摘要：本文設(shè)計(jì)制作了一種利用外骨骼傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程體感控制的新型消防機(jī)器人，就體感控制消防機(jī)器人在應(yīng)急救援中的應(yīng)用進(jìn)行探討，進(jìn)一步為“機(jī)器人換人”，最大限度減少一線作戰(zhàn)官兵傷亡提供理論支持。

關(guān)鍵詞：消防機(jī)器人體感控制

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，建筑和企業(yè)生產(chǎn)的特殊性，導(dǎo)致危險(xiǎn)化學(xué)品、放射性物質(zhì)泄漏、隧道火災(zāi)、礦難等處置難度極大，危險(xiǎn)性極高的事故時(shí)有發(fā)生。根據(jù)《中國(guó)消防年鑒2014》統(tǒng)計(jì)得出，2000年以來，全國(guó)發(fā)生火災(zāi)169萬起，在應(yīng)急救援一線上犧牲的消防員達(dá)200余名，700余名消防員傷殘。在大型災(zāi)害面前，尤其是在有二次爆炸、坍塌等潛在危險(xiǎn)的場(chǎng)合，單靠人類血肉之軀滅火和救援，力量十分薄弱，還可能在救援過程中造成二次傷亡，“火場(chǎng)換人”需求與日俱增。各消防部隊(duì)現(xiàn)已陸續(xù)配備消防機(jī)器人到應(yīng)急救援一線，但消防機(jī)器人真正參與滅火救援的次數(shù)卻很少，實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用程度遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期值，現(xiàn)有消防機(jī)器人主要存在性能單一、價(jià)格奇高等問題，各類救災(zāi)機(jī)器人功能還不完善，多數(shù)為一個(gè)履帶底盤加攝像頭、排煙機(jī)、水炮等構(gòu)成的履帶車，只能完成整個(gè)消防救災(zāi)過程中的某一環(huán)節(jié)，體積龐大，運(yùn)輸存在一定困難。

為解決這一問題，使消防機(jī)器人方便投入實(shí)戰(zhàn)，美國(guó)波士頓動(dòng)力公司和海軍研究室（NRL）、日本本田公司分別研究出了可以用于消防各環(huán)節(jié)的智能人形機(jī)器人Atlas、SAFFiR和E2-DR，這三款機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)直立行走、翻越障礙物、爬梯、操作復(fù)雜器材等功能，基本可以代替人類使用。

以上機(jī)器人都是利用程序控制和傳感器反饋的智能機(jī)器人，價(jià)格及為昂貴，編程和調(diào)試需要較高專業(yè)知識(shí)，本文基于中國(guó)消防實(shí)際提出一種較為廉價(jià)的人形體感控制多用途消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)，消防員通過穿戴采集動(dòng)作用的外骨骼，可以實(shí)現(xiàn)體感控制，加上VR頭盔傳輸圖像，使消防員能身臨其境地控制機(jī)器人進(jìn)入危險(xiǎn)場(chǎng)合，如同控制自己手腳一般控制機(jī)器人進(jìn)行災(zāi)害處置，人形設(shè)計(jì)一方面方便于利用現(xiàn)有器材裝備，使用現(xiàn)有操法和戰(zhàn)斗編程，另一方面無論哪里發(fā)生嚴(yán)重事故，滅火救援專家都可遠(yuǎn)程控制進(jìn)行第一時(shí)間處置。

一、體感控制消防機(jī)器人設(shè)計(jì)過程

因制作人體大小、具有較強(qiáng)負(fù)載能力且精度較高的機(jī)器人需要諧波舵機(jī)等昂貴部件，筆者僅利用普通數(shù)字舵機(jī)制作1/3大小模型進(jìn)行演示說明。機(jī)器人上體為人形，具有雙手及頭部攝像頭，共有21個(gè)自由度（即關(guān)節(jié)數(shù)），下體若采用雙腳設(shè)計(jì)步態(tài)平衡控制存在較多困難，故下體暫采用履帶底盤。完成整體如圖1所示。

（一）軀干設(shè)計(jì)

機(jī)器人軀干利用不銹鋼制作，設(shè)置較多孔洞以便于排線及減輕重量，頂部和底部設(shè)置舵盤接口，便于在底盤上安裝可供腰部轉(zhuǎn)動(dòng)的舵機(jī)。

（二）手臂設(shè)計(jì)

雙手采用扭矩20kg/cm舵機(jī)作為動(dòng)力單元，每只手有9個(gè)自由度，包括手臂4個(gè)自由度和手指5個(gè)自由度，可以完成大臂轉(zhuǎn)動(dòng)、抬起；小臂抬起、旋轉(zhuǎn)；手腕旋轉(zhuǎn)和每個(gè)手指單獨(dú)抓握動(dòng)作。

（三）頭部設(shè)計(jì)

頭部采用ArkbirdFPV頭部追蹤器和視頻圖傳，機(jī)器人頭部攝像頭有兩個(gè)自由度，圖像信息通過圖傳發(fā)送到VR視頻眼鏡上，VR眼鏡上帶有陀螺儀傳感器，可以隨時(shí)檢測(cè)操作者頭部姿態(tài)，操作者帶上VR視頻眼鏡，機(jī)器人攝像頭即可同步跟隨操作者頭部轉(zhuǎn)動(dòng)，看向操作者頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。如圖2，從側(cè)視圖和頂視圖進(jìn)行演示，攝像頭跟隨VR眼鏡運(yùn)動(dòng)，VR眼鏡運(yùn)動(dòng)軌跡為紅色箭頭，頭部攝像頭運(yùn)動(dòng)軌跡為藍(lán)色箭頭。

（四）外骨骼手臂動(dòng)作采集器

用于采集操作者身體動(dòng)作的傳感器為3D打印外骨骼，外骨骼共有8個(gè)關(guān)節(jié)，分別對(duì)應(yīng)機(jī)器人兩手臂的8個(gè)自由度，外骨骼關(guān)節(jié)處利用磁位器做位置傳感器，操作者運(yùn)動(dòng)手臂可使磁位器轉(zhuǎn)動(dòng)，磁位器將位置信號(hào)通過藍(lán)牙模塊無線傳輸?shù)綑C(jī)器人的舵機(jī)控制板，控制對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的舵機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)到和操作者關(guān)節(jié)相同的角度。

（五）數(shù)據(jù)手套手指動(dòng)作采集器

用于采集操作者手掌動(dòng)作的傳感器為數(shù)據(jù)手套，手套里手指部位貼有彎曲度傳感器，彎曲度傳感器由應(yīng)變片加工而成，根據(jù)手指的彎曲，使得傳感器發(fā)生形變，傳感器的阻值會(huì)發(fā)生變化，且阻值的變化和手指的彎曲程度呈正相關(guān)關(guān)系，利用CPU檢測(cè)傳感器阻值的變化，從而可得到手指彎曲情況的信號(hào)，將此信號(hào)傳遞給機(jī)器人手部舵機(jī)控制板，機(jī)器人手指即可跟隨操作者手指運(yùn)動(dòng)。數(shù)據(jù)手套背部還貼有陀螺儀傳感器，可檢測(cè)操作者手掌位置，使機(jī)器人手腕同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

（六）控制實(shí)驗(yàn)

據(jù)實(shí)驗(yàn)（圖4、5、6），本文所制作體感消防機(jī)器人模型具有一定越障能力，在50米范圍內(nèi)控制，機(jī)器人頭部及手臂可跟隨操作者同步運(yùn)動(dòng)，操作者可控制機(jī)器人完成一些復(fù)雜動(dòng)作，機(jī)器人模型的手臂末端負(fù)載約0.7kg。

二、體感遠(yuǎn)程控制機(jī)器人應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（一）操作簡(jiǎn)單

機(jī)器人使用遠(yuǎn)程體感控制，操作者只需按平時(shí)訓(xùn)練如同自己進(jìn)入火場(chǎng)一樣進(jìn)行控制，利用現(xiàn)有戰(zhàn)斗編程將機(jī)器人投入滅火救援戰(zhàn)斗即可，可以使操作者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)，達(dá)到減少傷亡目的。

（二）通用性高

由于是人形外型，機(jī)器人可作為一個(gè)萬能裝備平臺(tái)使用各類現(xiàn)有器材裝備，使得機(jī)器人可以用于滅火救援各個(gè)環(huán)節(jié)，克服傳統(tǒng)消防機(jī)器人只能用于排煙、偵查、出水等單個(gè)環(huán)節(jié)的不足。

（三）專家遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)第一時(shí)間處置

如同醫(yī)用手術(shù)機(jī)器人一般，在地球一端的專家可以操作地球另一端的醫(yī)用機(jī)器人為患者做手術(shù)。體感控制機(jī)器人一樣可以實(shí)現(xiàn)類似的主-仆式遠(yuǎn)距離操作模式，在各?；穯挝缓椭攸c(diǎn)單位配備一定量體感機(jī)器人，當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，遠(yuǎn)在他鄉(xiāng)的滅火救援專家可第一時(shí)間穿戴外骨骼控制器接入控制事故單位的體感機(jī)器人進(jìn)行災(zāi)害處置，免去乘飛機(jī)到現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)工作的時(shí)間。同樣，未受過專業(yè)消防訓(xùn)練，沒有應(yīng)急避險(xiǎn)能力的事故單位技術(shù)人員，也可遠(yuǎn)程控制體感機(jī)器人進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)協(xié)助處置，可使技術(shù)人員免受生命危險(xiǎn)。

（四）模塊化換裝實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用

體感機(jī)器人可結(jié)合其他類型消防機(jī)器人模塊進(jìn)一步升級(jí)為模塊化機(jī)器人，針對(duì)不同災(zāi)害場(chǎng)合加裝不同模塊，例如裝上紅外攝像頭模塊或火焰?zhèn)鞲衅骺商綔y(cè)火源位置；裝上有害氣體檢測(cè)傳感器進(jìn)行氣體檢測(cè)；進(jìn)入樓內(nèi)內(nèi)攻時(shí)可于前部加裝超聲波測(cè)距傳感器探測(cè)地面坑洞，實(shí)現(xiàn)消防員前虛后實(shí)探步功能；在障礙物較多的場(chǎng)合底盤可更換擺臂履帶底盤或四足機(jī)器人底盤提高越障能力；若用于深井救援可直接去掉底盤，利用繩子牽引機(jī)器人腰部，將機(jī)器人放入深井中，救援人員利用機(jī)器人在被困人員身上打上繩結(jié)，拖出深井。

三、體感遠(yuǎn)程控制機(jī)器人目前技術(shù)難題及缺點(diǎn)

（一）技術(shù)瓶頸未突破，難以造成完全人形

一是無論使用履帶底盤或是擺臂履帶底盤都無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的爬梯，翻墻等操作。若給機(jī)器人加上雙腳，則要面臨極為復(fù)雜的步態(tài)穩(wěn)定性與控制策略問題，具體主要有雙足運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定與控制機(jī)理、雙足步行運(yùn)動(dòng)的固有魯棒性機(jī)理、實(shí)時(shí)步態(tài)規(guī)劃等問題，要解決這些問題制作消防機(jī)器人會(huì)大幅增加機(jī)器人成本。

二是采用電機(jī)作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)體感控制，但是無論電機(jī)采用何種減速器，機(jī)器人的負(fù)載能力仍然難以達(dá)到人類水平，若采用液壓或者氣壓做仿生關(guān)節(jié)，機(jī)器人負(fù)載能力可大幅高于人類，但是液壓或氣壓傳動(dòng)響應(yīng)速度較慢，控制存在一定延遲，難以實(shí)現(xiàn)體感同步控制，要解決負(fù)載的問題需要等待新型關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器如記憶合金驅(qū)動(dòng)、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的進(jìn)一步發(fā)展。

（二）無線通信困難

一是本文設(shè)計(jì)的體感機(jī)器人在開闊地實(shí)驗(yàn)中受電磁干擾偶爾會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象，現(xiàn)實(shí)火場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，障礙物較多，電磁干擾更加嚴(yán)重，會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)器人無線控制，解決這一問題可以通過有線控制機(jī)器人進(jìn)入火場(chǎng)，但是過長(zhǎng)的電線在收整過程中易受彎折導(dǎo)致斷芯。

二是遠(yuǎn)程控制有一定延遲，本文做實(shí)驗(yàn)都是在百米以內(nèi)距離，基本不存在延遲，但是距離遠(yuǎn)了就會(huì)存在令操作者感受明顯的延遲，造成機(jī)器人不同步運(yùn)動(dòng)，操作困難。筆者于2013年進(jìn)行機(jī)器人遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)，在成都實(shí)驗(yàn)室通過搭建虛擬專用網(wǎng)絡(luò)控制位于東京實(shí)驗(yàn)室里的機(jī)器人，兩地距離約3300km，控制延時(shí)為100至150毫秒，此延遲只能基本維持同步控制，若要進(jìn)行精確度需求很高的操作，延遲易造成操作者運(yùn)動(dòng)過度而產(chǎn)生誤操作。隨著網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備及無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，此問題有望解決。

（三）基層維護(hù)困難

基層維護(hù)困難是消防機(jī)器人的通病，消防機(jī)器人屬高新技術(shù)結(jié)合體，對(duì)操控、維護(hù)保養(yǎng)人員技術(shù)要求極高。消防機(jī)器人的很多零部件，在經(jīng)歷火場(chǎng)實(shí)戰(zhàn)后較易損壞，尤其是電子元件，容易受到潮濕、濃煙和灰塵等影響，基層消防部隊(duì)沒有專業(yè)知識(shí)難以自行更換，維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)則容易在滅火救援中出現(xiàn)問題，不僅會(huì)給滅火救援增加難度，自身失控也會(huì)導(dǎo)致給被困人員造成危險(xiǎn)。

四、結(jié)語

人類社會(huì)的科技和工業(yè)在發(fā)展，消防理念和消防器材也應(yīng)順應(yīng)科技潮流而發(fā)展，科技手段理應(yīng)在滅火救援中發(fā)揮更大的作用，只有從根本上改變思路，積極投身科技強(qiáng)警，才能避免悲劇的再次發(fā)生。加大消防機(jī)器人的投入，實(shí)現(xiàn)“鐵打的營(yíng)房鐵打的兵”，作戰(zhàn)主力換成只會(huì)聽命令的機(jī)器人，即可從根本上解決安全問題，最大限度減少一線官兵傷亡，又可在一定程度上解決部隊(duì)管理問題。隨著人工智能、控制理論和材料學(xué)的發(fā)展，消防機(jī)器人定將朝著低成本化、智能化方向發(fā)展，有朝一日將在應(yīng)急救援前線大展雄風(fēng)。

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