賈 碩,張文昌,吳 航,陳 煒*,張永梅
(1.天津理工大學機械工程學院,天津 300384;2.軍事科學院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所,天津 300161)
全球自然災害與人為災害頻發(fā),嚴重威脅著人類安全和社會穩(wěn)定。在災后遇難者中有相當一部分人是由于得不到及時救援而失去了生命。因此,救援人員能否快速且高效地開展救援工作關(guān)系著被困人員的生命安全。例如,在地震救援中,房屋倒塌和山體滑坡將會延誤救援人員進入災區(qū)的時間,導致救援不及時。在火災救援中,救援環(huán)境溫度高,氧氣稀薄,易存在毒氣甚至爆炸,嚴重威脅救援人員的生命。在2015年天津港“8·12”爆炸事件中,有90多名消防官兵在救援過程中失去了生命[1]。因此,應用救援機器人技術(shù)實現(xiàn)危險區(qū)域的搜索探測、物資運輸、傷員后送可有效提高救援、偵察效率,保障任務人員安全。對于救援機器人技術(shù)的使用將成為突發(fā)災害事件應急處置的重要技術(shù)手段。
本文以搜索救援機器人、運載救援機器人和多任務救援機器人為例,介紹救援機器人的研究現(xiàn)狀,分析其技術(shù)特點并提出其發(fā)展趨勢。
在2001年的美國“9·11”恐怖襲擊災難救援中,救援機器人的成功應用引發(fā)了世界各國院校、公司和研究機構(gòu)對救援機器人的研究熱潮[2-4]。近20 a來,救援機器人技術(shù)不斷更新、功能不斷完善,已被越來越多地應用到救援任務中。
1.1.1 研究現(xiàn)狀
搜索救援機器人是最早應用到災后救援的機器人,主要用于生命搜索與危險區(qū)域檢測。美國Fostermiller公司的履帶式救援機器人TALON(如圖1所示)在眾多參與“9·11”救援任務的機器人中表現(xiàn)優(yōu)異[2-4]。該機器人質(zhì)量約40 kg,機動靈活、轉(zhuǎn)向迅速,具有良好的地面適應性。同時,該機器人配備有3套具有數(shù)字變焦功能的視頻傳感器,即使在黑暗環(huán)境中也可進行搜索任務。在更為特殊的排爆作業(yè)中,該機器人也可通過機械臂的夾鉗夾斷爆炸物引信,排除爆炸危險。
另外,美國iRobot公司研發(fā)的PackBot搜索救援機器人(如圖2所示)采用鰭狀肢履帶結(jié)構(gòu),在越障時可根據(jù)障礙物的外形進行規(guī)劃調(diào)整,能順利翻爬樓梯以及跨越障礙物,具有較強的越障能力[5-7]。該機器人具有夜視、變焦和照明功能的4個攝像頭,可實現(xiàn)圖像的遠程實時處理、傳輸以及環(huán)境感知。
圖1 TALON救援機器人[2]
圖2 PackBot搜索救援機器人[5]
對于一般救援任務,輪履運動形式的搜索救援機器人或旋翼飛行器能完成對災后現(xiàn)場的勘察搜索,但對于非結(jié)構(gòu)化的復雜環(huán)境,如廢墟內(nèi)部,輪履式搜索救援機器人無法抵近救援[8-9]。仿生搜索救援機器人的出現(xiàn)成功地解決了這一問題。由于其具有體積小、自由度多、行動靈活等特點,可順利完成廢墟內(nèi)部等狹小空間環(huán)境的搜索任務。
卡內(nèi)基-梅隆大學研制的蛇形機器人較其他蛇形機器人有較小的橫截面積,這意味著它具有更強的狹小空間通過能力[10]。該機器人使用有線傳輸?shù)姆绞綄⒁挂晹z像機與音頻傳感器收集的數(shù)據(jù)傳輸給救援人員。雖然有線傳輸?shù)那捌跍蕚漭^為煩瑣,但這種方式對于信息傳輸具有較高的可靠性與穩(wěn)定性。圖3是該機器人參與2017年墨西哥地震救援時的畫面。
圖3 卡內(nèi)基-梅隆大學研制的蛇形機器人[10]
Sarcos公司研發(fā)的蛇形機器人GuardianS(如圖4所示)有著強大的搜索能力,在總質(zhì)量6 kg的機體中配備有4.5 kg的搜索探測設備,其中有攝像機、氣體探測器、振動探測器等多種傳感器[10]。Guardian S前后兩端采用履帶的運動形式,履帶可沿機器人軸向旋轉(zhuǎn),做出橫向搖晃、滾動等動作。Guardian S不僅擁有蛇形機器人的靈活性,同時具有履帶式救援機器人的行進速度。
圖4 Guardian S[10]
1.1.2 技術(shù)特點
根據(jù)表1的總結(jié)分析可以看出,履帶式搜索救援機器人有著較廣泛的實用性,但對于更深入的搜索探測有著一定的局限性。蛇形救援機器人雖然通用性較低且運動速度較慢,但其強大的環(huán)境適應能力和搜索能力能完成更深層次的搜索探測。
表1 搜索救援機器人對比
以TALON為代表的履帶式救援機器人在發(fā)展與應用上相對成熟,但其控制方式相對滯后,主要為人工操作,并不具備自主搜尋能力。隨著控制方法的更新和人工智能技術(shù)的應用,機器人將會逐漸由人工操作向自行搜索轉(zhuǎn)變。因此,該類救援機器人智能化程度的提高與控制方式的更新將有利于在復雜救援任務中具有更準確快速的反應能力和處理能力。
以卡內(nèi)基-梅隆大學研制的蛇形救援機器人為代表的仿蛇運動救援機器人擁有強大的廢墟搜索能力和環(huán)境適應能力,可適用于礦難救援、深度救援等場景,但其移動速度較慢,很大程度限制了搜救效率。雖然仿蛇類救援機器人參與的救援行動有限,但其搜索救援效果是非常突出的。隨著仿蛇類救援機器人移動速度和智能化程度的提高,其在以后的深度救援中會有著較好的應用前景。
1.2.1 研究現(xiàn)狀
運載救援機器人作為救援機器人中的“大力士”,可在第一時間攜救援物資同救援人員進入災區(qū)開展救援工作,也可將受傷人員運送至安全地點。因此,運載救援機器人在救援任務中的使用,可有效提高救援人員的救援效率,減少救援人員的救援壓力。
波士頓動力公司的四足機器人LS3(如圖5所示)可伴隨步兵班組在野外環(huán)境下負重181 kg連續(xù)工作24 h,其慢跑速度為8 km/h[2]。此外,LS3的平衡、平穩(wěn)性極強,即使跌倒也能自行恢復平衡。
圖5 LS3四足機器人[2]
麻省理工學院在美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)的部分資助下,研發(fā)了“獵豹”四足機器人,這款機器人的奔跑速度高達45 km/h[11]。最新版本的“獵豹2”(如圖6所示)配備有激光雷達系統(tǒng),可以自動跳過0.45 m高的障礙物[11]。根據(jù)其控制系統(tǒng)的良好表現(xiàn),波士頓動力公司繼續(xù)研發(fā)了世界上奔跑速度最快的四足機器人“野貓”[11]。
圖6 “獵豹2”四足機器人[11]
“爬行者”(Crawler)機器人(如圖7所示)是日本橫濱警視廳研發(fā)的傷員后送機器人[12]。該機器人內(nèi)部可運載一名傷員,其內(nèi)部的各種傳感器可對運送過程中的傷員進行生命體征檢測。因此,該機器人可隨救援人員進入災區(qū),分擔救援人員的傷員運送工作。
圖7 “爬行者”機器人[12]
日本東京消防廳研制的RoboCue傷員后送機器人(如圖8所示)可利用其自身配備的超聲波傳感器和紅外攝像機搜尋傷員,并通過機械臂將搜尋到的傷員轉(zhuǎn)移到機器人內(nèi)部,完成對傷員的搜尋與運送[13-14]。另外,RoboCue設計有生命維持系統(tǒng),可為艙內(nèi)傷員提供氧氣,保證傷員在運送過程中的基本生命支持。
圖8 RoboCue傷員后送機器人[13-14]
美國VecnaRobotics公司研制的戰(zhàn)場救援機器人“Bear”如圖9所示,其雙臂可以承載227 kg的質(zhì)量,且由于采用了動態(tài)平衡技術(shù),可避免顛簸,減少對傷員的二次傷害[15]。“Bear”擁有2種行進模式,一種是在平坦路面用輪式行進,另一種是對于崎嶇路面,會降低重心,切換成履帶行進,以便最大限度地減小顛簸,從而保護傷員。
圖9 “Bear”戰(zhàn)場救援機器人[15]
在國內(nèi),上海交通大學研發(fā)的“六爪章魚”機器人(如圖10所示)是一種由18個電動機驅(qū)動的腿式并聯(lián)步行機器人[16]。該機器人承載能力強、運動靈活、路面適應性強,可在多種地形環(huán)境執(zhí)行救援任務。但由于并聯(lián)機構(gòu)的限制,其運動速度只有1.2 km/h。
圖10 “六爪章魚”機器人[16]
中南大學研發(fā)的PH并聯(lián)六足機器人如圖11所示,該機器人的上平臺上配有可旋轉(zhuǎn)的激光雷達,可實現(xiàn)對周圍環(huán)境的三維掃描,增強了機器人對周圍事物的狀態(tài)感知[17]。PH可通過四足支撐,運用另兩足拾取物體。在結(jié)構(gòu)形式與運動形式上,與“六爪章魚”機器人相似,同樣具有承載能力強、運動靈活、使用領域廣泛等特點。
圖11 PH并聯(lián)六足機器人[17]
1.2.2 技術(shù)特點
從表2可以看出,運載救援機器人按救援功能可分為物資運載救援機器人與傷員運載救援機器人兩類。物資運載救援機器人具有承載能力強與通過性強等特點,其在與救援人員前往災區(qū)的過程中,對救援人員的幫助最為直接。特別是足式物資運載救援機器人,可以在災后非結(jié)構(gòu)地形中隨救援人員行進。足式物資運載救援機器人按結(jié)構(gòu)形式可分為串聯(lián)足式和并聯(lián)足式,在同等體積下串聯(lián)足式有著更快的運動速度,而并聯(lián)足式有著更強的負載能力。因此,現(xiàn)階段足式物資運載救援機器人面臨的問題是單位體積負載能力與行進速度兩者之間的平衡。
表2 運載救援機器人對比
傷員運載救援機器人相對物資運載救援機器人有著更嚴格的運送標準。雖然傷員運載救援機器人擁有生命檢測系統(tǒng)與生命維持系統(tǒng),但該類機器人對傷員的準確識別與柔性搬運的能力相對較低,而且在運送過程中機器人會隨路面變化產(chǎn)生顛簸,易對傷員造成二次傷害。傷員運載救援機器人在現(xiàn)階段還無法準確完成對傷員的識別與搬運,同時國內(nèi)外對傷員運載救援機器人的研究主要還停留在實驗階段,技術(shù)也不是非常成熟。因此,載人救援機器人的傷員識別、柔性搬運及傷員運送平穩(wěn)性依然是目前的研究難點和重點。
1.3.1 研究現(xiàn)狀
多任務救援機器人一般指具有多種任務模式、可精確操作目標物體且智能程度較高的救援機器人。葡萄牙里斯本大學研發(fā)的多用途救援機器人MPRV如圖12所示,可用于核電站的維護檢修與核事故救援[18]。其2個獨立的機械手可以完成非常復雜的操作,如開關(guān)門及旋轉(zhuǎn)絞盤。MPRV配備有3類攝像頭,即正面與背面的RGB攝像頭、正面的3D攝像頭和分別位于各自機械手末端的2個3D操控攝像頭,這3類攝像頭可實現(xiàn)操控者的遠程虛擬現(xiàn)實操作。
圖12 MPRV多用途救援機器人[18]
德國波恩大學的NimbRo救援隊研發(fā)的移動操控機器人Momaro如圖13所示[10],該機器人在混合移動平臺上擁有一個擬人化的上身。Momaro頭部配備有多種傳感器,可以產(chǎn)生一個球形的視場,其中包括1個連續(xù)旋轉(zhuǎn)的3D激光掃描儀、8個RGB-D相機以及一個自頂向下的廣角相機。Momaro的操作單元是2個七自由度機械臂,可完成多種復雜操作。
圖13 Momaro救援機器人[10]
2015年,美國舉辦的DARPA救援機器人挑戰(zhàn)賽吸引了世界各國的救援機器人參賽,韓國的DRCHUBO機器人(如圖14所示)獲得了當年挑戰(zhàn)賽的冠軍[10]。DRCHUBO可以直立行走、攀爬樓梯、上下汽車。在平坦地面時它也可以屈膝,利用膝蓋和腳上的輪子前進。DRC-HUBO靈活的機械手臂可以完成非常復雜的操作任務,如開關(guān)門、使用工具等。
圖14DRC-HUBO救援機器人[10]
美國卡內(nèi)基-梅隆大學研發(fā)的CHIMP救援機器人(如圖15所示)同樣參與了2015年DARPA救援機器人挑戰(zhàn)賽,并獲得了季軍[10]。CHIMP利用三指機械手能在城市狹小救援環(huán)境中執(zhí)行復雜的操作任務。在運動方面,CHIMP可直立行走執(zhí)行操作任務,當CHIMP需要快速移動時,也可四肢著地,利用肘部和膝部的履帶實現(xiàn)快速機動。
圖15 CHIMP救援機器人[10]
1.3.2 技術(shù)特點
通過表3可以看出,多任務救援機器人具有以下3個特點:(1)運動形式復雜多變,面對不同的地形時,可根據(jù)地形特點選擇最優(yōu)的運動形式。(2)機械手臂極為靈活,在救援任務中,可做出精細抓取、開關(guān)門、旋轉(zhuǎn)閥門等高難度動作。(3)控制算法先進,大多數(shù)多任務救援機器人已實現(xiàn)了半自主控制,甚至自主控制。
表3 多任務救援機器人對比
多任務救援機器人擁有的強環(huán)境感知能力和操作工具能力使其主要應用于核災難救援、城市火災救援和室內(nèi)救援等場景。雖然該類機器人擁有較多種類和數(shù)量的傳感器設備,但其在危險環(huán)境中的穩(wěn)定性和可靠性還有待驗證。以上介紹的多任務救援機器人主要是在實驗階段,還不具備真正的救援能力,但是該類救援機器人的智能化程度已經(jīng)處在救援機器人的領先位置,隨著各科研院校對多任務救援機器人軟硬件穩(wěn)定性和可靠性的實驗研究,日后多任務救援機器人一定會成功應用于救援任務中。
救援機器人的移動方式影響著機器人的運動靈活性、運行平穩(wěn)性和環(huán)境適應性。通過對救援機器人的介紹與分析可以看出,救援機器人的運動機構(gòu)形式可分為輪履式、足式、復合式等多種形式。
2.1.1 輪履式
在救援機器人的移動方式中,由于輪履式移動方式具有可靠性高、通用性強、技術(shù)成熟、控制簡單、移動速度快等優(yōu)點,廣泛地應用于早期救援機器人中。隨著輪履移動形式在救援任務中不斷實踐應用,也暴露出了其局限性,例如易隨地面起伏產(chǎn)生顛簸等。
2.1.2 足式
足式移動方式一般根據(jù)仿生原理,從形態(tài)和控制方式上貼近于生物步態(tài)。近年來,由于控制算法的不斷創(chuàng)新,串聯(lián)足式救援機器人與并聯(lián)足式救援機器人得到了迅速發(fā)展。
(1)串聯(lián)足式。
串聯(lián)足式救援機器人相對并聯(lián)足式救援機器人的發(fā)展與運用較早,相對輪履式救援機器人具有質(zhì)量輕、行動靈活、環(huán)境適應性強等優(yōu)點,如美國的“大狗”[2]、“山貓”[11]等,但其平衡、平穩(wěn)性控制難度較高。同時由于串聯(lián)機構(gòu)的特點,機器人的單位體積負載能力相對較差,不能負載較大質(zhì)量。
(2)并聯(lián)足式。
并聯(lián)足式救援機器人由于控制復雜,發(fā)展與應用相對較晚。近些年,隨著控制算法的發(fā)展進步,并聯(lián)足式救援機器人的控制相比之前已越發(fā)成熟。并聯(lián)足式救援機器人在機械結(jié)構(gòu)上具有承載能力強、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高等眾多優(yōu)點,但又由于并聯(lián)機構(gòu)的限制,其移動速度一直相對較低。因此,并聯(lián)足式救援機器人多被用于對移動速度要求不高、工作平臺平穩(wěn)性強、負載能力強的救援任務中。
2.1.3 復合式
復合式移動方式隨著控制技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展,早期的救援機器人由于受控制方法的限制多采用輪履式移動方式,而隨著步態(tài)控制方法的發(fā)展,復合式移動方式被更多應用到救援機器人中。復合式移動救援機器人結(jié)合了輪履式、足式等移動方式的優(yōu)點,可根據(jù)不同環(huán)境選擇最優(yōu)的移動方式。雖然對復合式移動救援機器人的控制更為復雜,但可以有效提高救援機器人的移動速度、環(huán)境適應性、行進平穩(wěn)性等各方面指標。
步態(tài)控制對于足式機器人順利完成移動、避障、跨越等動作至關(guān)重要,以下主要介紹并分析3種移動機器人的控制方法。
(1)零力矩點(zero moment point,ZMP)控制法。
ZMP控制法是一種動態(tài)平衡控制方法,多用于雙足機器人。這種方法雖然原理簡單,但采集初始數(shù)據(jù)的過程比較復雜。在目前移動機器人的控制中,ZMP控制法主要用于輔助判斷機器人的運動平衡、平穩(wěn)性。
(2)三分控制法。
三分控制法是以機器人的運動狀態(tài)作為控制目標、基于彈簧倒立擺模型的控制算法。美國“大狗”四足機器人具有極強的運動靈活性與平衡、平穩(wěn)性,其控制的基本思想就是基于三分控制法[19]。雖然三分控制法是以平面簡化模型為基礎,但是這一基礎可以推廣到四足機器人的三維簡化模型中。因此,三分控制法在四足機器人的步態(tài)控制中有著廣泛應用。
(3)智能仿生控制法。
隨著智能仿生控制技術(shù)的興起,基于中樞模式發(fā)生器(central pattern generator,CPG)的步態(tài)規(guī)劃法以序列二次規(guī)劃、爬山、遺傳等算法作為優(yōu)化手段,通過模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡的方式實現(xiàn)對足式機器人的步態(tài)控制[19],該方法具有適應性強、耦合性好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。因此,以CPG為代表的智能仿生控制是近年來發(fā)展起來的一種新的控制方法,目前被越來越多地應用到移動機器人的步態(tài)控制中。
2.3.1 基于地圖導航
基于地圖的導航方法是在導航任務前,預先將完整的環(huán)境地圖提供給導航系統(tǒng),或在導航過程中利用機器人自身傳感器實時在線構(gòu)建環(huán)境模型的導航技術(shù),主要通過以下2種方法實現(xiàn):
(1)人工勢場法。
人工勢場法是將障礙物信息反映在環(huán)境的每一點的勢場值中,從而決定機器人的行進方向。雖然該方法存在著“局部最小”的情況,但由于其具有操作簡單、可在線調(diào)整、實時性好等優(yōu)點,在實際中被廣泛應用[20]。
(2)智能規(guī)劃算法。
智能規(guī)劃算法是基于人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)及仿生技術(shù)實現(xiàn)對移動機器人自主路徑規(guī)劃的先進算法。由于智能規(guī)劃算法采用整體搜索策略,將有效提高路徑規(guī)劃的準確性。然而智能規(guī)劃算法較大的運算量會占據(jù)較大的存儲空間和較長的運算時間,因此會影響機器人路徑規(guī)劃的實時性[20]。
2.3.2 無地圖導航
無地圖導航不需要任何提前設定的導航策略,主要通過機器人自身傳感器提取、識別和跟蹤環(huán)境中的基本組成元素。在陌生環(huán)境下,無地圖的導航主要采用反應式導航策略。反應式導航可及時對陌生環(huán)境的變化做出反應,但由于缺少全局環(huán)境信息,機器人在動作順序上可能不是最優(yōu)的[20]。
救援機器人相比其他移動機器人應具備更強大的導航策略,由于救援機器人所處的工作環(huán)境復雜多變,所以有必要結(jié)合有地圖導航與無地圖導航的優(yōu)勢,使救援機器人可以在已知甚至未知的環(huán)境中準確地執(zhí)行救援任務。
救援機器人技術(shù)是多種學科的交叉,其中主要包括機械、控制、導航、通信、傳感器等學科。以救援機器人較為重要的控制技術(shù)為例,其控制形式逐漸由人員操作向半自主控制到自主控制的方向發(fā)展。因此,當前救援機器人的研究熱點和未來發(fā)展將主要是機器人的智能化、機器人軟硬件的冗余化和多機協(xié)同救援等方向。
救援機器人常常面對復雜且未知的災后環(huán)境,相對其他領域的機器人應具備更高的感知與認知能力。大多數(shù)救援機器人要面對非結(jié)構(gòu)化的救援環(huán)境,因此對于路徑規(guī)劃、目標搜索以及物體識別應做出準確且快速的判斷。
特別是針對傷員救援機器人,該類機器人的工作性質(zhì)要求在任務中幾乎不能出現(xiàn)任何錯誤偏差,這就要求機器人應具有高度的智能化。對于傷員的識別要準確快速,且要以柔性搬運的方式搬運傷員。這兩方面都要求機器人具備高度智能化的軟硬件系統(tǒng)。因此,提高救援機器人的智能化將始終是救援機器人重要的研究發(fā)展方向。
救援機器人工作的穩(wěn)定性是救援機器人高效救援的指標之一。早期的救援機器人由于機械結(jié)構(gòu)單一、控制算法簡單等原因,在復雜性和不確定性較高的災后環(huán)境中,會導致機器人部分軟硬件失效,從而喪失救援能力。近些年,隨著機器人技術(shù)的發(fā)展,部分救援機器人采用了軟硬件冗余化的設計,即使機器人部分軟硬件失效,仍可繼續(xù)完成救援任務,使救援機器人的環(huán)境適應性與工作穩(wěn)定性得到了明顯增強。因此,救援機器人軟硬件的冗余化是救援機器人技術(shù)重要的發(fā)展方向。
多機協(xié)同在機器人學和智能控制中都是較為復雜的技術(shù),這要求機器人之間應具有高度的通信能力、同步能力并且能共享通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和傳感器網(wǎng)絡。多機協(xié)同救援不僅可以應用于同種類救援機器人中,也可應用于不同種類救援機器人中。同種類多機協(xié)同救援是將以往單救援機器人的點救援拓展到多救援機器人的面救援,這將成倍節(jié)省救援時間、提高救援效率。不同種類的多機協(xié)同救援是搜索探測、破拆清障、傷員運送等救援環(huán)節(jié)由不同功能的救援機器人完成,這將有效保護救援人員的生命安全。未來這一技術(shù)的發(fā)展,將有可能實現(xiàn)災后危險區(qū)域的無人化救援。
雖然當前國內(nèi)外研發(fā)了各種功能的救援機器人,但其實際應用情況還存在一些不足,主要是救援機器人仍然無法滿足災后復雜環(huán)境的救援要求,其通過能力、感知能力、通信能力以及續(xù)航能力還需要進一步完善。
隨著人工智能、通信、控制等技術(shù)的發(fā)展,救援機器人的智能化、軟硬件冗余化及多機協(xié)同救援等得以快速發(fā)展和實現(xiàn)。救援機器人的智能化將使機器人具備準確的自我判斷能力、目標認知能力及最優(yōu)選擇能力,這將會從本質(zhì)上提高救援機器人的救援水平。軟硬件的冗余化是救援機器人在復雜多變的災后環(huán)境中持續(xù)救援任務的保證。多機協(xié)同救援是未來救援工作的發(fā)展趨勢,雖然目前技術(shù)還不盡成熟和完善,但在一些小型機器人中已嘗試應用??傊仍畽C器人的研究與運用將有效提升國家對突發(fā)災害的處置能力,具有重要的研究價值和社會意義。