中國地震救援機(jī)器人技術(shù) 發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

徐若涵

隨著科技發(fā)展水平的不斷提高，地震救援機(jī)器人已經(jīng)在救援工作中開始普及，許多高校和科研院所也已經(jīng)對地震救援機(jī)器人展開了深入的技術(shù)研究。本文將面向國內(nèi)近五年興起的地震救援機(jī)器人，從硬件和軟件兩方面展開技術(shù)分析，總結(jié)多種機(jī)器人常用結(jié)構(gòu)在地震救援機(jī)器人上的使用情況，并指出其中的創(chuàng)新之處。此外，本文還將對地震救援機(jī)器人在軟件層面的革新進(jìn)行詳細(xì)分析，解讀技術(shù)背后蘊(yùn)含的深層原理，探尋技術(shù)在地震救援機(jī)器人身上的實際應(yīng)用價值。最后，通過總結(jié)近五年地震救援機(jī)器人總體的發(fā)展趨勢，預(yù)測其未來發(fā)展前景。

中國地處環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，自古以來發(fā)生過多起強(qiáng)震（里氏震級M > 6.0級）近年來，我國地震預(yù)測技術(shù)不斷提升，房屋抗震等級逐步提高，民眾對于震后逃生的方式方法有了更加深入的了解和認(rèn)識，這些都使得地震造成的受災(zāi)程度及死亡人數(shù)較以往有了明顯降低，但盡管如此，地震對于群眾生命財產(chǎn)安全造成的威脅仍不可小視。地震是嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，20世紀(jì)中后期，在中國發(fā)生的自然災(zāi)害中，地震造成的死亡人數(shù)最多，占總?cè)藬?shù)的54%。在災(zāi)難來臨之際，搶險救援顯得尤為重要。地震造成的救援難度是所有人有目共睹的，房屋損毀、山體崩塌，火災(zāi)和洪水事件隨時有可能發(fā)生，這些都令救援工作充滿挑戰(zhàn)。在以往的地震救援工作中，消防官兵和醫(yī)護(hù)人員總是出現(xiàn)在搶險救災(zāi)第一線，例如，在2008年四川汶川發(fā)生的8.0級大地震中，地震摧毀了大部分通往救援地區(qū)的道路，導(dǎo)致救援車輛遲遲不能及時進(jìn)入重災(zāi)區(qū)，救援官兵們只能冒著生命危險徒步前往受災(zāi)地點，面對險峻峭壁與崎嶇山路，官兵們的生命安全受到了嚴(yán)重威脅。地震救援機(jī)器人的出現(xiàn)，不僅可以代替救援官兵們執(zhí)行危險任務(wù)，同時還能夠提高救援效率，增大被困者的獲救希望。

本文以2013-2018年上半年發(fā)表在各大期刊上的論文為參考，從專業(yè)角度對近年來地震救援機(jī)器人在硬件和軟件兩方面的革新做出了總結(jié)，闡述了地震救援機(jī)器人的優(yōu)勢，探討了其核心技術(shù)，指出了其發(fā)展趨勢，以期為今后學(xué)者在地震救援機(jī)器人領(lǐng)域的研究提供參考。

地震救援機(jī)器人概述

地震救援機(jī)器人是應(yīng)用于震后搜救、破拆和傷員運輸?shù)臋C(jī)器人，其靈活性高，越障能力強(qiáng)，大多依靠遠(yuǎn)程操控執(zhí)行任務(wù)。地震救援機(jī)器人在很大程度上幫助了救援人員，在高?；驈?fù)雜環(huán)境中，機(jī)器人可以代替人類執(zhí)行一些危險性較高的任務(wù)，并迅速傳輸回有效信息，為救援人員提供參考，輔助制定救援計劃。

地震救援機(jī)器人硬件部分

底盤

地震救援面臨復(fù)雜地形，不僅有樓房倒塌所形成的狹小空間，還有山體崩塌造成的道路中斷。因此，地震救援機(jī)器人需要具備擁有良好通過性的底盤，進(jìn)而適應(yīng)不同地形，具有良好的越障能力以及穩(wěn)定性。筆者經(jīng)過大量的文獻(xiàn)調(diào)查，總結(jié)出以下三種底盤結(jié)構(gòu)：履帶式、輪式、足式。

針對以上三種結(jié)構(gòu)，筆者分別都進(jìn)行了調(diào)查與分析。

履帶式

履帶式機(jī)器人是研究者使用最多的結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人的底盤中安裝履帶輪或適應(yīng)救災(zāi)環(huán)境的履帶，越障進(jìn)入災(zāi)區(qū)進(jìn)行搜救。履帶在機(jī)器人底盤一體成型，由于救援現(xiàn)場地形復(fù)雜，所需選裝的履帶都相對較重，可以大幅度減少路況對于機(jī)器人整體的影響，故其相較于輪式和足式結(jié)構(gòu)而言，在穩(wěn)定性中略勝一籌。此外，履帶對于機(jī)器人的保護(hù)比其余兩種結(jié)構(gòu)都好，在救災(zāi)過程中防護(hù)能力更強(qiáng)。但履帶式機(jī)器人的缺點也是非常明顯的，其機(jī)動能力差，比較笨重，不方便在救災(zāi)區(qū)域進(jìn)行小范圍靈活移動，在這方面輪式和足式結(jié)構(gòu)就會略勝一籌。

履帶式機(jī)器人的研究已經(jīng)較為成熟，可以在實際場景中投入使用，所以很多公司都相繼推出了履帶式救援機(jī)器人。例如，山東國興智能科技有限公司生產(chǎn)的履帶救援機(jī)器人，已經(jīng)在實際救援中得到應(yīng)用，并且該公司與國內(nèi)多家高校和科研院所都建立了長期戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，共同成立了研發(fā)中心和人才培訓(xùn)基地。

為了進(jìn)一步提升履帶式機(jī)器人的性能，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)碩士研究生程二亭對此進(jìn)行了研究[1]。研究重點分析了履帶式機(jī)器人底盤速度、關(guān)鍵零部件的受力以及履帶機(jī)器人軟件架構(gòu)的功能性需求，并試圖在分析的基礎(chǔ)上研制出一臺應(yīng)用于復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的信息采集救援機(jī)器人。

輪式

輪式底盤在形態(tài)上更像是汽車，通常情況下具備四個或者六個車輪，每個車輪均由電機(jī)獨立驅(qū)動，從而可以在廢墟中執(zhí)行轉(zhuǎn)彎、后退等動作，保障了在災(zāi)區(qū)現(xiàn)場的靈活移動。輪式底盤中，車輪占整車體積比例小，與履帶相比更加輕便，所以整個機(jī)器人可以做小、做輕。其不足在于車輪比履帶接觸地面的面積小，且輪胎相對履帶更為光滑，所以在復(fù)雜地形中很可能導(dǎo)致機(jī)器人行進(jìn)不穩(wěn)，遇到障礙物時，如果不及時躲避，就有可能發(fā)生翻倒等情況。

天津理工大學(xué)對于六輪救援機(jī)器人展開了深入研究[2]，引出了輪式救援機(jī)器人的發(fā)展新趨勢。該校設(shè)計出的理論模型通過遺傳算法，使機(jī)器人在滿足越障的約束條件下，保證自身的穩(wěn)定性。

足式

足式底盤是近幾年科研領(lǐng)域展示的最新成果，它參考生物運動的模式，在機(jī)器人的底盤上加裝四條或者六條“腿”，從而化身為足式機(jī)器人。這樣的設(shè)計讓機(jī)器人的底盤集合了履帶式和輪式底盤的優(yōu)點，既可以在復(fù)雜環(huán)境下高效行進(jìn)，同時又能保持較好的穩(wěn)定性，并且摔倒后會有自動扶正裝置幫助起身，是未來救援機(jī)器人的一大選擇。由于目前足式機(jī)器人的研發(fā)剛剛開始，因此很多研發(fā)團(tuán)隊的成果還僅僅停留在試驗階段，并沒有充足的準(zhǔn)備將其應(yīng)用在實際場景中。同時，研究足式機(jī)器人不僅需要工程學(xué)方面的知識儲備，還需要有豐富的生物學(xué)積累，所以，目前制作出一個完美的足式地震救援機(jī)器人是比較困難的。盡管如此，未來的5～10年內(nèi)，足式機(jī)器人仍會有希望取得非常大的突破，屆時足式地震救援機(jī)器人有望在一定程度上取代履帶式和輪式地震救援機(jī)器人。

由于足式底盤的研發(fā)正處于起步階段，因此目前該結(jié)構(gòu)使用情況較少。在國內(nèi)，杭州宇樹科技有限公司設(shè)計了一款名為“Laikago”四足機(jī)器人，盡管其不是運用在救援領(lǐng)域，但隨著四足機(jī)器人的發(fā)展，足式底盤必將成為救援機(jī)器人底盤的首選。近年來，國內(nèi)在足式機(jī)器人領(lǐng)域也在努力向國外先進(jìn)水平看齊，目前國內(nèi)主要有山東大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)三家高校在專攻足式機(jī)器人。據(jù)了解，浙江大學(xué)有望在不久的將來發(fā)布其研究的四足機(jī)器人。

在救援方面，北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生楊聰撰寫題為 《地震輔助救援四足機(jī)器人性能評價研究及其軟件開發(fā)》的論文[3]，針對國內(nèi)目前出現(xiàn)的幾款足式機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行了性能優(yōu)劣對比，為四足機(jī)器人的發(fā)展提供了決策依據(jù)，并且作者還自主開發(fā)了一款四足機(jī)器人性能評價軟件，目的是為了記錄地震救援足式機(jī)器人的相關(guān)工作參數(shù)，為接下來的研發(fā)提供參考。

操作裝置

手臂式

手臂式機(jī)器人主要被用于模擬人類在救災(zāi)現(xiàn)場操作救援工具的動作。在操作諸如液壓擴(kuò)張鉗、鋼筋切斷器、水泥切割機(jī)等重型救援工具時，救援人員不但需要耗費大量精力及體力，而且很難做到精準(zhǔn)操控，容易對救援人員和受災(zāi)人員造成不必要的傷害。所以操作救援工具的任務(wù)現(xiàn)在多由機(jī)器人來承擔(dān)。一般的手臂式機(jī)器人會將救援工具集成到臂前端，由操作人員遠(yuǎn)程控制完成任務(wù)，這使得工具操控精準(zhǔn)度和整體工作效率都得到了大幅提高，并且發(fā)生意外的幾率得到有效降低。手臂式機(jī)器人是目前使用廣泛，在研究人員的不斷革新中也出現(xiàn)了很多其他類型的手臂式機(jī)器人，如多關(guān)節(jié)手臂救援機(jī)器人和伸縮手臂救援機(jī)器人等，這些新型手臂式機(jī)器人的出現(xiàn)為地震救援帶來了更多可能性，而且機(jī)械臂操作精度比過去更高，更適合在廢墟等惡劣環(huán)境下工作。

手臂式救援機(jī)器人一般比較常見，江蘇八達(dá)重工機(jī)械股份有限公司研制的雙動力雙臂手智能型救援工程機(jī)器人是目前國內(nèi)最為先進(jìn)的手臂式救援機(jī)器人[4][5]，機(jī)器人雙臂、雙臂手可協(xié)調(diào)作業(yè)，可實現(xiàn)剪切、破碎、切割、擴(kuò)張、抓取等多項功能，其完成任務(wù)效率較一般手臂式救援機(jī)器人而言更高，在救援時可實現(xiàn)多任務(wù)同時進(jìn)行，節(jié)約了救援時間。

頂撐式

地震頂撐救援機(jī)器人是目前比較新穎的研究課題，其為救援帶來的作用不容小覷，該機(jī)器人利用其攜帶的千斤頂或者液壓裝置進(jìn)入廢墟內(nèi)，拓展救援空間，進(jìn)行起縫或頂撐任務(wù)，為救援人員的進(jìn)入打通道路。地震頂撐救援機(jī)器人通常以輪式或履式底盤為載體，攜帶頂撐裝置進(jìn)入廢墟，可為被困人員送去必要的生存物資。由于頂撐機(jī)器人一般會攜帶千斤頂或液壓裝置，因此整體重量相對較大，使用起來較不方便，機(jī)動性較差。

在頂撐式機(jī)器人的研究中，可供查找的資料有限，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士研究生劉義祥和河北工程大學(xué)碩士研究生賀娜分別于2013年和2016年設(shè)計了頂撐救援機(jī)器人模型[6][7]。在救援機(jī)器人模型中，救援機(jī)器人與頂撐工具進(jìn)行了結(jié)合，通過人類操作，可以控制機(jī)器人在廢墟中執(zhí)行起縫任務(wù)，為被困人員打開生命通道。對于頂撐機(jī)器人的研究目前尚處于樣機(jī)試驗階段，國內(nèi)并沒有出現(xiàn)頂撐機(jī)器人在實際救援環(huán)境下使用的先例，故未來頂撐救援機(jī)器人將會具備廣闊的研發(fā)前景。

新穎結(jié)構(gòu)

在查閱文獻(xiàn)的過程中，筆者注意到，近些年有很多新穎的結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于地震救援機(jī)器人，其中包括大型機(jī)械變?yōu)榈卣鹁仍畽C(jī)器人的多功能發(fā)明、轉(zhuǎn)移廢墟中受災(zāi)群眾的機(jī)器人收納系統(tǒng)、液壓微控制系統(tǒng)以及輪履復(fù)合型機(jī)器人。這些硬件結(jié)構(gòu)大都是先前學(xué)者們研究的升級版，更好地適應(yīng)了當(dāng)今地震救援的需求。

北京工業(yè)大學(xué)研究的鉗剪抓一體多功能救援屬具以及開孔取芯一體破拆救援屬具[8][9]，最大限度地解決了城市地區(qū)震后救援場景中對多功能救援屬具的迫切需求，既實現(xiàn)了破碎、搬移廢墟的功能，又可以快速地與工程機(jī)械對接，讓通用大型工程機(jī)械在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)換為地震救援機(jī)械，用于地震救援。

地震救援機(jī)器人軟件部分

傳感器應(yīng)用

視覺傳感器——圖像識別技術(shù)

視覺傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用十分普遍，圖像識別技術(shù)主要基于視覺傳感器來實現(xiàn)。近年來，隨著人工智能技術(shù)（AI）和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)（AR）的興起，圖像識別技術(shù)得到了快速發(fā)展，圖像識別技術(shù)主要通過既有算法對畫面進(jìn)行分析，提取其中的有效信息。大部分地震救援機(jī)器人中，都加裝了視覺傳感器，以此來獲取救援現(xiàn)場的實時場景，然后通過計算機(jī)進(jìn)行圖象識別分析，由此判斷救援現(xiàn)場狀況，進(jìn)而操作機(jī)器人執(zhí)行救援任務(wù)。視覺傳感器帶來的優(yōu)勢在于可以讓救援人員清晰地了解到廢墟內(nèi)部的實時狀態(tài)，避免了只根據(jù)資料及外景圖片進(jìn)行分析而導(dǎo)致錯誤，并且由計算機(jī)輔助救援人員對救援現(xiàn)場復(fù)雜場景進(jìn)行分析，有效地避免了因人工分析導(dǎo)致的失誤。

2016年04期《傳感器與微系統(tǒng)》期刊中收錄了一篇名為《機(jī)器視覺的災(zāi)后救援機(jī)器人越障系統(tǒng)設(shè)計》的文章[10]。該研究團(tuán)隊使用VC++編程，并調(diào)用OpenCV庫對場景畫面進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，進(jìn)而到障礙物的數(shù)字圖像信息，同時將相關(guān)信息實時傳輸給操作人員，以便其可以及時對機(jī)器人的行進(jìn)路線進(jìn)行調(diào)整，避開障礙物，這樣可以使機(jī)器人在廢墟中的運動更加靈活，減少碰撞。

生命探測裝置

大多數(shù)救援機(jī)器人都會裝有生命探測裝置，該裝置種類很多，其中紅外、雷達(dá)和聲音傳感器使用最為廣泛，這些傳感器可以感應(yīng)廢墟內(nèi)生命體的位置，及時對受災(zāi)人員進(jìn)行定位，幫助救援人員制定營救計劃。每種傳感器都有其自身的限制，例如聲音傳感器會受探頭周圍輕微聲音（如：機(jī)器人移動或周圍人員走動的聲音）的干擾，從而導(dǎo)致判斷失誤。紅外傳感器耗電量較大，由于其需要實時監(jiān)測接收到的紅外熱信號，故其耗電量導(dǎo)致其不能長時間在廢墟中工作，影響搜救效率。

慣性測量單元（IMU）

IMU一般由三個單軸加速度計和三個單軸的陀螺組成，其自身有一個零設(shè)定值，此外還有三個軸：heading、pitch、roll。三個軸分別控制機(jī)器人的三個方向，當(dāng)其偏離零值，則會通過一系列調(diào)整進(jìn)行復(fù)原，達(dá)到自動復(fù)位的效果。

在地震救援機(jī)器人中，IMU的作用十分重要，可及時判定機(jī)器人所處的狀態(tài)，并做出有效調(diào)整。上文提到的足式機(jī)器人之所以可以在摔倒后自動復(fù)位，主要就是依靠IMU進(jìn)行姿態(tài)復(fù)原。履帶式機(jī)器人也需依靠IMU輔助工作，一旦履帶與地面夾角超過規(guī)定度數(shù)，則停止行進(jìn)，待恢復(fù)到安全范圍內(nèi)再繼續(xù)行動。所以IMU可以有效避免救援機(jī)器人在實際救援場景中，因摔倒或側(cè)翻而影響正常工作。

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

地震救援機(jī)器人需要進(jìn)入到廢墟中，因為進(jìn)入距離普遍較長，并且環(huán)境復(fù)雜，拖線操作必然不可取，所以機(jī)器人必須使用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，從而使救援人員可對其進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。目前，大多數(shù)機(jī)器人主要依靠無線收發(fā)裝置，實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。但該種方法局限性較大，一旦地形復(fù)雜，無線信號便會很難傳出廢墟，導(dǎo)致信號傳輸延遲或中斷，影響救援進(jìn)度。由于目前的傳輸方式比較單一，無法傳輸所有救援人員所需要的數(shù)據(jù)。

2016年2月，《制造業(yè)自動化》期刊上發(fā)表了一篇名為《救援機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)》[11]的文章，其通過基于LabVIEW的Web技術(shù)傳輸信息，使得機(jī)器人可以傳輸回大量有效信息。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)多在程序中有所突破，通過特定算法，使機(jī)器人的信息傳輸變得更加穩(wěn)定。

東南大學(xué)研究設(shè)計的“基于LoRa及MSP430的影音實時傳輸搜救機(jī)器人”[12]令人眼前一亮，用LoRa傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無線傳輸，可以有效增加傳輸穩(wěn)定性，并且在同等條件下傳輸距離更遠(yuǎn)，功耗更小。其設(shè)計的搜救機(jī)器人還搭載了TI-MP430單片機(jī)及5.8 GHz的無線圖傳模塊，使機(jī)器人可以長時間在廢墟中進(jìn)行工作，并快速傳回更加明確的信息。

定位系統(tǒng)

由于地震救援機(jī)器人在廢墟中的路線復(fù)雜多變，因此導(dǎo)航系統(tǒng)顯得尤為重要，導(dǎo)航系統(tǒng)包括地圖系統(tǒng)和路線指引系統(tǒng)。由于全球定位系統(tǒng)（GPS）和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）在小范圍（<10m）內(nèi)的定位還不足夠精確，所以深入廢墟的救援機(jī)器人需要擁有獨立的定位方式，幫助其在廢墟中順利行進(jìn)。

關(guān)于救援機(jī)器人定位系統(tǒng)的最新技術(shù)刊載在2018年2月的《物聯(lián)網(wǎng)學(xué)報》中，其中名為《霧計算賦能機(jī)器人同步定位與地圖構(gòu)建》的文章介紹了機(jī)器人定位的新方式——霧計算[13]。這是救援機(jī)器人定位系統(tǒng)的創(chuàng)新，其巧妙運用霧計算構(gòu)建救援時的地圖，指引機(jī)器人更準(zhǔn)確、更快捷地到達(dá)事故地點。

蘭州理工大學(xué)碩士研究生魏豪左研究了視覺SLAM（即時定位與地圖創(chuàng)建，Simultaneous Localization and Mapping）[14]，機(jī)器人在室內(nèi)運行過程中，利用Kinect傳感器采集室內(nèi)場景的彩色圖和深度圖，隨后在控制系統(tǒng)中進(jìn)行處理，使用SIFT算法與GTM算法尋找匹配點，剔除錯誤匹配點。同時結(jié)合場景深度信息來指導(dǎo)ICP算法對三維點云進(jìn)行幀間配準(zhǔn)，求取出相鄰兩幀的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，最后依據(jù)這兩個矩陣將機(jī)器人運行時獲得的圖像序列拼接成三維地圖，從而創(chuàng)建出比較詳實的室內(nèi)環(huán)境三維地圖。這樣的技術(shù)若可以應(yīng)用在目前實際救援使用機(jī)器人當(dāng)中，必將使救援水平產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

軟件及傳感器是未來研究重點

雖然現(xiàn)在地震救援機(jī)器人的發(fā)展到達(dá)了一個新的水平，但其在真正救援中的使用仍相對較少。我國地震多發(fā)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平一般相對落后，因此難以在短期內(nèi)引入先進(jìn)的救援設(shè)備，并且使用機(jī)器人還需要經(jīng)過專業(yè)的知識的培訓(xùn)，這些都使得地震救援機(jī)器人在短期內(nèi)難以快速普及。

近年來，我國逐漸支持地震多發(fā)區(qū)引進(jìn)相對成熟的地震救援機(jī)器人，并派相關(guān)專家赴地震多發(fā)地區(qū)（如：四川、新疆等）進(jìn)行宣傳與推廣，使得地震救援機(jī)器人能夠在地震來臨時發(fā)揮重要作用。

未來，軟件及傳感器是學(xué)者們應(yīng)該重點研究的方向，因為對于地震救援機(jī)器人而言，硬件的創(chuàng)新更多是在前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行提升、整合，而軟件部分則有著很大的發(fā)展空間，軟件的提升會讓機(jī)器人變得更加靈活，令人類更易操作，進(jìn)而使機(jī)器人的工作效率得到更大提高。

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