于振中， 蔡楷倜， 劉 偉， 鄭為湊

(江南大學(xué)輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫214122)

近年來(lái)世界范圍內(nèi)的自然災(zāi)害、人為災(zāi)難頻發(fā)，威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，引起了全世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。雖然人們對(duì)災(zāi)難的警覺(jué)和反應(yīng)能力有所提高，但是災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)通常環(huán)境復(fù)雜，很多人往往死于不及時(shí)的救援，如果救援人員貿(mào)然進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施救援，極易造成新的傷亡。所以災(zāi)難發(fā)生后第一時(shí)間若能獲取現(xiàn)場(chǎng)情況、探明幸存者所在位置，對(duì)于之后實(shí)施進(jìn)一步救援工作和減少人員傷亡具有重要的意義。

根據(jù)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間，救援可以分為災(zāi)前救援、災(zāi)時(shí)救援和災(zāi)后救援3個(gè)階段。每個(gè)階段的救援都面臨著環(huán)境的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性。例如地震后的建筑物容易發(fā)生二次倒塌，救援人員無(wú)法深入進(jìn)行偵查或救援。此時(shí)，救援機(jī)器人的參與可以起到非常重要的作用，能夠有效地提高救援工作的效率和減少人員的傷亡［1］。

1 救援機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越重視。機(jī)器人技術(shù)被認(rèn)為是對(duì)未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義的高技術(shù)之一。國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界對(duì)機(jī)器人技術(shù)引領(lǐng)未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展寄予厚望，機(jī)器人技術(shù)也是未來(lái)高技術(shù)、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)之一，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)具有重要意義［2］。

在20世紀(jì)80年代以前就有人開(kāi)始從事將機(jī)器人應(yīng)用于災(zāi)害搜救工作的理論研究。1995年發(fā)生的日本神戶、大阪的大地震及其之后發(fā)生在美國(guó)俄克拉荷馬州的阿爾弗德聯(lián)邦大樓爆炸案揭開(kāi)了救援機(jī)器人技術(shù)研究的序幕。機(jī)器人在“9·11”事件中的成功應(yīng)用，引起了對(duì)救援機(jī)器人的研究熱潮。近年來(lái)，世界各國(guó)從安全戰(zhàn)略的角度在研究救援機(jī)器人系統(tǒng)上投入大量精力，救援機(jī)器人也從理論和實(shí)驗(yàn)研究階段向?qū)嵱没较虬l(fā)展，在突發(fā)事件的救援任務(wù)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

1．1 救援機(jī)器人構(gòu)架

救援機(jī)器人的構(gòu)架通常包括運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和延伸機(jī)構(gòu)兩個(gè)方面。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主要是各類運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，延伸機(jī)構(gòu)主要是以機(jī)械臂為主的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。救援機(jī)器人典型的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要有輪式［3-4］、腿式［5-6］、履帶式和蛇形結(jié)構(gòu)［7］等。輪式機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、移動(dòng)平穩(wěn)且機(jī)械效率高，但是通過(guò)壕溝、臺(tái)階等障礙物的能力差;腿式機(jī)器人相比輪式機(jī)器人的地形適應(yīng)能力更強(qiáng)，能夠適應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，但是它的移動(dòng)速度慢、控制難度大且機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜［8］;蛇形結(jié)構(gòu)的機(jī)器人是通過(guò)模仿生物蛇進(jìn)行移動(dòng)，其穩(wěn)定性好、橫截面積小，能在各種復(fù)雜的地形上行走，但是蛇形機(jī)器人過(guò)多的關(guān)節(jié)和自由度提高了機(jī)器人建模和控制的復(fù)雜程度。與以上幾種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人相比，履帶式機(jī)器人具有更多突出的優(yōu)點(diǎn):履帶式機(jī)器人的支撐面積大，接地比壓小，適合于松軟或泥濘場(chǎng)地作業(yè)，且越野機(jī)動(dòng)性能好;其轉(zhuǎn)向半徑小，可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向;履帶支撐面有履齒，不易打滑，無(wú)論是在陸地還是在水中都可以發(fā)揮出較大的牽引力;帶有子履帶的機(jī)器人還可以像腿式機(jī)器人一樣實(shí)現(xiàn)行走［9-10］。因此履帶式機(jī)器人是目前在救援機(jī)器人上廣泛采用的一種結(jié)構(gòu)，且履帶式機(jī)器人技術(shù)較為成熟。

國(guó)外已研制的典型的履帶式救援機(jī)器人如圖1所示。圖1(a)為iRobot公司生產(chǎn)的商用機(jī)器人Packbot，“Packbot”意指“背包機(jī)器人”。該機(jī)器人除了具有兩個(gè)主履帶輪之外，還具有兩個(gè)子履帶輪，增強(qiáng)了機(jī)器人的攀爬能力。其上配備了可折疊的操作臂，這是目前比較經(jīng)典的履帶式救援機(jī)器人機(jī)構(gòu)形式［11-12］。它的底盤(pán)裝有GPS、電子指南針和溫度探測(cè)儀，設(shè)計(jì)成方形的頭部由一個(gè)相機(jī)、紅外感應(yīng)器和攝像頭組成，可以隨時(shí)觀察周圍的環(huán)境。Packbot機(jī)器人可以用于確認(rèn)并拆除路邊的炸彈以及其他危險(xiǎn)裝置，它同樣可以用于執(zhí)行其他任務(wù)，包括救援和偵察等。它十分堅(jiān)固，即使從1．8 m的高度摔在硬質(zhì)混凝土地面也能毫發(fā)無(wú)損。該機(jī)器人采用的Aware2．0版機(jī)器人智能軟件，允許機(jī)器人自主操作，從而降低操作人員的工作負(fù)荷，提高態(tài)勢(shì)感知能力。該款機(jī)器人是目前世界上經(jīng)過(guò)戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境測(cè)試的最成功的機(jī)器人之一。圖1(b)也是iRobot公司的一款機(jī)器人，該機(jī)器人體積小、質(zhì)量輕，能夠在狹小的空間執(zhí)行持久的監(jiān)視和調(diào)查任務(wù)。它抗摔性能強(qiáng)，可以從4．6 m高處摔落至水泥地?zé)o任何損傷，潛水深度可達(dá)0．91 m;該機(jī)器人還內(nèi)置4個(gè)攝像頭和雙向音頻通信，它的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)和通信技術(shù)可以為救援現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境偵察提供有力的幫助。

圖1(c)是美國(guó)Vecna Robotics公司研制的戰(zhàn)場(chǎng)救援機(jī)器人BEAR(Battlefield Extraction Assist Robot)。該機(jī)器人采用類人的外形，有兩個(gè)可活動(dòng)的手臂，采用履帶和輪子作為移動(dòng)平臺(tái)可使其快速靈活移動(dòng)。該款機(jī)器人可以適應(yīng)不同地形，在崎嶇路面，它可以采用“跪姿”，通過(guò)履帶平穩(wěn)行進(jìn)，到了平坦地面，則可轉(zhuǎn)換成輪式快速前行。它還可以利用腿部的兩個(gè)獨(dú)立踏板完成各種特殊的動(dòng)作，依靠膝蓋、臀部或足部的運(yùn)動(dòng)來(lái)改變身體高度。該機(jī)器人的液壓手臂可抬起227 kg的重物長(zhǎng)達(dá)1 h，其機(jī)械手則可以完成精細(xì)的任務(wù)，如進(jìn)行緊急止血等手術(shù)作業(yè)。目前對(duì)BEAR機(jī)器人的操作還是采用遠(yuǎn)程控制，軍隊(duì)的工程師希望最終可以使用激光、雷達(dá)和聲吶等傳感器讓機(jī)器人具備感知和應(yīng)對(duì)周圍環(huán)境的能力。

圖1(d)為日本千葉工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的小型機(jī)器人Quince，它的體積只有玩具車大小，配備4套滾輪、踏板設(shè)備以及6個(gè)電機(jī)。該款機(jī)器人的機(jī)械手十分靈活，可以打開(kāi)門(mén)把手，也可以運(yùn)送食物或其他補(bǔ)給品。該機(jī)器人上還配有紅外感應(yīng)器和二氧化碳探測(cè)器，可以用來(lái)檢測(cè)人體呼吸和體溫情況，適合用于救援現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行搜救工作。在日本福島核電站發(fā)生核泄漏事故后，“Quince”機(jī)器人作為日本國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的唯一救援機(jī)器人進(jìn)入了核反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)部進(jìn)行輻射檢測(cè)和拍攝照片。

目前國(guó)內(nèi)許多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)也對(duì)救援機(jī)器人展開(kāi)了相關(guān)研究。圖2(a)所示的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的子母式煤礦救援機(jī)器人系統(tǒng)，母機(jī)器人采用單節(jié)履帶式結(jié)構(gòu)，具有4個(gè)主動(dòng)擺腿。子機(jī)器人為4節(jié)4面履帶式機(jī)器人，子機(jī)器人采用蛇形結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元用八條窄履帶包覆在周圍，由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，既減小機(jī)器人的質(zhì)量和尺寸，又簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。子機(jī)器人的頭部單元還安裝有攝像頭、照明燈、超聲傳感器和各種氣體傳感器，可以探測(cè)周圍環(huán)境并將信息傳回控制中心［13］。還可采用一種未知環(huán)境下基于可視切線圖的新型路徑規(guī)劃方法，使機(jī)器人具有較好的環(huán)境適應(yīng)能力，滿足其在未知環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)要求。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)針對(duì)煤礦救援機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)展開(kāi)了許多研究，圖2(b)是其研制的一類履帶式救援機(jī)器人。該機(jī)器人裝備有低照度攝像機(jī)、氣體傳感器和溫度計(jì)等設(shè)備，能夠探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，實(shí)時(shí)傳回現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯、CO、粉塵濃度以及現(xiàn)場(chǎng)圖像等信息;還具有雙向語(yǔ)音對(duì)講功能，能夠使救災(zāi)人員和受害者進(jìn)行快速聯(lián)絡(luò)，對(duì)受困人員進(jìn)行正確指揮;同時(shí)可以攜帶食品、水、藥品、救護(hù)工具等物資進(jìn)入救援現(xiàn)場(chǎng)。圖2(c)、(d)分別為中國(guó)航天科工集團(tuán)第四研究院探測(cè)與控制技術(shù)研究所研制的雪豹20和“排爆奇兵”排爆機(jī)器人。雪豹20的履帶式結(jié)構(gòu)使其具有很好的越野性能，能夠適應(yīng)草原、戈壁、碎石等多種地形環(huán)境，同時(shí)它的手臂關(guān)節(jié)有4個(gè)自由度，操作更加簡(jiǎn)單靈活。并且采用模塊化設(shè)計(jì)，手臂等關(guān)鍵部件可以迅速更換，還可以根據(jù)要求安裝作業(yè)器械或輔助工具，它的遙控終端人機(jī)界面友好，操控方便，降低了救援人員的操作難度。

圖1 國(guó)外典型的履帶式救援機(jī)器人Fig．1 Foreign typical crawler-type rescue robot

“排爆奇兵”機(jī)器人同樣也采用履帶式結(jié)構(gòu)，使其能適應(yīng)野外惡劣環(huán)境，三段履帶的設(shè)計(jì)可以讓機(jī)器人平穩(wěn)地上下樓梯，跨越0．45 m高的障礙，實(shí)現(xiàn)全方位行走，具備較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力。它的操作臂同樣可以靈活應(yīng)用，通過(guò)更換專用手爪可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形狀目標(biāo)的抓取，還能抓取20 kg的可疑物。它可以代替排爆人員搬運(yùn)、轉(zhuǎn)移爆炸可疑物品和其他危險(xiǎn)品;也可以放置帶線引爆裝置，代替排爆人員處置或銷毀爆炸物，避免不必要的人員傷亡;還可以代替安檢人員勘測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)時(shí)傳輸現(xiàn)場(chǎng)圖像。

縱觀國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者在機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的研究現(xiàn)狀，傳統(tǒng)的履帶式或可變形履帶式移動(dòng)平臺(tái)仍然是救援機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的最佳選擇。

1．2 救援機(jī)器人地形自適應(yīng)技術(shù)

為了提高機(jī)器人對(duì)復(fù)雜地形的自適應(yīng)能力，通常采用增加自由度的方法，但是這樣也增加了操作人員的操作負(fù)擔(dān)。一個(gè)有效的方法是提高機(jī)器人的自主性，使其根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形信息可以自主地做出一些決策，從而減輕操作者的工作負(fù)擔(dān)。

首先機(jī)器人要獲取周圍環(huán)境信息，機(jī)器人通常是將各類傳感器對(duì)環(huán)境的感知轉(zhuǎn)化成自身對(duì)環(huán)境的認(rèn)知，從中獲取位置和環(huán)境信息，從而服務(wù)于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航。機(jī)器人對(duì)識(shí)別周圍環(huán)境所采用的傳感器通常有基于激光、超聲波的有源測(cè)距傳感器和基于視覺(jué)的傳感器。有源測(cè)距傳感器是當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)中最流行的傳感器，它能直接測(cè)量機(jī)器人到鄰近物體的距離，可以很好地識(shí)別出障礙并完成避障。并由測(cè)距傳感器提供的局部信息通過(guò)算法轉(zhuǎn)換到機(jī)器人的全局坐標(biāo)中，完成環(huán)境的全局定位。采用視覺(jué)傳感器則可以彌補(bǔ)激光測(cè)距等傳感器在景象提取、障礙物檢測(cè)、目標(biāo)識(shí)別等方面的不足［14］。

圖2 國(guó)內(nèi)典型的履帶式救援機(jī)器人Fig．2 Domestic typical crawler-type rescue robot

目前在地形信息的自主控制算法中，以基于多個(gè)雷達(dá)傳感器對(duì)地形切片然后重建三維地形、采用3D圖像傳感器建立三維模型和多傳感器信息集成為主。但是，雷達(dá)傳感器和3D圖像傳感器價(jià)格昂貴，多傳感器信息集成算法復(fù)雜，且雷達(dá)傳感器建立的地形信息缺乏真實(shí)度，限制了該方法的普及。2009年微軟發(fā)布了Kinect傳感器［15］，這是一款廉價(jià)的RGB-D相機(jī)，通過(guò)內(nèi)置的CMOS紅外攝像機(jī)，無(wú)論周圍環(huán)境的光照條件如何，都可以以30幀/s的速度生成景深圖像流，實(shí)時(shí)再現(xiàn)周圍環(huán)境。使用Kinect傳感器可以實(shí)時(shí)建立機(jī)器人所到之處的三維地圖，能夠確定幸存者所在的空間位置并反饋給操作端，為實(shí)施進(jìn)一步救援提供重要的參考。目前Smisek等研究人員已經(jīng)對(duì)基于Kinect的實(shí)時(shí)3D建模和目標(biāo)定位方法進(jìn)行了諸多研究［16-18］。到目前為止，Kinect尚屬于新生事物，從技術(shù)和算法上還不夠成熟，需要進(jìn)一步研究。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在機(jī)器人復(fù)雜地形自適應(yīng)技術(shù)上進(jìn)行了很多研究。Okada等人所研究的是建立一個(gè)共享控制的救援機(jī)器人遙感操作系統(tǒng)，為了提高機(jī)器人的自主性，該系統(tǒng)基于3支激光雷達(dá)傳感器，采用實(shí)時(shí)地形切片方式建立地形實(shí)時(shí)三維模型信息，從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析經(jīng)典擺腿式履帶機(jī)器人適應(yīng)地形的原理，基于以上信息采用模糊算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主翻越復(fù)雜地形任務(wù)，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其通過(guò)崎嶇地形的能力［19］。Mourikis等人針對(duì)履帶式機(jī)器人自主攀爬樓梯的任務(wù)，提出基于樓梯邊緣實(shí)時(shí)估計(jì)的機(jī)器人地形自適應(yīng)方法。該方法采用視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別樓梯，并采用卡爾曼濾波器估計(jì)機(jī)器人頭部姿態(tài)。但是該算法沒(méi)有考慮機(jī)器人車輪滑移、估計(jì)誤差等造成的運(yùn)動(dòng)誤差，有可能導(dǎo)致任務(wù)失?。?0］。Al-Milli等人所研究的是從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度預(yù)測(cè)履帶和地面的接觸力，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)自主控制器，但僅限于履帶與軟地形的接觸。此外，輪地摩擦、輪地接觸強(qiáng)度等信息無(wú)法直接測(cè)量，因此該方法有待進(jìn)一步改進(jìn)［21］。

Chonnaparamutt等人針對(duì)結(jié)構(gòu)可變的移動(dòng)機(jī)器人，利用模糊控制器對(duì)機(jī)器人攀爬樓梯的環(huán)境進(jìn)行仿真，分別為主履帶輪和子履帶輪建立了兩個(gè)不同的自主控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全自主探索任務(wù)。兩個(gè)控制器均基于模糊算法:一個(gè)控制器根據(jù)機(jī)器人的重心位置控制機(jī)器人的主履帶輪;另一個(gè)控制器根據(jù)機(jī)器人的角度控制機(jī)器人的子履帶輪，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)［22］。

國(guó)內(nèi)也有許多學(xué)者在進(jìn)行這方面的研究。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研究了全地形移動(dòng)機(jī)器人在不平坦地形中輪-地幾何接觸角的實(shí)時(shí)估計(jì)問(wèn)題，全地形移動(dòng)機(jī)器人的精確控制是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，與一般平坦地形下的移動(dòng)機(jī)器人有很大差異，地形復(fù)雜性所帶來(lái)的影響是不可忽略的。該方法的實(shí)現(xiàn)為移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的精確計(jì)算和自主導(dǎo)航控制奠定了基礎(chǔ)［23］。東南大學(xué)王建等人以檢測(cè)機(jī)器人自身姿態(tài)而非環(huán)境尺寸作為越障控制的基本依據(jù)，設(shè)計(jì)了多關(guān)節(jié)履帶機(jī)器人的各種自主越障控制方法。首先以姿態(tài)航向參考系統(tǒng)測(cè)得機(jī)器人的姿態(tài)作為重要反饋量，采用穩(wěn)定錐方法實(shí)時(shí)判定機(jī)器人越障過(guò)程中的傾翻穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上以機(jī)器人姿態(tài)為反饋，并結(jié)合機(jī)器人關(guān)節(jié)位置和驅(qū)動(dòng)電流，設(shè)計(jì)了典型障礙下的自主越障控制動(dòng)作規(guī)劃，實(shí)際環(huán)境測(cè)試的結(jié)果表明該方法具有對(duì)障礙物具體尺寸依賴性小、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)［24］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王偉東等人提出的基于質(zhì)心坐標(biāo)公式和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過(guò)此模型獲取機(jī)器人在越障過(guò)程中質(zhì)心變化的情況，從而分析機(jī)器人越障性能，自主規(guī)劃?rùn)C(jī)器人越障動(dòng)作。并且建立穩(wěn)定裕度角及俯仰角度與障礙物高度關(guān)系的求解方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基于最大裕度的越障動(dòng)作規(guī)劃［25］。

救援機(jī)器人對(duì)復(fù)雜地形的自適應(yīng)能力始終是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，一個(gè)實(shí)用可靠的控制算法需要許多人進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，相信通過(guò)國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的研究，將會(huì)不斷提升救援機(jī)器人的性能。

2 救援機(jī)器人研究的方向

自“9·11”以來(lái)，救援機(jī)器人的研究迅猛發(fā)展，解決了一系列困擾救援機(jī)器人發(fā)展的難題，機(jī)器人逐漸由半自主向全自主方向發(fā)展。當(dāng)前救援機(jī)器人的研究熱點(diǎn)主要有優(yōu)化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、提高救援機(jī)器人的智能化程度和群體機(jī)器人的研究等。

2．1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和復(fù)雜地形的要求，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)已不能滿足于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，需要有一定改進(jìn)。如自適應(yīng)腿式機(jī)器人［26］，通過(guò)冗余的機(jī)械設(shè)計(jì)和控制算法，即使部分腿結(jié)構(gòu)失效，仍然可以執(zhí)行動(dòng)作，完成任務(wù)。目前應(yīng)用較為成熟的腿式機(jī)器人有美國(guó)波士頓動(dòng)力學(xué)工程公司(Boston Dynamics)專門(mén)為美國(guó)軍隊(duì)研制的機(jī)器狗(Bigdog)，它可以替士兵背負(fù)幾百磅重的工具，其4條強(qiáng)壯的機(jī)械腿能讓它保持很好的穩(wěn)定性，并且它的頭部裝有攝像頭和激光掃描儀，能為災(zāi)難救援工作提供強(qiáng)有力的幫助。同時(shí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)也不再只涉及某種單一的運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以融合各類運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種綜合的機(jī)械結(jié)構(gòu)。如輪履復(fù)合機(jī)器人［27］，采用變體輪技術(shù)，使機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)可以在輪式和履帶式之間進(jìn)行切換，以適應(yīng)不同地形，提高了地形適應(yīng)能力。還有輪腿混合［28］、輪臂混合［29］等結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。但是過(guò)于復(fù)雜的機(jī)器人結(jié)構(gòu)會(huì)增加救援人員在現(xiàn)場(chǎng)的操作負(fù)擔(dān)，反而可能影響救援效果。

可以看出，救援機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，不僅影響到救援現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)效果，還關(guān)系到之后對(duì)其進(jìn)行控制的難易程度。因此研究兼具地形適應(yīng)能力和操作能力或者二者相互增強(qiáng)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型，是救援機(jī)器人系統(tǒng)重要的研究發(fā)展方向。

2．2 機(jī)器人智能化

當(dāng)前救援機(jī)器人的人工智能水平低下，機(jī)器人在復(fù)雜地形環(huán)境下很難完全自主地完成救援任務(wù)。目前主要還是依靠人工操作的方式操控機(jī)器人進(jìn)行救援任務(wù)。操作者負(fù)擔(dān)較重，救援效率較低。隨著傳感器技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，采用人機(jī)智能結(jié)合的共享控制的遙感操作控制方式能較大程度上提高系統(tǒng)的救援效率。在共享控制系統(tǒng)中，提高機(jī)器人的智能化程度始終是該類系統(tǒng)研究的重要方向。救援現(xiàn)場(chǎng)地形環(huán)境復(fù)雜，如果機(jī)器人能夠自主穿越復(fù)雜地形，如自主爬樓梯、越過(guò)不規(guī)則障礙物等，操作者只需要進(jìn)行有限的高級(jí)決策，將會(huì)大大降低操作者的工作負(fù)擔(dān)。

在提高機(jī)器人智能化方面，實(shí)用的傳感器技術(shù)和智能控制算法同等重要。基于激光雷達(dá)或3D深度圖像傳感器的控制方法算法復(fù)雜，實(shí)時(shí)性差，硬件成本昂貴。微軟公司研發(fā)的Kinect傳感器能彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)備的一些缺點(diǎn)但其控制技術(shù)還不夠成熟。提高救援機(jī)器人的智能化程度始終是一個(gè)重要的研究發(fā)展方向。

2．3 群體機(jī)器人

隨著機(jī)器人的應(yīng)用方式由部件式單元應(yīng)用向系統(tǒng)式應(yīng)用方向發(fā)展，群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究也受到了許多學(xué)者的關(guān)注。群體機(jī)器人相比單機(jī)器人具有更優(yōu)越的性能:相互協(xié)調(diào)的n個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的能力可以遠(yuǎn)大于單個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的n倍，群體機(jī)器人還可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù);使用群體機(jī)器人可以大大節(jié)約時(shí)間，提高效率;群體機(jī)器人系統(tǒng)的平行性和冗余性可以提高系統(tǒng)的柔性和魯棒性［30-31］。一旦發(fā)生自然災(zāi)害，受災(zāi)的面積通常很大，如果將群體救援機(jī)器人應(yīng)用于救援工作中，將會(huì)發(fā)揮出比單個(gè)機(jī)器人更好的搜救效果

群體機(jī)器人的研究也是機(jī)器人技術(shù)中的一個(gè)共性技術(shù)，很多研究人員從人類社會(huì)以及其他動(dòng)物的社會(huì)性、組織性得到靈感，進(jìn)行群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究［32］。

3 結(jié)語(yǔ)

防災(zāi)、減災(zāi)和救災(zāi)是每個(gè)國(guó)家公共安全的重要組成部分。在面對(duì)危險(xiǎn)惡劣的救援現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，救援機(jī)器人可以代替、協(xié)助救援人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行作業(yè)。救援機(jī)器人不僅可以應(yīng)用于災(zāi)害救援、消防、公安等領(lǐng)域，同時(shí)在國(guó)防、軍事等方面也有良好的應(yīng)用前景。救援機(jī)器人的研發(fā)具有深遠(yuǎn)的影響和現(xiàn)實(shí)意義，目前救援機(jī)器人技術(shù)還有許多關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題尚待解決。救援機(jī)器人技術(shù)是國(guó)家發(fā)展迫切需要的核心技術(shù)之一，將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全中起著重要作用和重大戰(zhàn)略意義。

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