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中国地震救援机器人技术现状与趋势

随着科技发展水平的不断提高,地震救援机器人已经在救援工作中开始普及,许多高校和科研院所也已经对地震救援机器人展开了深入的技术研究.本文将面向国内近五年兴起的地震救援机器人,从硬件和软件两方面展开技术分析,总结多种机器人常用结构在地震救援机器人上的使用情况,并指出其中的创新之处.此外,本文还将对地震救援机器人在软件层面的革新进行详细分析,解读技术背后蕴含的深层原理,探寻技术在地震救援机器人身上的实际应用价值.最后,通过总结近五年地震救援机器人总体的发展趋势,预测其未来发展前景.

中国地处环太平洋地震带与欧亚地震带之间,自古以来发生过多起强震（里氏震级M > 6.0级）近年来,我国地震预测技术不断提升,房屋抗震等级逐步提高,民众对于震后逃生的方式方法有了更加深入的了解和认识,这些都使得地震造成的受灾程度及死亡人数较以往有了明显降低,但尽管如此,地震对于群众生命财产安全造成的威胁仍不可小视.地震是严重的自然灾害之一,20世纪中后期,在中国发生的自然灾害中,地震造成的死亡人数最多,占总人数的54%.在灾难来临之际,抢险救援显得尤为重要.地震造成的救援难度是所有人有目共睹的,房屋损毁、山体崩塌,火灾和洪水事件随时有可能发生,这些都令救援工作充满挑战.在以往的地震救援工作中,消防官兵和医护人员总是出现在抢险救灾第一线,例如,在2008年四川汶川发生的8.0级大地震中,地震摧毁了大部分通往救援地区的道路,导致救援车辆迟迟不能及时进入重灾区,救援官兵们只能冒着生命危险徒步前往受灾地点,面对险峻峭壁与崎岖山路,官兵们的生命安全受到了严重威胁.地震救援机器人的出现,不仅可以代替救援官兵们执行危险任务,同时还能够提高救援效率,增大被困者的获救希望.

本文以2013-2018年上半年发表在各大期刊上的论文为参考,从专业角度对近年来地震救援机器人在硬件和软件两方面的革新做出了总结,阐述了地震救援机器人的优势,探讨了其核心技术,指出了其发展趋势,以期为今后学者在地震救援机器人领域的研究提供参考.

地震救援机器人概述

地震救援机器人是应用于震后搜救、破拆和伤员运输的机器人,其灵活性高,越障能力强,大多依靠远程操控执行任务.地震救援机器人在很大程度上帮助了救援人员,在高危或复杂环境中,机器人可以代类执行一些危险性较高的任务,并迅速传输回有效信息,为救援人员提供参考,辅助制定救援计划.

地震救援机器人硬件部分

底盘

地震救援面临复杂地形,不仅有楼房倒塌所形成的狭小空间,还有山体崩塌造成的道路中断.因此,地震救援机器人需要具备拥有良好通过性的底盘,进而适应不同地形,具有良好的越障能力以及稳定性.笔者经过大量的文献调查,总结出以下三种底盘结构：履带式、轮式、足式.

针对以上三种结构,笔者分别都进行了调查与分析.

履带式

履带式机器人是研究者使用最多的结构,在机器人的底盘中安装履带轮或适应救灾环境的履带,越障进入灾区进行搜救.履带在机器人底盘一体成型,由于救援现场地形复杂,所需选装的履带都相对较重,可以大幅度减少路况对于机器人整体的影响,故其相较于轮式和足式结构而言,在稳定性中略胜一筹.此外,履带对于机器人的保护比其余两种结构都好,在救灾过程中防护能力更强.但履带式机器人的缺点也是非常明显的,其机动能力差,比较笨重,不方便在救灾区域进行小范围灵活移动,在这方面轮式和足式结构就会略胜一筹.

履带式机器人的研究已经较为成熟,可以在实际场景中投入使用,所以很多公司都相继推出了履带式救援机器人.例如,山东国兴智能科技有限公司生产的履带救援机器人,已经在实际救援中得到应用,并且该公司与国内多家高校和科研院所都建立了长期战略合作伙伴关系,共同成立了研发中心和人才培训基地.

为了进一步提升履带式机器人的性能,天津职业技术师范大学硕士研究生程二亭对此进行了研究[1].研究重点分析了履带式机器人底盘速度、关键零部件的受力以及履带机器人软件架构的功能性需求,并试图在分析的基础上研制出一台应用于复杂非结构化环境的信息采集救援机器人.

轮式

轮式底盘在形态上更像是汽车,通常情况下具备四个或者六个车轮,每个车轮均由电机独立驱动,从而可以在废墟中执行转弯、后退等动作,保障了在灾区现场的灵活移动.轮式底盘中,车轮占整车体积比例小,与履带相比更加轻便,所以整个机器人可以做小、做轻.其不足在于车轮比履带接触地面的面积小,且轮胎相对履带更为光滑,所以在复杂地形中很可能导致机器人行进不稳,遇到障碍物时,如果不及时躲避,就有可能发生翻倒等情况.

天津理工大学对于六轮救援机器人展开了深入研究[2],引出了轮式救援机器人的发展新趋势.该校设计出的理论模型通过遗传算法,使机器人在满足越障的约束条件下,保证自身的稳定性.

足式

足式底盘是近几年科研领域展示的最新成果,它参考生物运动的模式,在机器人的底盘上加装四条或者六条“腿”,从而化身为足式机器人.这样的设计让机器人的底盘集合了履带式和轮式底盘的优点,既可以在复杂环境下高效行进,同时又能保持较好的稳定性,并且摔倒后会有自动扶正装置帮助起身,是未来救援机器人的一大选择.由于目前足式机器人的研发刚刚开始,因此很多研发团队的成果还仅仅停留在试验阶段,并没有充足的准备将其应用在实际场景中.同时,研究足式机器人不仅需要工程学方面的知识储备,还需要有丰富的生物学积累,所以,目前制作出一个完美的足式地震救援机器人是比较困难的.尽管如此,未来的5~10年内,足式机器人仍会有希望取得非常大的突破,届时足式地震救援机器人有望在一定程度上取代履带式和轮式地震救援机器人.

由于足式底盘的研发正处于起步阶段,因此目前该结构使用情况较少.在国内,杭州宇树科技有限公司设计了一款名为“Laikago”四足机器人,尽管其不是运用在救援领域,但随着四足机器人的发展,足式底盘必将成为救援机器人底盘的首选.近年来,国内在足式机器人领域也在努力向国外先进水平看齐,目前国内主要有山东大学、哈尔滨工业大学、浙江大学三家高校在专攻足式机器人.据了解,浙江大学有望在不久的将来发布其研究的四足机器人.

在救援方面,北京工业大学硕士研究生杨聪撰写题为《地震辅助救援四足机器人性能评价研究及其软件开发》的论文[3],针对国内目前出现的几款足式机器人样机进行了性能优劣对比,为四足机器人的发展提供了决策依据,并且作者还自主开发了一款四足机器人性能评价软件,目的是为了记录地震救援足式机器人的相关工作参数,为接下来的研发提供参考.

操作装置

手臂式

手臂式机器人主要被用于模拟人类在救灾现场操作救援工具的动作.在操作诸如液压扩张钳、钢筋切断器、水泥切割机等重型救援工具时,救援人员不但需要耗费大量精力及体力,而且很难做到精准操控,容易对救援人员和受灾人员造成不必要的伤害.所以操作救援工具的任务现在多由机器人来承担.一般的手臂式机器人会将救援工具集成到臂前端,由操作人员远程控制完成任务,这使得工具操控精准度和整体工作效率都得到了大幅提高,并且发生意外的几率得到有效降低.手臂式机器人是目前使用广泛,在研究人员的不断革新中也出现了很多其他类型的手臂式机器人,如多关节手臂救援机器人和伸缩手臂救援机器人等,这些新型手臂式机器人的出现为地震救援带来了更多可能性,而且机械臂操作精度比过去更高,更适合在废墟等恶劣环境下工作.

手臂式救援机器人一般比较常见,江苏八达重工机械股份有限公司研制的双动力双臂手智能型救援工程机器人是目前国内最为先进的手臂式救援机器人[4][5],机器人双臂、双臂手可协调作业,可实现剪切、破碎、切割、扩张、抓取等多项功能,其完成任务效率较一般手臂式救援机器人而言更高,在救援时可实现多任务同时进行,节约了救援时间.

顶撑式

地震顶撑救援机器人是目前比较新颖的研究课题,其为救援带来的作用不容小觑,该机器人利用其携带的千斤顶或者液压装置进入废墟内,拓展救援空间,进行起缝或顶撑任务,为救援人员的进入打通道路.地震顶撑救援机器人通常以轮式或履式底盘为载体,携带顶撑装置进入废墟,可为被困人员送去必要的生存物资.由于顶撑机器人一般会携带千斤顶或液压装置,因此整体重量相对较大,使用起来较不方便,机动性较差.

在顶撑式机器人的研究中,可供查找的资料有限,哈尔滨工业大学硕士研究生刘义祥和河北工程大学硕士研究生贺娜分别于2013年和2016年设计了顶撑救援机器人模型[6][7].在救援机器人模型中,救援机器人与顶撑工具进行了结合,通过人类操作,可以控制机器人在废墟中执行起缝任务,为被困人员打开生命通道.对于顶撑机器人的研究目前尚处于样机试验阶段,国内并没有出现顶撑机器人在实际救援环境下使用的先例,故未来顶撑救援机器人将会具备广阔的研发前景.

新颖结构

在查阅文献的过程中,笔者注意到,近些年有很多新颖的结构被应用于地震救援机器人,其中包括大型机械变为地震救援机器人的多功能发明、转移废墟中受灾群众的机器人收纳系统、液压微控制系统以及轮履复合型机器人.这些硬件结构大都是先前学者们研究的升级版,更好地适应了当今地震救援的需求.

北京工业大学研究的钳剪抓一体多功能救援属具以及开孔取芯一体破拆救援属具[8][9],最大限度地解决了城市地区震后救援场景中对多功能救援属具的迫切需求,既实现了破碎、搬移废墟的功能,又可以快速地与工程机械对接,让通用大型工程机械在短时间内转换为地震救援机械,用于地震救援.

地震救援机器人软件部分

传感器应用

视觉传感器——图像识别技术

视觉传感器在机器人中的应用十分普遍,图像识别技术主要基于视觉传感器来实现.近年来,随着人工智能技术（AI）和增强现实技术（AR）的兴起,图像识别技术得到了快速发展,图像识别技术主要通过既有算法对画面进行分析,提取其中的有效信息.大部分地震救援机器人中,都加装了视觉传感器,以此来获取救援现场的实时场景,然后通过计算机进行图象识别分析,由此判断救援现场状况,进而操作机器人执行救援任务.视觉传感器带来的优势在于可以让救援人员清晰地了解到废墟内部的实时状态,避免了只根据资料及外景图片进行分析而导致错误,并且由计算机辅助救援人员对救援现场复杂场景进行分析,有效地避免了因人工分析导致的失误.

2016年04期《传感器与微系统》期刊中收录了一篇名为《机器视觉的灾后救援机器人越障系统设计》的文章[10].该研究团队使用VC++编程,并调用OpenCV库对场景画面进行数学分析,进而到障碍物的数字图像信息,同时将相关信息实时传输给操作人员,以便其可以及时对机器人的行进路线进行调整,避开障碍物,这样可以使机器人在废墟中的运动更加灵活,减少碰撞.

生命探测装置

大多数救援机器人都会装有生命探测装置,该装置种类很多,其中红外、雷达和声音传感器使用最为广泛,这些传感器可以感应废墟内生命体的位置,及时对受灾人员进行定位,帮助救援人员制定营救计划.每种传感器都有其自身的限制,例如声音传感器会受探头周围轻微声音（如：机器人移动或周围人员走动的声音）的干扰,从而导致判断失误.红外传感器耗电量较大,由于其需要实时监测接收到的红外热信号,故其耗电量导致其不能长时间在废墟中工作,影响搜救效率.

惯性测量单元（IMU）

IMU一般由三个单轴加速度计和三个单轴的陀螺组成,其自身有一个零设定值,此外还有三个轴：heading、pitch、roll.三个轴分别控制机器人的三个方向,当其偏离零值,则会通过一系列调整进行复原,达到自动复位的效果.

在地震救援机器人中,IMU的作用十分重要,可及时判定机器人所处的状态,并做出有效调整.上文提到的足式机器人之所以可以在摔倒后自动复位,主要就是依靠IMU进行姿态复原.履带式机器人也需依靠IMU辅助工作,一旦履带与地面夹角超过规定度数,则停止行进,待恢复到安全范围内再继续行动.所以IMU可以有效避免救援机器人在实际救援场景中,因摔倒或侧翻而影响正常工作.

远程控制系统

地震救援机器人需要进入到废墟中,因为进入距离普遍较长,并且环境复杂,拖线操作必然不可取,所以机器人必须使用远程控制系统,从而使救援人员可对其进行远程操控.目前,大多数机器人主要依靠无线收发装置,实现远程操控.但该种方法局限性较大,一旦地形复杂,无线信号便会很难传出废墟,导致信号传输延迟或中断,影响救援进度.由于目前的传输方式比较单一,无法传输所有救援人员所需要的数据.

2016年2月,《制造业自动化》期刊上发表了一篇名为《救援机器人远程控制系统的设计与实现》[11]的文章,其通过基于LabVIEW的Web技术传输信息,使得机器人可以传输回大量有效信息.远程控制系统多在程序中有所突破,通过特定算法,使机器人的信息传输变得更加稳定.

东南大学研究设计的“基于LoRa及MSP430的影音实时传输搜救机器人”[12]令人眼前一亮,用LoRa传输代替传统的无线传输,可以有效增加传输稳定性,并且在同等条件下传输距离更远,功耗更小.其设计的搜救机器人还搭载了TI-MP430单片机及5.8 GHz的无线图传模块,使机器人可以长时间在废墟中进行工作,并快速传回更加明确的信息.

定位系统

由于地震救援机器人在废墟中的路线复杂多变,因此导航系统显得尤为重要,导航系统包括地图系统和路线指引系统.由于全球定位系统（GPS）和北斗卫星导航系统（BDS）在小范围（<10m）内的定位还不足够精确,所以深入废墟的救援机器人需要拥有独立的定位方式,帮助其在废墟中顺利行进.

关于救援机器人定位系统的最新技术刊载在2018年2月的《物联网学报》中,其中名为《雾计算赋能机器人同步定位与地图构建》的文章介绍了机器人定位的新方式——雾计算[13].这是救援机器人定位系统的创新,其巧妙运用雾计算构建救援时的地图,指引机器人更准确、更快捷地到达事故地点.

兰州理工大学硕士研究生魏豪左研究了视觉SLAM（即时定位与地图创建,Simultaneous Localization and Mapping）[14],机器人在室内运行过程中,利用Kinect传感器采集室内场景的彩和深度图,随后在控制系统中进行处理,使用SIFT算法与GTM算法寻找匹配点,剔除错误匹配点.同时结合场景深度信息来指导ICP算法对三维点云进行帧间配准,求取出相邻两帧的旋转矩阵和平移矩阵,最后依据这两个矩阵将机器人运行时获得的图像序列拼接成三维地图,从而创建出比较详实的室内环境三维地图.这样的技术若可以应用在目前实际救援使用机器人当中,必将使救援水平产生质的飞跃.

软件及传感器是未来研究重点

虽然现在地震救援机器人的发展到达了一个新的水平,但其在真正救援中的使用仍相对较少.我国地震多发地区经济发展水平一般相对落后,因此难以在短期内引入先进的救援设备,并且使用机器人还需要经过专业的知识的培训,这些都使得地震救援机器人在短期内难以快速普及.

近年来,我国逐渐支持地震多发区引进相对成熟的地震救援机器人,并派相关专家赴地震多发地区（如：四川、新疆等）进行宣传与推广,使得地震救援机器人能够在地震来临时发挥重要作用.

未来,软件及传感器是学者们应该重点研究的方向,因为对于地震救援机器人而言,硬件的创新更多是在前人研究的基础上进行提升、整合,而软件部分则有着很大的发展空间,软件的提升会让机器人变得更加灵活,令人类更易操作,进而使机器人的工作效率得到更大提高.

参考文献：

[1]程二亭. 灾害环境救援用履带式机器人关键技术的研究[D].天津职业技术师范大学,2016.

[2]尹理才. 六轮救援机器人的设计与研究[D].天津理工大学,2016.

[3]杨聪. 地震辅助救援四足机器人性能评价研究及其软件开发[D].北京工业大学,2016.

[4]陈金凤,周峰,陈利明.双动力双臂手智能型救援工程机器人技术升级路径[J].工程机械与维修,2015(03):50-52.

[5]救援机器人现身地震灾区[J].机械,2013,40（05）:81.

[6]刘义祥. 废墟表层顶撑机器人研究[D].哈尔滨工业大学,2013.

[7]贺娜. 新型顶撑救援机器人的设计与研究[D].河北工程大学,2016.