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救援机器人救援机器人 的研究现状的研究现状 1 1、引、引 言言 l 地震、火灾、矿难等灾难发生后，在废墟地震、火灾、矿难等灾难发生后，在废墟中搜寻幸存者给予必要的医疗救助，并尽快中搜寻幸存者给予必要的医疗救助，并尽快救出被困者是救援人员面临的紧迫任务。实际救出被困者是救援人员面临的紧迫任务。实际经验表明，超过经验表明，超过48小时后被困在废墟中的幸存小时后被困在废墟中的幸存者存活的概率变得越来越低。者存活的概率变得越来越低。l 由于灾难现场情况复杂，救援人员自身安由于灾难现场情况复杂，救援人员自身安全得不到保证，废墟中形成的狭小空间使救援全得不到保证，废墟中形成的狭小空间使救援人员甚至救援犬也无法进入。灾难救援机器人人员甚至救援犬也无法进入。灾难救援机器人可以很好地解决上述问题。可以很好地解决上述问题。2 2、国内外研究现状、国内外研究现状 近十几年来，尤其是近十几年来，尤其是“911”事件之后，美国、事件之后，美国、日本等西方发达国家在地震、火灾等救援机器人日本等西方发达国家在地震、火灾等救援机器人的研究方面做了大量的工作。以牵引和运动方式的研究方面做了大量的工作。以牵引和运动方式的不同救援机器人主要可分为以下几类：的不同救援机器人主要可分为以下几类：l1、履带式救援机器人、履带式救援机器人l2、可变形、可变形(多态多态)救援机器人救援机器人l3、仿生救援机器人、仿生救援机器人2.1 2.1 履带式救援机器人履带式救援机器人l 履带式机器人是为了满足军事侦察、拆除危险履带式机器人是为了满足军事侦察、拆除危险物等作业的需要，在传统的轮式移动机器人的基物等作业的需要，在传统的轮式移动机器人的基础上发展起来的。图础上发展起来的。图1-1给出了目前国际上几家著给出了目前国际上几家著名机器人公司的典型产品，他们主要是为了满足名机器人公司的典型产品，他们主要是为了满足军事需要而开发的体积普遍偏大，不太适合在军事需要而开发的体积普遍偏大，不太适合在倒塌的建筑物废墟中狭小空间内搜寻幸存者。倒塌的建筑物废墟中狭小空间内搜寻幸存者。（a a）Foster-MillerFoster-Miller公司公司 （b b）InuktunInuktun公司的公司的 （c c）SPAWARSPAWAR的的 的的SOLEMSOLEM机器人机器人 MinitracMinitrac机器人机器人 urboturbot机器机器 图图 1-11-12.2 2.2 可变性（多态）救援机器人可变性（多态）救援机器人 为进入狭小空间，要求机器人的体积尽可能为进入狭小空间，要求机器人的体积尽可能小，但体积小了搜索视野就会受到限制，为解决小，但体积小了搜索视野就会受到限制，为解决这个矛盾，近年来在传统牵引式救援机器人平这个矛盾，近年来在传统牵引式救援机器人平台基础上，研制出了形态可变的履带式多态救援台基础上，研制出了形态可变的履带式多态救援机器人机器人l图图2-1 为美国为美国Irobot公司生产的公司生产的Packbot系列机器人，系列机器人，packbot机器人有一对鳍形前肢，这对鳍形前肢可以帮助机器人有一对鳍形前肢，这对鳍形前肢可以帮助崎岖的地面上导航，也可以升高感知平台以便更好观察。崎岖的地面上导航，也可以升高感知平台以便更好观察。l图图2-2 为加拿大为加拿大inuktun公司公司MicroVGTV 多态救援机器人，多态救援机器人，他可以根据搜索通道的大小及搜寻范围的远近灵活地调整他可以根据搜索通道的大小及搜寻范围的远近灵活地调整形状和尺寸。形状和尺寸。图图2-1 2-1 美国美国IrobotIrobot公司公司packbotpackbot多态救援机器人多态救援机器人(a)正常状态正常状态（b）直立状态）直立状态 （a a）平躺状态）平躺状态 （b b）半直立状态）半直立状态 （c c）直立状态）直立状态 图图2-2 2-2 加拿大加拿大InuktunInuktun公司公司Micro VGTVMicro VGTV多态救援机器人多态救援机器人2.3 2.3 仿生救援机器人仿生救援机器人l 虽然履带式可变形多态机器人可根据搜索空虽然履带式可变形多态机器人可根据搜索空间的大小改变其形状和尺寸，但受驱动方式的限间的大小改变其形状和尺寸，但受驱动方式的限制，其体积不可能做得很小。为了满足对更狭小制，其体积不可能做得很小。为了满足对更狭小空间搜索的需要，人们根据生态学原理研制了各空间搜索的需要，人们根据生态学原理研制了各种体积更小的仿生机器人，其中蛇形机器人就是种体积更小的仿生机器人，其中蛇形机器人就是其中很重要的一类。其中很重要的一类。l图图3-1为为cmu研制安装的蛇形机器人。研制安装的蛇形机器人。l图图3-2为日本大阪大学研制的蛇形机器人。为日本大阪大学研制的蛇形机器人。l图图3-3为美国加州大学伯克利分校研制的身高不足为美国加州大学伯克利分校研制的身高不足2cm的苍蝇救援机器人。的苍蝇救援机器人。3-1 CMU 3-1 CMU研制的基于移动研制的基于移动 3-2 3-2 日本大阪大学研制的日本大阪大学研制的 3-33-3加州大学伯克利分校加州大学伯克利分校 平台的蛇形机器人平台的蛇形机器人 蛇形机器人蛇形机器人 研制的苍蝇机器人研制的苍蝇机器人 2.4 2.4 我国的研究现状我国的研究现状l 2005年中科院沈阳自动化研究所与日本国际救年中科院沈阳自动化研究所与日本国际救援系统研究院联合成立的中日救援与安全机器人援系统研究院联合成立的中日救援与安全机器人技术研究中心，在沈阳揭牌成立，这标志着我国技术研究中心，在沈阳揭牌成立，这标志着我国的搜救机器人研究进入了一个更加快速发展的时的搜救机器人研究进入了一个更加快速发展的时期。期。图 1-1 日本研究院救灾机器人图 1-2 中科院救灾机器人 国防科技大学在国防科技大学在2001年研制了一种蛇形机器人，年研制了一种蛇形机器人，长长1.2米、直径米、直径0.06米、重米、重1.8公斤，能像蛇一样扭动公斤，能像蛇一样扭动身躯，可前进、后退、拐身躯，可前进、后退、拐弯和加速，其最大速度每弯和加速，其最大速度每分钟可达分钟可达20米，头部是机米，头部是机器人的控制中心。器人的控制中心。图 1-3 蛇形机器人 2006年年6月，由中国矿业大学月，由中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所研可靠性与救灾机器人研究所研制的国内首台煤矿搜救机器人制的国内首台煤矿搜救机器人（样机）诞生。这台搜救机器（样机）诞生。这台搜救机器人采用自主避障和遥控引导相人采用自主避障和遥控引导相结合的行走控制方式，它能够结合的行走控制方式，它能够深入事故矿井，探测前方的火深入事故矿井，探测前方的火灾温度、瓦斯浓度、灾害场景、灾温度、瓦斯浓度、灾害场景、呼救声讯等信息。同时，搜救呼救声讯等信息。同时，搜救机器人携带了急救药品、食物、机器人携带了急救药品、食物、生命维持液和简易自救工具。生命维持液和简易自救工具。3 3、救援机器人关键技术问题、救援机器人关键技术问题l3.1移动性机械机构移动性机械机构 移动性是救援机器人完成救援工作的决定因移动性是救援机器人完成救援工作的决定因素。机器人移动平台应该能够在恶劣废墟环境中素。机器人移动平台应该能够在恶劣废墟环境中灵活地穿梭于狭小的空间之中，能够翻越障碍，灵活地穿梭于狭小的空间之中，能够翻越障碍，爬楼梯，穿越泥泞的道路等，且机器人的移动不爬楼梯，穿越泥泞的道路等，且机器人的移动不应对周围不稳定结构产生影响，以免发生二次坍应对周围不稳定结构产生影响，以免发生二次坍塌或爆炸等。此外，机器人还应该具备适应恶劣塌或爆炸等。此外，机器人还应该具备适应恶劣环境的能力，具有防水、耐高温等能力。环境的能力，具有防水、耐高温等能力。3.2 3.2 传感检测装置传感检测装置 救援机器人的主要工作就是通过传感器实现救援机器人的主要工作就是通过传感器实现自身的导航、环境信息的获取以及幸存人员的搜自身的导航、环境信息的获取以及幸存人员的搜寻。由于灾难现场环境的复杂性及不确定性，传寻。由于灾难现场环境的复杂性及不确定性，传统在室内结构化环境中已较成熟的导航算法无法统在室内结构化环境中已较成熟的导航算法无法满足救援工作的要求，传统的声纳、激光测距仪满足救援工作的要求，传统的声纳、激光测距仪等在充满烟雾和灰尘的环境中也很难取得理想的等在充满烟雾和灰尘的环境中也很难取得理想的效果。目前救援机器人主要采用人工控制方式来效果。目前救援机器人主要采用人工控制方式来实现机器人的导航。实现机器人的导航。3.3 3.3 人机通讯方式人机通讯方式 目前常用的通信方式有目前常用的通信方式有 无无 线线 和和 电电 缆缆 两种方式。两种方式。l电缆方式电缆方式可以稳定可靠地实现机器人和操作者之间的信可以稳定可靠地实现机器人和操作者之间的信息传送。但电缆方式也存在一定的问题，随着机器人搜寻息传送。但电缆方式也存在一定的问题，随着机器人搜寻范围的深入，线缆很容易发生缠绕而影响机器人的移动性。范围的深入，线缆很容易发生缠绕而影响机器人的移动性。研制收放灵活的电缆卷绕装置是解决目前有线通信方式机研制收放灵活的电缆卷绕装置是解决目前有线通信方式机器人通讯问题的关键。器人通讯问题的关键。l无线通讯无线通讯方式的稳定性较难保证，即使在穿透性能最佳方式的稳定性较难保证，即使在穿透性能最佳的频段，也会由于带宽及各种干扰的影响使得通讯无法正的频段，也会由于带宽及各种干扰的影响使得通讯无法正常进行。常进行。“911”事件的救援工作证明，无线方式的机器事件的救援工作证明，无线方式的机器人大约有人大约有25以上的时间无法正常通讯。稳定可靠的通讯以上的时间无法正常通讯。稳定可靠的通讯方式是当前救援机器人领域需要很好解决的关键问题之一。方式是当前救援机器人领域需要很好解决的关键问题之一。3.4 3.4 传感器融合传感器融合 由于救援现场环境的复杂性，对传统的室内由于救援现场环境的复杂性，对传统的室内结构化环境下传感器数据的处理算法不能满足救结构化环境下传感器数据的处理算法不能满足救援工作的需要。如通过视频图像对幸存者的检测，援工作的需要。如通过视频图像对幸存者的检测，由于灰尘、烟雾等的影响使得识别变得非常困难，由于灰尘、烟雾等的影响使得识别变得非常困难，通过检测到声音的方向辨别幸存者的方位，也由通过检测到声音的方向辨别幸存者的方位，也由于现场噪音的影响而变得很困难。因此，为了完于现场噪音的影响而变得很困难。因此，为了完成搜索并发现幸存者，必须通过多种传感器数据成搜索并发现幸存者，必须通过多种传感器数据的融合，研究更加有效的识别算法。的融合，研究更加有效的识别算法。