎳鉻可充電電池，位于履帶間的空隙處，連續(xù)使用時(shí)間為6小時(shí)。Packbot 510安裝了CHARS傳感器組，即“化學(xué)武器、危險(xiǎn)氣體及放射性傳感器組”，它分別由LCD-3.2個(gè)人化學(xué)檢測器、MultiRAE危險(xiǎn)氣體探測儀和AN/UDR-14放射性傳感器組成，配置安裝在機(jī)械臂上用以核、生、化危險(xiǎn)物質(zhì)的偵測和可疑物品的搜尋。[3]

圖2　iRobot Packbot 510地面無人車輛

2007年4月，美國陸軍太平洋司令部對CUGV進(jìn)行了聯(lián)合軍用評估，得到一致認(rèn)可，2009年開始裝備美軍。

3　Andros F6A型機(jī)器人

Andros機(jī)器人家族享譽(yù)世界，它們由美國Northrop Grumman Remotec公司研制，主要用于執(zhí)行爆炸物處理、核化危險(xiǎn)物質(zhì)探測、偵察監(jiān)測等任務(wù)。[4]

F6A型屬于Andros機(jī)器人系列的小型版，是機(jī)器人業(yè)界最通用的平臺。F6A機(jī)器人的速度最快可達(dá)5.6km/h，體積為132cm×44.5cm×112cm，重159kg，其機(jī)械臂完全伸長可達(dá)142cm，且前方手抓能做360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，張開幅度達(dá)30cm。F6A型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)采用連接式移動(dòng)履帶，能夠跨越常見障礙、崎嶇路面以及上下45°斜坡。

F6A機(jī)器人可攜帶各種操作任務(wù)載荷，包括4部攝像機(jī)（武器攝像機(jī)、檢測炸彈攝像機(jī)、移動(dòng)攝像機(jī)、后桿攝像機(jī)）、晝夜瞄準(zhǔn)具、微光夜視儀、核化探測器、可疑物品采樣器、霰彈槍、催淚彈發(fā)射支架、衛(wèi)星定位系統(tǒng)等先進(jìn)設(shè)備。機(jī)器人載荷均采用模塊化設(shè)計(jì)，可以方便地在機(jī)器人主機(jī)上增加各種配件，特別是放射性、化學(xué)物品探測組件與機(jī)械手上的快速拆裝支架相連，能夠檢測多種常見的化學(xué)戰(zhàn)劑。[5]

到目前為止，已經(jīng)有超過1000個(gè)F6A型Andros機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于美國陸軍、海軍、空軍、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)、美國聯(lián)邦調(diào)查局及許多地區(qū)的警局和行政司法部門，2008年的北京奧運(yùn)會上我國使用了F6A型Andros機(jī)器人，圓滿完成安全、保衛(wèi)的工作，如圖3所示。

圖3　Andros F6A型機(jī)器人

4　Matilda機(jī)器人

Matilda機(jī)器人，全稱為梅瑟聯(lián)盟戰(zhàn)術(shù)綜合輕裝部署組件，是由梅瑟聯(lián)盟建造的價(jià)格低于25000美元的偵察機(jī)器人，如圖4所示。該機(jī)器人能執(zhí)行各種遙控任務(wù)，包括防爆處置、后勤補(bǔ)給、戰(zhàn)術(shù)偵察、道路清除、監(jiān)視以及核化探測等。

Matilda機(jī)器人梯形車身前高后低，平臺尺寸76cm× 53cm×30cm，兩側(cè)有履帶驅(qū)動(dòng)，包括光滑履帶、多用途履帶、冰雪用履帶三種，平臺兼容裝備“城市勇士模塊”（用于障礙物清除）和“偵察模塊”（用于偵察監(jiān)視），隨車還可配備爆炸物傳感器、核生化探測儀、機(jī)械手臂、

攝像機(jī)、紅外照明系統(tǒng)和光纖控制器等工作設(shè)備。

Matilda機(jī)器人總重約28kg，可以由1-2人攜帶，也可以裝進(jìn)汽車的后備箱中。該機(jī)器人負(fù)載能力很強(qiáng)，可以拖動(dòng)單個(gè)受傷士兵?？晒┻x擇的附件包括一輛載重180kg的小型四輪拖車、一個(gè)操作臂以及一套遙控可分離的突破用機(jī)械裝置，如圖5所示。其中，小型四輪拖車能負(fù)重70kg，突破用機(jī)械裝置用于將爆炸載荷附加到門或墻上。

圖4　Matilda機(jī)器人

Matilda機(jī)器人最大行進(jìn)速度為1m/s，一次連續(xù)行駛可達(dá)4～6個(gè)小時(shí)。機(jī)器人平臺的輪子和底盤可以拆卸，便于運(yùn)輸，即使履帶損毀，操控人員可以在5分鐘之內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速換裝，同時(shí)也可以在1分鐘內(nèi)增加或卸下包括核生化傳感器組件在內(nèi)的有效載荷。平臺上聽覺和視覺傳感器的有效探測范圍在270m左右，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間2小時(shí)，能夠單獨(dú)完成監(jiān)視偵察任務(wù)或是直接參與戰(zhàn)斗。

據(jù)悉，至今大約有50套Matilda機(jī)器人已經(jīng)交付給美國陸軍，美國防部反恐技術(shù)辦公室為其空軍訂購了20 套Matilda機(jī)器人系統(tǒng)，維吉尼亞州警察局也采購了這種系統(tǒng)，主要用于遠(yuǎn)距離偵察、檢查、評估和取樣。Matilda機(jī)器人在戰(zhàn)場上的成功表現(xiàn)，使人們對地面無人系統(tǒng)的信任與日俱增，并轉(zhuǎn)化為對軍用偵察機(jī)器人的更大需求。[6]

圖5　MATILDA機(jī)器人可牽引四輪拖車

5　Oscar NBC無人地面車輛

探測核化物質(zhì)的機(jī)器人通常大而笨拙，而德國Telerob公司研發(fā)的Oscar NBC地面無人車輛卻是例外，其緊湊的體積足以裝進(jìn)各種車輛，甚至可以通過飛機(jī)機(jī)艙的通道。如圖6所示，該機(jī)器人全伸展長度達(dá)260cm，重70kg，可編程機(jī)械手能吊起重達(dá)5kg的貨物，且自帶工具中心點(diǎn)控制功能。在其機(jī)械臂上攜帶一個(gè)完整的工具包來探測化學(xué)、生物和放射性危害物質(zhì)，其靈巧程度可使用鑷子、棉簽、勺子和其他設(shè)備來收集樣品，并儲存在隨機(jī)器人攜帶的5個(gè)樣品罐里。另外，整合在一起的12個(gè)核化傳感器能直接將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到操控終端。Oscar NBC地面無人車輛另一個(gè)主要的特性是裝載了斜面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)，保證它在遇到斜坡或不平整的表面時(shí)能夠保持平衡，成為一個(gè)穩(wěn)定的檢測平臺。[7]

圖6　Oscar NBC無人地面車輛

參考文獻(xiàn)

[1]Jane’s Group. Jane’s Nuclear Biological and Chemical Defence 2011-2012,2011.

[2]李鐵虎.下一代傳感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].國外防化科技動(dòng)態(tài),2010（2）:9-10.

[3]楊曉波.PackBot:戰(zhàn)場上的百變“背包”[J].輕兵器,2010（5）:10-13.

[4] Andros F6 產(chǎn)品手冊[EB/OL]. http://www.northropgrummaninternational.com.

[5] Northrup Grumman-Unmanned Systems[EB/OL]. http://www.militarysystems-tech.com/suppliers/ugv.

[6] Matilda 產(chǎn)品手冊 [EB/OL]. http://www.mesa-robotics.com/matilda.html.

[7] http://www.army-technology.com.