全地形救援設(shè)備研究及發(fā)展趨勢(shì)

摘要：全地形救援設(shè)備是一種能夠在多種事故及自然災(zāi)害中快速進(jìn)行救援的設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于探查、搜尋、救援等多個(gè)領(lǐng)域，可以有效縮短救援時(shí)間，提高救援效率，減少事故災(zāi)害中的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。文章分析當(dāng)前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有救援設(shè)備行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用場(chǎng)景，認(rèn)為目前的救援設(shè)備適用范圍有限，并且在復(fù)雜工況下難以保證其操控的靈活度和精準(zhǔn)性。因此，有必要采用遠(yuǎn)程駕駛方式，將人的主動(dòng)性融入救援設(shè)備中，以提升其應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的能力。

關(guān)鍵詞：全地形；救援設(shè)備；遠(yuǎn)程駕駛

中圖分類(lèi)號(hào)：TP24" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1674-0688（2024）04-0100-03

0 引言

近年來(lái)，極端天氣事件頻發(fā)，導(dǎo)致災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)不斷提高，災(zāi)害的復(fù)雜性日益加劇，每次事故災(zāi)害的發(fā)生都帶來(lái)巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因?yàn)槭鹿薀o(wú)法預(yù)測(cè)，救援面臨的是“全地域”“全災(zāi)種”的綜合性救援工作，所以救援作業(yè)的區(qū)域存在較大的風(fēng)險(xiǎn)［1］。以天津港爆炸火災(zāi)事故為例，遇難的165人中，有110名是救援人員［2］。目前，救援工作的難點(diǎn)在于災(zāi)難和事故發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)的具體情況不明確，阻礙了搜救工作的順利開(kāi)展，而且傳統(tǒng)的救援設(shè)備需要現(xiàn)場(chǎng)操作，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的地形，使救援人員面臨巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)有針對(duì)救援機(jī)器人的研究主要聚焦于功能模塊搭載、智能算法優(yōu)化、信息采集能力提升及救援設(shè)備結(jié)構(gòu)性能改進(jìn)等方面，但當(dāng)前救援機(jī)器人仍存在防水和越障功能不足、移動(dòng)和轉(zhuǎn)向不靈活、環(huán)境感知能力和智能算法水平不高等問(wèn)題［3］，在當(dāng)前救援設(shè)備智能化水平較低的情況下，其無(wú)法自主完成搜救任務(wù)。因此，借助遠(yuǎn)程駕駛技術(shù)操控救援設(shè)備，實(shí)現(xiàn)人機(jī)結(jié)合應(yīng)用，是解決當(dāng)前設(shè)備智能化水平不足的有效方式。遠(yuǎn)程駕駛技術(shù)的應(yīng)用對(duì)救援設(shè)備的適用性能要求很高，救援的情形有地質(zhì)自然災(zāi)害、火災(zāi)、野外救援以及化學(xué)危險(xiǎn)品災(zāi)害，現(xiàn)場(chǎng)的地形包括陡坡、塌陷、崎嶇、狹窄等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境路況［4］。因此，研發(fā)一種能在全災(zāi)種、全地形的環(huán)境中快速越障的行走機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，具有提高災(zāi)害處置能力和救援效率、減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的重大現(xiàn)實(shí)意義［1，5］。本文梳理全地形救援設(shè)備的研究及發(fā)展趨勢(shì)，綜述當(dāng)前救援設(shè)備的行走機(jī)構(gòu)類(lèi)型及應(yīng)用場(chǎng)景，旨在為全地形救援設(shè)備的設(shè)計(jì)研究提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外救援設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀

自“9·11”事件美國(guó)首次將機(jī)器人應(yīng)用于搜尋幸存者，此舉引發(fā)了全球?qū)仍O(shè)備重要性的認(rèn)識(shí)。《時(shí)代周刊》報(bào)道，在此次救援中，救援機(jī)器人在10天內(nèi)于狹小、危險(xiǎn)的區(qū)域中搜救的遺體數(shù)量與人工搜救相當(dāng)，但效率卻提高了1倍［6］。此后，救援設(shè)備的研發(fā)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。到目前為止，救援設(shè)備已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種類(lèi)型，按照其行走機(jī)構(gòu)的類(lèi)型可以分為履帶式、輪式、腿式、復(fù)合式以及仿生式機(jī)器人，救援設(shè)備行走機(jī)構(gòu)分類(lèi)見(jiàn)表1。

國(guó)外應(yīng)用救援設(shè)備較早，圖1（a）所示的履帶式救援移動(dòng)裝備為英國(guó)奎奈蒂克公司北美分公司研制的魔爪軍用機(jī)器人，該機(jī)器人采用遙控控制方式，可以搭載多種組件，執(zhí)行拆除簡(jiǎn)易爆炸裝置、偵察等任務(wù)，其他履帶式移動(dòng)救援設(shè)備還有美國(guó)Remotec公司研制的V2機(jī)器人，加拿大InvKtun公司研制的MicroVGTV機(jī)器人等［7］。圖1（b）所示的輪式救援移動(dòng)設(shè)備為美國(guó)桑地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室智能系統(tǒng)和智能機(jī)器人研究中心研發(fā)的RATLLER機(jī)器人［8］，該機(jī)器人采用的輪式行走機(jī)構(gòu)，由4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪構(gòu)成，具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性能，行駛速度較快，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，但其越障性能較差，只適合在平坦的地形中行駛，此類(lèi)輪式移動(dòng)救援設(shè)備還有美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)研制的Groundhog救援機(jī)器人等。圖1（c）所示的腿式機(jī)器人為東京工業(yè)大學(xué)的遠(yuǎn)藤玄研制的四腿機(jī)器人，該機(jī)器人在崎嶇路面也能自由行進(jìn)，還能上下臺(tái)階，在房屋坍塌的受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)等非結(jié)構(gòu)化路面上可自如行走，幫助搬運(yùn)救援物資和執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)搜救任務(wù)［9］。此外，卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)研制的八足機(jī)器人可以適應(yīng)多種極限道路工況。圖1（d）所示的輪腿復(fù)合式機(jī)器人是美國(guó)波士頓動(dòng)力公司研制的Handle機(jī)器人，其底部采用車(chē)輪的方式并在支撐處結(jié)合腿的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)方式保證車(chē)輛能快速行進(jìn)，兩輪的結(jié)構(gòu)使其具有良好的轉(zhuǎn)彎性能，因其支撐的腿部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)具有彈性，可保證機(jī)器人在上下坡時(shí)像人一般穩(wěn)定行進(jìn)［10］。圖1（e）所示的腿履復(fù)合機(jī)器人為美國(guó)維克那機(jī)器人公司研制的BEAR救護(hù)機(jī)器人，該款機(jī)器人將腿和履帶結(jié)合在一起，其履帶既可以起行走的作用，也可以改變機(jī)器人身軀的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于腿的動(dòng)作，從而具備跨越不同地形的功能。其他復(fù)合式救援設(shè)備還有美國(guó)iRobot公司生產(chǎn)的Packbot系列機(jī)器人［11］，該類(lèi)型的機(jī)器人在兩邊的履帶上加上擺臂，擺臂可以將機(jī)器人支撐起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)跨越臺(tái)階的功能。圖1（f）所示為日本東北大學(xué)研發(fā)的仿蛇形機(jī)器人，該救援機(jī)器人采用振動(dòng)馬達(dá)獲得動(dòng)力，可根據(jù)空氣噴射的方式調(diào)整位置，其突出的優(yōu)點(diǎn)是可以穿越狹窄的間隙［12］。其他的仿生式救援設(shè)備還有美國(guó)加利福尼亞大學(xué)設(shè)計(jì)的蒼蠅仿形機(jī)器人、蟑螂仿形機(jī)器人等。

綜上，國(guó)外救援機(jī)器設(shè)備的研發(fā)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，在機(jī)構(gòu)方面的變形種類(lèi)和拓展非常豐富，并且許多機(jī)器人已經(jīng)開(kāi)展應(yīng)用，得到了良好的反饋。

1.2 國(guó)內(nèi)救援設(shè)備研發(fā)成果與進(jìn)展

國(guó)內(nèi)研發(fā)救援設(shè)備相較于國(guó)外雖然起步較晚，但是研發(fā)成果也相當(dāng)豐富。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)長(zhǎng)期對(duì)煤礦井下開(kāi)采環(huán)境進(jìn)行分析，研制了履帶行走的CUMT系列救援機(jī)器人，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器人的視覺(jué)技術(shù)、智能控制系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)以及環(huán)境識(shí)別自主避障功能等，研發(fā)的救援機(jī)器人已經(jīng)有較好的應(yīng)用［3，8，13-14］。劉罡［15］研制多節(jié)串聯(lián)多履帶構(gòu)型的救援機(jī)器人，對(duì)其結(jié)構(gòu)特性和運(yùn)動(dòng)策略展開(kāi)了研究。王繼斌［16］研究應(yīng)用于地震廢墟狹窄空間中的救援機(jī)器人。孫霖［17］研究城市災(zāi)害中攜帶救援臂的救援機(jī)器人，不斷拓展救援機(jī)器人的應(yīng)用范圍以及功能。賈現(xiàn)軍［18］對(duì)救援機(jī)器人在水下調(diào)整姿態(tài)位置的方式進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究，運(yùn)用深度控制算法提高控制精度并減少了運(yùn)行時(shí)的干擾。龍建成等［19］研制了可在水下進(jìn)行救援的機(jī)器人，該機(jī)器人采用6個(gè)3葉螺旋槳作為動(dòng)力，具備水下拍攝和人機(jī)交互功能，并且通過(guò)機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)水下救援的目的。欒憲超等［20］研制了應(yīng)用于廢墟環(huán)境的蛇形救援機(jī)器人，通過(guò)算法優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其具備良好的跨越臺(tái)階、溝壑的能力，并且減少了設(shè)備的運(yùn)行誤差?？軓┦|［21］對(duì)七自由度冗余機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析求解和仿真，提高了機(jī)械臂的負(fù)重功能和作業(yè)空間。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)救援機(jī)器人的研究雖然具有良好的理論基礎(chǔ)，但是實(shí)際應(yīng)用案例還較少，需要進(jìn)行更多的實(shí)例驗(yàn)證分析，才能更好地為救援、救災(zāi)行動(dòng)提供輔助。

2 市場(chǎng)預(yù)測(cè)和發(fā)展趨勢(shì)

2.1 救援設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)與特征

近年來(lái)，國(guó)家對(duì)應(yīng)急能力體系進(jìn)行了全面的建設(shè)，先后推動(dòng)實(shí)施了自然災(zāi)害防治技術(shù)裝備現(xiàn)代化工程和安全應(yīng)急裝備創(chuàng)新發(fā)展工程。高效精良的技術(shù)裝備是實(shí)施高質(zhì)量科學(xué)救援的有力保障，加快推進(jìn)搶險(xiǎn)救災(zāi)工程機(jī)械研發(fā)制造對(duì)提升應(yīng)急救援能力具有重要意義。

從當(dāng)前各種災(zāi)難救援的現(xiàn)場(chǎng)情境和道路環(huán)境看，救援設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)更多地往智能化、輕型化、模塊化的方向發(fā)展，并具備通用化、多功能化的特征［1，4-5］。在國(guó)家政策的大力支持下，未來(lái)救援機(jī)器人的應(yīng)用將拓展到水下、煤礦、自然災(zāi)害、火災(zāi)、化學(xué)危險(xiǎn)物品、高層建筑等多個(gè)領(lǐng)域，研究?jī)?nèi)容既包括硬件技術(shù)上的傳感性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備功能，也包括軟件技術(shù)上的智能算法、虛擬與現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合、控制系統(tǒng)研發(fā)、定位導(dǎo)航等。

2.2 救援設(shè)備發(fā)展展望

在政策的推動(dòng)下以及技術(shù)快速發(fā)展的推動(dòng)下，救援設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用將會(huì)得到更多的重視，對(duì)設(shè)備功能的要求也會(huì)不斷提高，研制一種能適用于全地形的救援車(chē)輛，對(duì)救援救災(zāi)工作具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，其市場(chǎng)空間必定廣闊。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，救援設(shè)備的行走機(jī)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)履帶式、輪式、腿式、復(fù)合式以及仿生式機(jī)器人等多種類(lèi)型，其智能控制程度和相關(guān)分析理論也在不斷提升，但目前適用場(chǎng)景往往有限，一方面受制于行走機(jī)構(gòu)對(duì)各種復(fù)雜地形的自適應(yīng)能力，另一方面受制于復(fù)雜地形帶來(lái)感知運(yùn)算的不確定性。因此，通過(guò)遠(yuǎn)程駕駛的方式與全地形救援設(shè)備進(jìn)行結(jié)合，可以有效應(yīng)對(duì)非結(jié)構(gòu)化地形的救援行動(dòng)。

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