救援机器人的发展及其在灾害救援中的应用Ξ董晓坡,王绪本(成都理工大学信息工程学院,成都610059)摘要:灾害搜救工作的复杂性、危险性和紧迫性给救援工作带来了极大的困难。

救援机器人以其体积小、灵活等诸多优点成为灾害辅助救援的有效工具并引起全世界的广泛关注。

文中分析了救援行动中使用救援机器人的必要性和可行性,介绍了国内外救援机器人的研究历史和发展概况,对目前的几种救援机器人运动方式和通讯控制方式的优缺点进行了比较。

通过分析灾害救援行动中救援机器人所面临的挑战以及国内外救援机器人技术研究的热点及发展方向,给我国研制开发救援机器人提出了若干建议。

关键词:灾害;搜索与救援;机器人中图分类号:X4 文献标识码:A 文章编号:167222132(2007)01201122060　引言全世界每年都遭受着大量自然灾害和人为灾害的破坏。

巨大的灾害会造成大面积的建筑物坍塌和人员伤亡,灾害发生之后最紧急的事情就是搜救那些困在废墟中的幸存者。

研究表明,如果这些幸存者48小时之内得不到有效的救助,死亡的可能性就会急剧增加[1]。

然而,复杂危险的灾害现场给救援人员及幸存者带来了巨大的安全威胁,也会阻碍救援工作快速有效地进行。

使用救援机器人进行辅助搜救是解决这一难题的有效手段。

1　救援机器人应用的必然性1.1　灾害现场影响救援工作的主要因素 灾害现场通常复杂而危险,影响救援工作的因素主要有3种。

(1)空间限制。

救援实践表明,幸存者通常被困在那些坍塌所形成的空间中,充分搜索这些空间具有重要意义。

遗憾的是这些空间和通道通常非常狭小以至于救援人员根本无法进入,这些地方突出的钢筋和碎块以及其他建筑材料又会给救援人员和搜救犬带来伤害。

(2)结构不稳定。

灾害发生之后建筑物的力学结构遭到破坏,救援人员进入废墟之中必须时刻提防随时可能落下的碎块。

同时,在进行救援工作时也可能引起废墟二次坍塌,给救援人员自身和废墟下被困的幸存者造成伤害。

这给救援人员带来了极大的危险和心理负担,影响救援工作的快速展开。

(3)危险物质和大火。

灾害之后易燃易爆的物品、大风等很容易引起大火。

在一些危险地区,如核电站、化工厂等场合,如果没有相应的防护和支援,即使训练有素的专业救援人员也不能轻易开展工作,而戴上防护用具之后又会限制搜救人员对环境的感知能力,延缓救援工作的进程。

这些危险因素给灾害救援工作带来了极大的阻碍,常常使救援付出沉重的代价。

美国紧急救援办公室的统计数据表明,从狭小的封闭空间中营救1名幸存者平均需要10个救援人员花费4个小时的时间。

使用救援机器人则可以提高救援效率,并避免或减少救援人员的伤亡。

1.2　微型机器人在救援工作中的优势微型机器人在辅助灾害救援工作中具有以下突出的优势:(1)可以连续执行乏味的搜索救援任务,而不会像人一样感到疲倦;(2)不怕火、浓烟等危险和有害条件;(3)可以深入危险地带拍摄资料供研究人员分析查找;(4)重量轻,与人和搜救犬相比引起建筑物二次第27卷第1期2007年2月防灾减灾工程学报Jou rnal of D isaster P reven ti on and M itigati on EngineeringV o l.27N o.1Feb.2007Ξ收稿日期:2006203226;修回日期:2006204229基金项目:四川省应用基础研究项目(05JY029208921)作者简介:董晓坡(19802),男,硕士研究生。

主要从事电磁理论与成像、生命搜索与救援等方面的研究。

Em ail:dxblonely@坍塌的可能性小;(5)灵活,可以进入那些人和搜救犬无法进入的危险地带。

2　国内外救援机器人研究现状机器人技术最初起源于军事领域的战场侦察、战场清扫等,在20世纪80年代以前就有人开始从理论上对机器人应用于灾害搜救工作进行了探讨。

1995年在救援机器人技术发展史上具有里程碑式的重要意义,发生在日本神户—大阪的大地震及其之后发生在美国俄克拉荷马州的阿尔弗德联邦大楼爆炸案揭开了救援机器人技术研究的序幕。

2001年美国9・11事件给救援机器人提供了1次宝贵的实践机会,美国机器人辅助救援中心和其他一些单位的救援机器人参与了救援行动(图1)。

它们是:Fo ster 2M iller 公司的SOL E M 系统、To lon 系统以及Inuk tun 公司的V GTV 系统和M icro tac 系统,机器人在此次救援行动中取得了成功。

同时在救援中也暴露出了很多问题,例如控制方式不可靠、防水性不好、视野狭窄等[2]。

机器人在9・11事件中的成功应用,引发了人们研究救援机器人的热潮,几年来发表了大量的研究成果,理论上和实际应用上都取得了很大的进步,研制出了各式各样的救援机器人系统,并在实践方面积累了丰富的经验。

目前救援机器人的研究主要有4个方面:①运动控制技术;②通讯控制技术;③自主导航技术;④探测感知技术。

211　运动控制系统救援机器人硬件的发展逐渐形成了几种基本平台,如履带式平台、蜿蜒式平台、飞行类平台等。

2.1.1　履带式机器人履带式运动系统有双履带、4履带、6履带等多种形式。

复合式履带可以调整爬坡角度和方向,因此具有很好的越野性能(图2)。

履带式运动系统在碎石堆上可以快速前进,遇到小的坡度和凹凸地时也可以轻松翻越,在遇到不能通过的障碍时还可以在很狭小的范围内完成转弯等动作。

目前,救援机器人广泛采用这种运动形式。

与其他运动形式相比,履带式运动系统具有较快的速度和较大的转距。

履带式运动系统技术较成熟,但也有重量大、摩擦阻力大等缺点。

2.1.2　蛇形(蠕虫)机器人系统蛇形机器人系统结合了仿生学的许多研究成果,它通过模仿自然界肢节动物,例如蛇的运动特点而设计。

日本的H iro se 教授首先提出蛇形机器人运动系统并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(文献[1])。

蛇形机器人的结构基本是由一系列相同的关节组成,这些相同的单元通过万向轴连接起来,加上其头部的导引头来构成1个车厢式的系统(图3)。

这种蛇形机器人有4种基本运动:直线运动、侧向运动、翻转运动和垂直运动。

4种运动方式组合就可以完成前进、后退、侧向和翻越障碍物等运动。

蛇形机器人以其灵活、横截面积小、稳定、可以翻越障碍物以及可实现三维运动等特点在救援领域展现出了独特的优势,得到了世界范围内的广泛关注。

我国的国防科技大学、上海交通大学、沈阳自动化所等研究机构也都对蛇形机器人进行了研究并取得了可喜的成果。

目前国内外对蛇形机器人的研究主要集中在蜿蜒运动理论的研究和径迹规划等方面。

2.1.3　蜘蛛形机器人蜘蛛形机器人是模仿蜘蛛等多足昆虫的运动方图1　进入世贸大厦的救援机器人系统F ig .1　T he rescue robo ts in W TC disaster图2　I Robo t 公司的履带式机器人F ig .2　T he pedrail robo t of I Robo t图3　A C M 2R 5蛇形机器人F ig .3　T he snake robo t “A C M 2R 5”311　第1期董晓坡等:救援机器人的发展及其在灾害救援中的应用式而研制的1种机器人(图4)。

蜘蛛形机器人行动灵活,通过多足的配合可以完成向前、向后、横向以及纵向移动等。

蜘蛛形机器人在遇到障碍物时可以通过跳跃的方式越过小型障碍物,因此与履带式机器人以及蛇形机器人相比,蜘蛛形机器人受地面障碍物的影响更小,可以在更复杂的救援行动中快速地执行搜救任务。

一部分蜘蛛形救援机器人的脚上设计有吸盘,通过这些吸盘它们能够爬上墙壁,攀上一些坡度大的岩壁,在一些救援场合这样的垂直搜救能力具有重要的意义。

此外,蜘蛛形机器人往往具有较好的抗破坏能力,当它们的某只脚或者多只脚损坏时,仍然能够通过剩余的脚完成搜索任务。

以日本大阪大学教授新井健生为核心的科研组发表了关于其最新开发的机器人“星标(asterisk )”的一系列文章。

“星标”除了可以凭借其6只脚在不平的地方行走之外,脚还可以作为手来使用以实现在天花板上的移动。

这种结构新型、手脚互换的机器人在灾害救援等复杂环境下具有良好的应用前景[3]。

2.1.4　飞行机器人微型飞行机器人(M AV )于20世纪90年代由美国率先提出,由于其在军事和民用部门的巨大应用前景,因此引起了世界各国的极大关注。

M AV 在灾害环境中可以不受地面状况影响,灵活性高。

在较高的角度上飞行机器人的“视野”更加广阔,因此可以扩大搜索面积,加快搜索速度。

飞行机器人在搜救行动中更多地从事现场勘查和为搜救人员探路导航等工作。

微型飞行机器人的发展涉及到低雷诺系数空气动力学、微动力系统、微机电系统、弱功率下飞行控制等一系列关键技术,它的发展与军事行动中的无人侦察机技术的发展状况休戚相关。

2003年11月17日,日本精工EPSON 公司研制出1种微型飞行机器人(图5),体重819g ,室内飞行高度1m 。

它由2个螺旋桨带动,可自行控制飞行姿势,前后左右移动自如。

螺旋桨直径约为13c m ,2个螺旋桨分别朝相反的方向转动,可产生13g 的升力。

微型飞行机器人搭载有数码相机,在人无法进入的空间狭窄的救灾现场,可把拍摄到的图像传给地面监视器。

这种机器人靠连接地面的微细电线供应电力。

有关人员可通过信息终端向机器人下达指示,用装有控制软件的电脑指挥机器人飞行和降落,在空间狭窄的救灾现场一显身手[4]。

2.1.5　其他形式的机器人除了上面的几种机器人以外,还有其他一些如管道机器人、机器鼠等机器人系统,在特定的场合也都有非常良好的表现。

图6为机器人在合作翻越障碍物。

212　通讯控制系统目前救援机器人大都采用遥控方式而不使用自主导航方式,因为复杂的灾害现场对自主导航技术提出了异常苛刻的要求。

在目前的条件下,使用救援机器人进行自主搜索是非常困难的,必须由救援工作人员采用电缆遥控和无线遥控的方式进行半自主辅助救援。

2.2.1　电缆控制优点:①可靠性高,抗干扰能力强;②具有绳索的功能,可方便把机器人放入人员不易进入的地方,并方便拽回;③通讯速率高。

缺点:①增加了机器人的负荷;②容易被障碍物缠住;③容易被划伤甚至割断。

2.2.2　无线遥控方式优点:①操作方便灵活,活动范围大;②负荷小,行动不受限制。

图4　蜘蛛形机器人“星标”F ig .4　T he sp ider robo t “star 2label ”图5　精工爱普生的微型飞行机器人F ig .5　T he M AV of EPSON图6　机器人在合作翻过障碍物F ig .6　Robo ts cooperate w ith each o ther incro ssing over obstacles411　防灾减灾工程学报第27卷　 缺点:控制信号易受干扰,可靠性不高。