張 新，徐建華，陳 彤，王軍政，趙江波，仲 軍，李蘭蕓，韓震峰，李宏偉，李 順，趙 方，訾栓緊

(1.新興際華科技發(fā)展有限公司高端裝備研究院，北京 100070；2.新興際華集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，北京 100070；3.北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100081；4.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，常州 213022；5.哈工大機(jī)器人(合肥)國際創(chuàng)新研究院無人裝備研究所，合肥 230601； 6.北京北方車輛集團(tuán)有限公司北京市特種車輛關(guān)鍵部件制備與評估工程技術(shù)研究中心，北京 100072；7.北京郵電大學(xué)軟件學(xué)院，北京 100876；8.中國消防救援學(xué)院信息工程系，北京 102202)

地震、地質(zhì)及洪澇等自然災(zāi)害多發(fā)頻發(fā)造成的人員傷亡嚴(yán)重、經(jīng)濟(jì)損失巨大。據(jù)中國應(yīng)急管理部統(tǒng)計(jì)，僅2019年自然災(zāi)害受災(zāi)達(dá)1.3億人次，直接經(jīng)濟(jì)損失3 270.9億元。為建立高效科學(xué)的自然災(zāi)害防治體系，國家先后實(shí)施了自然災(zāi)害防治技術(shù)裝備現(xiàn)代化工程等系列措施，提高自然災(zāi)害預(yù)警與處置能力。救援裝備作為救災(zāi)應(yīng)急力量體系的重要組成部分，從快速抵達(dá)、救援處置、裝備轉(zhuǎn)場、協(xié)同救援及解決救援現(xiàn)場最后一公里的難題等方面對搶險(xiǎn)救援至關(guān)重要。

在地震、泥石流、滑坡等重特大自然災(zāi)害引發(fā)的堰塞湖、建筑物和隧道坍塌等情況下，因現(xiàn)場地勢復(fù)雜、氣象惡劣、道路損毀以及各類次生災(zāi)害頻發(fā)等復(fù)雜原因[1-2]，導(dǎo)致大型裝備無法抵達(dá)、現(xiàn)場環(huán)境難以勘測、救援人員生命安全受到嚴(yán)重威脅，目前在世界范圍內(nèi)，缺乏有效手段解決這些難題[3-4]。

受中國應(yīng)急救援專業(yè)裝備使用、倉儲(chǔ)、調(diào)配等原因限制，目前大量投入地震救援戰(zhàn)斗的還是較為常用的工程機(jī)械裝備，如挖掘機(jī)、推土機(jī)、吊車、破碎錘等。這些裝備因其通用性好、適用性強(qiáng)，能夠大面積調(diào)配，常常成為地震救援中的主戰(zhàn)裝備[5]，在生命線開辟、廢墟搜救、堰塞湖處置等救援中發(fā)揮著重要作用。但是，現(xiàn)有救援裝備功能單一、操控性能差等現(xiàn)場救援難題，同時(shí)面對重特大自然災(zāi)害時(shí)面臨 “難抵達(dá)、難操控、難處置、難協(xié)同”的問題，造成救援效率難以提高、救援現(xiàn)場最后一公里難以到達(dá)的問題[6]。

近年來，國外在應(yīng)急救援作業(yè)裝備方面的研發(fā)逐漸呈現(xiàn)出小型化、多功能化和智能化的發(fā)展趨勢[7]。小型化主要是為了應(yīng)對日益嚴(yán)重的自然災(zāi)害，期望救援裝備作業(yè)時(shí)能有更高的功率密度和更高的救援效率；多功能是期望派出的有限的救援裝備能夠盡可能多的執(zhí)行各種救援任務(wù)；智能化則是希望救援裝備能夠替代人類，獨(dú)自進(jìn)入高危的自然災(zāi)害環(huán)境執(zhí)行救援任務(wù)。上述應(yīng)急救援裝備的發(fā)展方向，主要涉及5個(gè)方面的研究領(lǐng)域：裝備的無人化智能化領(lǐng)域、重載機(jī)械臂領(lǐng)域、復(fù)雜環(huán)境定位導(dǎo)航領(lǐng)域、協(xié)同控制領(lǐng)域、應(yīng)急救援裝備的模塊化設(shè)計(jì)[8-9]。

現(xiàn)結(jié)合重特大自然災(zāi)害時(shí)各種地震、地質(zhì)災(zāi)害搶險(xiǎn)救援的需要，分析救援裝備研究現(xiàn)狀，同時(shí)結(jié)合裝備技術(shù)的發(fā)展，探討救援裝備的發(fā)展趨勢。

1 面向重大自然災(zāi)害的救援裝備研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

1.1.1 總體研究水平、最新進(jìn)展和發(fā)展預(yù)期

面向重特大自然災(zāi)害的應(yīng)急救援問題一直是世界各國關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，中外主要聚焦于直接參與應(yīng)急救援的作業(yè)裝備，例如直接參與救援的挖掘類、裝載類或搜救類裝備[10]。

救援現(xiàn)場存在陡坡、坍塌和垂直障礙等復(fù)雜地形，這就要求機(jī)器人具備極強(qiáng)的高通過能力。高通過性行走技術(shù)一直是中外機(jī)動(dòng)平臺(tái)研究的核心方向之一，圍繞如何進(jìn)一步提升車輛的通過能力，研究過程主要經(jīng)過了履帶式推進(jìn)、螺旋式推進(jìn)、輪步式、履步式、步行方式等多樣化的發(fā)展途徑[11-12]，其相應(yīng)的技術(shù)成果也在各型無人平臺(tái)上得到了充分的體現(xiàn)和進(jìn)一步的發(fā)揮。

通常情況下，履帶車輛的通過性優(yōu)于輪式車輛，履帶式行走系統(tǒng)是高機(jī)動(dòng)平臺(tái)一種重要的行走方案[13]，如“黑騎士”(Black Knight)履帶式無人平臺(tái)、粗齒鋸(Ripsaw)無人平臺(tái)[14]，如圖1所示，平臺(tái)重約12 t，采用了縮小式的“布雷德利”履帶戰(zhàn)車底盤，采用高強(qiáng)度鋁材制成。扭桿式懸掛、液壓差速轉(zhuǎn)向、柴油機(jī)動(dòng)力等較傳統(tǒng)的技術(shù)保證整車具有較高可靠性，可通過加裝模塊化任務(wù)載荷而變型為突擊、城市火力支援、掃雷、指揮通信等多型無人平臺(tái)。

2009年6月，美國陸軍武器裝備與研發(fā)中心對“粗齒鋸”履帶式無人車進(jìn)行了測試[15]，如圖2所示，該車可以達(dá)到97 km/h的行駛速度，爬上45°的山坡，克服1 m的垂直障礙和1.5 m的壕溝，動(dòng)力方面加裝了通用公司的Duramax V8柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，最大輸出功率448 kW。噸功率接近于150 kW/t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主戰(zhàn)坦克，堪稱目前世界上機(jī)動(dòng)性能最強(qiáng)的履帶式車輛。

圖1 “黑騎士”(Black Knight)履帶式無人平臺(tái)[14]Fig.1 Black Knight-typed unmanned platform[14]

圖2 粗齒鋸(Ripsaw)無人平臺(tái)[15]Fig.2 Ripsaw-typed unmanned platform[15]

先進(jìn)的無人平臺(tái)還有以色列的“拿順”無人戰(zhàn)車、德國“歌利亞”無人戰(zhàn)車、法國“INBOT”微型無人戰(zhàn)車等，這些應(yīng)用和發(fā)展比較好的無人平臺(tái)的共同的技術(shù)特點(diǎn)包括：整車輕量化、模塊化程度高；采用雙效懸掛系統(tǒng)，地形適應(yīng)能力強(qiáng)；彈簧活塞式履帶張緊系統(tǒng)，有效避免脫帶故障[16]。

此外，日本千葉工業(yè)大學(xué)研制的輪式底盤 Quince 機(jī)器人[17]，也參與了福島核泄漏救援工作，在應(yīng)急救援實(shí)戰(zhàn)中發(fā)揮了重要的作用。

在重型機(jī)械臂領(lǐng)域，國外側(cè)重于運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模、智能控制與自主避障規(guī)劃、結(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化分析等方面，大量應(yīng)用視覺識別與定位、遙操作力反饋等先進(jìn)技術(shù)，并且加速與人工智能、新材料等相關(guān)前沿學(xué)科的融合。目前美國和日本居于領(lǐng)先地位。日本消防研究所[18]開發(fā)了履帶式的雙機(jī)械臂液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人T-53,體積小，具有高機(jī)動(dòng)靈活性，重量2.95 t，體積為2 320 mm×1 400 mm×2 800 mm，每只手臂長3 770 mm，單臂負(fù)載100 kg，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作。美國雷神公司開發(fā)了一種雙液壓機(jī)械臂救援機(jī)械臂，每個(gè)機(jī)械臂具有7個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境中救援清障工作。

日本德姆薩克公司在2000年研發(fā)了水壓驅(qū)動(dòng)的救援機(jī)器人T-51，在T-51基礎(chǔ)上，由日本消防研究所、京都大學(xué)、德姆薩克公司等研制了型號為T-52的援龍救援機(jī)器人。采用液壓驅(qū)動(dòng)，主從式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，搭載雙機(jī)械臂。在T-52援龍的基礎(chǔ)之上，此團(tuán)隊(duì)又開發(fā)了履帶式的雙機(jī)械臂液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人T-53[19]，如圖3所示，該裝備體積小，高機(jī)動(dòng)靈活，重量在2.95 t，可采用普通的輕型卡車運(yùn)輸；采用雙臂設(shè)計(jì)思路，每只手臂長3 770 mm，具有7個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)靈活的運(yùn)動(dòng)，單臂負(fù)載能力為100 kg；搭載遙操作系統(tǒng)，操作者可進(jìn)行遠(yuǎn)距離的遙控。

圖3 日本援龍T-53救援機(jī)器人[19]Fig.3 T-53 Typed rescue robot of Japanese Dragon-aid[19]

2012年，美國雷神公司開發(fā)了一種雙液壓機(jī)械臂救援機(jī)械，每個(gè)機(jī)械臂具有7個(gè)自由度，通過具有臨場力覺反饋功能的主從控制進(jìn)行操作。通過雙臂協(xié)作可以完成較多復(fù)雜動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境中救援清障工作[20]。瑞典BROKK公司研發(fā)了多種救援破拆機(jī)械臂，可用于搶險(xiǎn)救援任務(wù)中的爆破拆除工作，如圖4所示，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，可以上下電梯等，使用液壓驅(qū)動(dòng)三自由度的機(jī)械臂開展救援任務(wù)，可以遠(yuǎn)程遙控并向基于主從控制的操控方向發(fā)展，經(jīng)過多年發(fā)展，該公司己經(jīng)形成了諸如“B60”“B120D”“B160”“B400”等系列化的產(chǎn)品[21]。

美國山貓公司的Bobcat 快換平臺(tái)，可更換70多種作業(yè)工具，多次應(yīng)用于地震、雪災(zāi)等突發(fā)事故的搶險(xiǎn)救援。日立公司的ASTACO挖掘機(jī)采用主從控制，通過雙4自由度控制桿自由直觀地操作雙工作臂進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，帶有3D前臺(tái)姿勢演算，可以避免主副工作臂的接觸碰撞[22]。芬蘭LANNEN公司的8800i救援車具有3個(gè)工作臂，可搭配多種作業(yè)工具進(jìn)行應(yīng)急搶險(xiǎn)救援工作。江蘇八達(dá)重工研制的BDJY38SLL雙臂救援機(jī)器人采用油、電雙動(dòng)力系統(tǒng)，雙工作臂可切換切割、破碎、抓取和擴(kuò)張等多種作業(yè)工具，并且可以協(xié)調(diào)工作。山河智能研制的高溫加長臂機(jī)器人可快速切換挖掘、破碎、剪切、抓取等多種作業(yè)屬具，完成高溫環(huán)境下的搶險(xiǎn)救援作業(yè)。

圖4 瑞典BROKK公司的B60救援機(jī)器人[21]Fig.4 B60-typed rescue robot from Sweden BROKK Company[21]

在定位導(dǎo)航領(lǐng)域，在定位導(dǎo)航領(lǐng)域，國外研究起步相對較早，經(jīng)歷了單模單星座向多頻多星座GNSS/慣導(dǎo)/視頻等多源融合方向發(fā)展。國際衛(wèi)星導(dǎo)航標(biāo)桿企業(yè)瑞士U-blox研發(fā)了包括單模/多模、單頻/多頻衛(wèi)星導(dǎo)航系列芯片及模組，在定位導(dǎo)航領(lǐng)域，馬來西亞的SAUDI 等采用拉普拉斯方程來求解機(jī)器人路徑規(guī)劃算法中的勢函數(shù)，并通過依次迭代的方法求解復(fù)雜方程的數(shù)值解[23]；在開闊室外場景采用RTK技術(shù)可實(shí)現(xiàn)厘米級動(dòng)態(tài)定位精度[24]。知名導(dǎo)航設(shè)備制造商加拿大諾瓦泰研發(fā)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)/慣導(dǎo)(光纖陀螺)組合導(dǎo)航設(shè)備SPAN-CPT，在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分(real-time kinematic，RTK)技術(shù)失鎖10 s的復(fù)雜環(huán)境仍能保持分米級定位性能?？肆_地亞薩格勒布大學(xué)研發(fā)的視覺定位系統(tǒng)SOFT-SLAM可實(shí)現(xiàn)0.65%的定位精度。谷歌和特斯拉公司研發(fā)的無人駕駛汽車融合Lidar/紅外/立體視覺/慣性/衛(wèi)星導(dǎo)航等多源傳感器，動(dòng)態(tài)定位精度可達(dá)厘米級[25]。在應(yīng)急通信領(lǐng)域，國外20世紀(jì)末便開始了對救援用移動(dòng)式通信基站的研究，美國北得克薩斯大學(xué)在小型越野車上搭載了無人機(jī)通信系統(tǒng)，重建通信網(wǎng)絡(luò)，無人機(jī)電池壽命長達(dá)8 h[26]；整體來講，國外室外定位導(dǎo)航技術(shù)經(jīng)過長期發(fā)展，在技術(shù)成熟度、定位性能以及環(huán)境適應(yīng)性方面均具有一定優(yōu)勢，基本上占據(jù)了定位導(dǎo)航技術(shù)的高端市場。

在協(xié)同控制領(lǐng)域，1987年1月在美國圣地亞哥召開了關(guān)于多機(jī)器人協(xié)同的研討會(huì)，首次提出了多機(jī)器人協(xié)同研究的主要問題，截至目前國外在多機(jī)器人協(xié)同系統(tǒng)理論、實(shí)踐等方面取得了很大進(jìn)展[27]，并建立了仿真和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，美國堪薩斯州立大學(xué)多智能體和協(xié)作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了融合人工智能、機(jī)器人技術(shù)、設(shè)計(jì)和軟件工程方法和技術(shù)的自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)SRRS，解決了多Agent系統(tǒng)機(jī)器人合作領(lǐng)域的問題。美日等國已經(jīng)研制成功了力反饋控制算法的遙操作協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)，且機(jī)械臂具有自主關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃、避碰等功能。例如美國雷神公司研制的雙液壓機(jī)械臂救援機(jī)械臂具有臨場力覺反饋主從控制功能，通過雙臂協(xié)作可以完成較多復(fù)雜動(dòng)作，可自主完成關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜救援任務(wù)[28]。

無意識協(xié)作多機(jī)器人系統(tǒng)[29]包括無意識協(xié)作和有意識協(xié)作。主要仿生社會(huì)性生物群落(蟻群、蜂群等)的運(yùn)行機(jī)制[30]。比較典型的系統(tǒng)包括:瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Alice[31]、日本名古屋大學(xué)的CEBOT[32]、美國MIT的SwarmBot集群分布式機(jī)器人系統(tǒng)[33]、美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室的 MARV[34]、美國南加州大學(xué)的SuperBot[35]以及德國斯圖加特大學(xué)的進(jìn)化多機(jī)器人有機(jī)體[36]等。

對于有意識協(xié)作多機(jī)器人系統(tǒng)，多機(jī)器人控制信息關(guān)系和控制關(guān)系的體系結(jié)構(gòu),以及問題求解能力的分布模式?jīng)Q定了系統(tǒng)的關(guān)鍵[37]。選擇合適的體系結(jié)構(gòu),是多機(jī)器人系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵,也是構(gòu)建多機(jī)器人系統(tǒng)的首要問題,如日本Asama等提出ACTRESS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[38]，美國學(xué)者Beni等研究的SWARM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[39]，LePape提出了GOFER結(jié)構(gòu)[40]，Parker等提出了ALLIANCE結(jié)構(gòu)[41]，Vidal等提出了一種混合層次體系結(jié)構(gòu)[42]。

1.1.2 主要研究機(jī)構(gòu)及其研究方法及成果

救援多裝備遠(yuǎn)程協(xié)同操控目前存在以下難點(diǎn)：多裝備救援時(shí)指揮無序、多裝備間協(xié)同難以完成復(fù)雜任務(wù)、自主故障監(jiān)測能力弱?？傮w上，目前救援裝備向著信息化、智能化和無人化方向發(fā)展[43]。

美國賓夕法尼亞大學(xué)的研究者們開發(fā)了協(xié)同作戰(zhàn)自動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的互相合作，成功地在城市街道的環(huán)境中進(jìn)行搜索定位、營救和軍事任務(wù)，甚至在該系統(tǒng)中可以加入人類成員。國外從事救援機(jī)器人研究的主要機(jī)構(gòu)如表1所示。

表1 國外從事救援機(jī)器人研究的主要機(jī)構(gòu)Table 1 Research institutions engaged in research on rescue robots abroad

綜上所述，國外的應(yīng)急救援裝備都在向提升作業(yè)規(guī)模、拓展一機(jī)多能以及智能化遠(yuǎn)程作業(yè)方向發(fā)展。

1.2 中國研究現(xiàn)狀及趨勢

1.2.1 總體研究水平、最新進(jìn)展和發(fā)展預(yù)期

中國在應(yīng)急救援裝備領(lǐng)域起步較晚，研究的裝備主要分為軍事類、工程類和搜救類。新興際華集團(tuán)研制的智能化搶險(xiǎn)破障車[49]具備智能化控制和信息傳輸功能，如圖5所示，集成推土、夯實(shí)、吊裝、剪切、挖掘破拆等功能，掘機(jī)配備工作裝置快換接頭，可遙控切換工作裝置，該裝備是一種有智能化控制和信息傳輸功能的多功能道路破障裝備，可快速更換工作裝置，通過高機(jī)動(dòng)性和集成的各類救援功能，在道路被災(zāi)害損毀或非道路行進(jìn)時(shí)，可以快速開辟通路，實(shí)現(xiàn)救援車隊(duì)的緊急通行。也可以迅速到達(dá)災(zāi)害現(xiàn)場，進(jìn)行救援作業(yè)。

圖5 搶險(xiǎn)破障車[49]Fig.5 Emergency vehicle[49]

中國在“十一五”期間已經(jīng)將“廢墟搜索與輔助救援機(jī)器人”項(xiàng)目列入國家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目，由中科院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與中國地震應(yīng)急搜救中心聯(lián)合承擔(dān)研制，并成功研制出“廢墟可變形搜救機(jī)器人、機(jī)器人化生命探測儀、旋翼無人機(jī)”3款機(jī)器人[50]，這3款機(jī)器人曾經(jīng)被國家地震局評為“十一五”以來最具應(yīng)用實(shí)效的10項(xiàng)科技成果之一。2013年4月20日，四川雅安地震發(fā)生后，沈陽自動(dòng)化研究所科研人員迅速反應(yīng)，于4月20日下午組成臨時(shí)搜救隊(duì)隨同機(jī)器人急赴災(zāi)區(qū)開展救援工作。中國礦業(yè)大學(xué)研制了國內(nèi)首臺(tái)煤礦搜救機(jī)器人[51]，河北唐山開城電控設(shè)備集團(tuán)研制了中國首臺(tái)礦井災(zāi)害空間環(huán)境探測機(jī)器人[52]。可以看到，無論工程類還是搜救類裝備，都有向智能化和多功能方向發(fā)展的趨勢。

中國兵器工業(yè)集團(tuán)第201研究所在“十一五”期間研制了搖臂式懸架與電動(dòng)輪的高通過行動(dòng)系統(tǒng)[53]，并進(jìn)行了虛擬樣機(jī)的仿真研究，如圖6所示?！笆濉逼陂g，針對地面無人平臺(tái)發(fā)展的要求，研制了大行程調(diào)節(jié)與大扭矩驅(qū)動(dòng)搖臂懸架，解決了大行程旋轉(zhuǎn)、大扭矩驅(qū)動(dòng)的技術(shù)難題。實(shí)現(xiàn)承重500 kg、180°旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)、最大驅(qū)動(dòng)扭矩5 000 N·m的技術(shù)指標(biāo)。北京理工大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)院、中國兵器工業(yè)集團(tuán)第617廠、中國兵器裝備集團(tuán)第208研究所、中國兵器工業(yè)集團(tuán)第201研究所等單位在“十二五”期間研制了多型輪式、履帶式高機(jī)動(dòng)無人平臺(tái)[54]，如圖7和圖8所示，其中，中國兵器工業(yè)集團(tuán)第201研究所研制的6噸級輪式4×4無人平臺(tái)、履帶式無人平臺(tái)均采用混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)技術(shù)，最大行駛速度不小于60 km/h，純電行駛里程不小于20 km，燃油行駛里程不小于200 km。輪式平臺(tái)還采用了大功率、一體化的輪轂電驅(qū)動(dòng)和可調(diào)油氣懸掛技術(shù)，使輪式平臺(tái)具備了原地轉(zhuǎn)向、可調(diào)車姿的能力。

在重載機(jī)械臂領(lǐng)域，中國起步晚但發(fā)展迅速，側(cè)重于運(yùn)動(dòng)學(xué)解算、運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制策略、液壓系統(tǒng)的高效合理設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)受力分析與參數(shù)優(yōu)化等方面。例如，八達(dá)重工研制的雙臂救援機(jī)器人具有兩個(gè)機(jī)械臂，最大起重量可以達(dá)到20 t，并具有抓取、搬運(yùn)等功能。魯班機(jī)械科技有限公司研發(fā)一款輕量化多功能雙臂救援機(jī)器人。

圖6 輪步式高通過行走系統(tǒng)[53]Fig.6 Wheel walking high pass walking system[53]

圖7 無人輪式平臺(tái)樣機(jī)[54]Fig.7 Unmanned platform prototype[54]

圖8 履帶式高機(jī)動(dòng)無人平臺(tái)[54]Fig.8 Wheeled and tracked high mobility unmanned platforms[54]

中國在應(yīng)急救援裝備領(lǐng)域的相關(guān)研究較少，目前正處于起步狀態(tài)，形成的系列產(chǎn)品也較少。代表性產(chǎn)品為江蘇八達(dá)重工機(jī)械有限公司(以下簡稱“八達(dá)重工”)研制的雙動(dòng)力雙臂手大型救援機(jī)器人是國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目重點(diǎn)攻關(guān)、研制的系列化產(chǎn)品[55]，如圖9所示，是一種具有油電“雙動(dòng)力”交換驅(qū)動(dòng)、雙臂雙手協(xié)調(diào)作業(yè)，分別有輪胎式、履帶式和輪履復(fù)合型底盤形式，以及可根據(jù)救援現(xiàn)場需要，快速更換不同作業(yè)功能液壓屬具的大型智能搶險(xiǎn)救援裝備，可以實(shí)現(xiàn)輪履互換，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，跨越能力好。在2014年被鑒定為世界上噸位最大的救援機(jī)器人，具有兩個(gè)機(jī)械臂，最大起重量可以達(dá)到20 t，并具有抓取、搬運(yùn)等10余項(xiàng)搶險(xiǎn)作業(yè)功能。經(jīng)過近年發(fā)展，已經(jīng)形成了小型(20 t)、中型(40 t)和大型(60 t)多種系列產(chǎn)品，參與了汶川地震搶險(xiǎn)救援工作。

驚天智能裝備股份有限公司在瑞典BROKK機(jī)器人的基礎(chǔ)上，研發(fā)了多款工程機(jī)器人，如圖10所示，具有破拆、挖掘等功能，可在部分搶險(xiǎn)救援時(shí)發(fā)揮作用，其具有智能化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對三自由度機(jī)械臂的自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)抓取搬運(yùn)等工作，并且可進(jìn)行路徑規(guī)劃和環(huán)境感知等功能擴(kuò)展。具有高適應(yīng)性的特點(diǎn)，機(jī)身較為小巧，結(jié)構(gòu)較為緊湊，適合于狹小空間內(nèi)的作業(yè)。

圖9 八達(dá)重工研制的雙臂救援機(jī)器人[55]Fig.9 Double arm rescue robot developed by Jiangsu Bada Heavy-industry Group[55]

圖10 驚天智能裝備股份有限公司研制的工程機(jī)器人[56]Fig.10 Engineering robot developed by Jingtian Intelligent Company[56]

在定位導(dǎo)航領(lǐng)域，中國的相關(guān)技術(shù)研究起步較晚，但發(fā)展迅速且成果顯著。武漢邁普時(shí)空導(dǎo)航科技有限公司研發(fā)的基于中精度慣性傳感器/RTK的組合導(dǎo)航產(chǎn)品M39在復(fù)雜城區(qū)環(huán)境仍可實(shí)現(xiàn)亞米級定位性能。北京郵電大學(xué)提出的TC-OFDM定位體系，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外場景亞米級定位[57]。中科院計(jì)算技術(shù)研究所研發(fā)的基于深度學(xué)習(xí)的場景自適應(yīng)組合導(dǎo)航算法，使用低成本MEMS傳感器/RTK組合平臺(tái)，在復(fù)雜城區(qū)環(huán)境可實(shí)現(xiàn)亞米級可靠定位[58]。百度公司研發(fā)的無人駕駛汽車集成Lidar/vSLAM/GNSS等多源定位模塊，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜城區(qū)環(huán)境下的厘米級導(dǎo)航，能自主完成8字交叉跑等類似復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式[59]。中國礦業(yè)大學(xué)與無錫市永神利煤礦安全設(shè)備廠共同研發(fā)了一種可用于礦難現(xiàn)場的移動(dòng)式小型通信基站，主要利用蓄能動(dòng)力移動(dòng)技術(shù)、井下環(huán)境通信技術(shù)和密閉空間呼吸環(huán)境保障技術(shù)等技術(shù)手段[60]；武漢大學(xué)也對救援用小型通信基站進(jìn)行了研究。不過，從整體來講，國內(nèi)在室外多源融合定位導(dǎo)航技術(shù)研究領(lǐng)域已取得部分國際一流科研成果，但是在復(fù)雜場景以及更高精度定位導(dǎo)航技術(shù)研發(fā)方面仍然有待進(jìn)一步突破。

在協(xié)同控制領(lǐng)域，對于確定系統(tǒng)和各機(jī)器人之間的信息流通關(guān)系及其邏輯上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),決定了任務(wù)分解和角色分配、規(guī)劃及執(zhí)行等操作的運(yùn)行機(jī)制,提供了機(jī)器人活動(dòng)和交互的框架，國內(nèi)面向救援救災(zāi)應(yīng)用的雙臂機(jī)器人協(xié)同控制系統(tǒng)的研究相對較弱，王醒策等[61]針對多機(jī)器人編隊(duì)提出了分層的體系結(jié)構(gòu)，陳衛(wèi)東等[62]采用遞階混合式結(jié)構(gòu)進(jìn)行多機(jī)器人編隊(duì)和收集垃圾，而崔益安等[63]則嘗試建立一個(gè)通用與開放的、適應(yīng)于非結(jié)構(gòu)環(huán)境的自組織分層式結(jié)構(gòu)SCLA。

而在實(shí)際應(yīng)用中，協(xié)同操控系統(tǒng)則應(yīng)用較少，實(shí)施效果也比較差，八達(dá)重工研制的雙動(dòng)力雙臂大型救援裝備、魯班機(jī)械科技有限公司的輕量化多功能雙臂救援機(jī)器人，二者均是人工操控機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，不具備自主協(xié)同作業(yè)功能。

綜上所述，國內(nèi)的應(yīng)急救援裝備有了長足的發(fā)展，主要向功能拓展、機(jī)械系統(tǒng)控制以及定位等技術(shù)方向發(fā)展。

1.2.2 主要研究機(jī)構(gòu)及其研究方法及成果

中國從事相關(guān)研究的主要機(jī)構(gòu)及其代表性成果如表2所示，項(xiàng)目研發(fā)相關(guān)的主要代表性文獻(xiàn)、專利、標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

1.3 中外對比分析

在多功能救援平臺(tái)領(lǐng)域，以美日俄為代表的裝備平臺(tái)具有整車輕量化、模塊化程度高；采用雙效懸掛系統(tǒng)，地形適應(yīng)能力強(qiáng)；彈簧活塞式履帶張緊系統(tǒng)，有效避免脫帶故障等先進(jìn)特點(diǎn)，適應(yīng)了救援現(xiàn)場的需要，對救援起到了有效的提升作用，中國則主要基于裝甲車底盤、推土機(jī)底盤等底盤平臺(tái)，輕量化作用不明顯、模塊化程度較低，在適應(yīng)地形方面有著難以克服的缺陷，在救援時(shí)跨越障礙也存在一定的限制性作用[78]。

在重載機(jī)械臂領(lǐng)域，美日等國家重視動(dòng)力學(xué)建模和以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的軌跡規(guī)劃與智能控制算法的研究，并且在自主軌跡規(guī)劃和多臂協(xié)同作業(yè)等方面投入巨大，重視與視覺、遙操作和人工智能等先進(jìn)技術(shù)的融合。中國目前側(cè)重于重載機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，在動(dòng)力學(xué)建模理論方面研究較少，在控制方法上多以傳統(tǒng)的比例-積分-微分(proportion integration differentiation，PID)為主，對多臂協(xié)同作業(yè)、視覺、遙操作等方面的研究也不足。國外在臂桿-液壓系統(tǒng)相耦合的動(dòng)力學(xué)建模，以及基于動(dòng)力學(xué)的高精度補(bǔ)償跟蹤智能控制算法和多臂協(xié)同作業(yè)上取得較大進(jìn)展，并且在視覺識別與定位、遙操作、人工智能等相關(guān)前沿技術(shù)的融合上成果豐碩，而中國在這些方面差距較大，尤其體現(xiàn)在動(dòng)力學(xué)建模、多臂協(xié)同和遙操作等方面[79-80]。

表2 中國從事救援機(jī)器人研究的主要機(jī)構(gòu)Table 2 Research institutions engaged in rescue robot research in China

表3 救援機(jī)器人相關(guān)的主要文獻(xiàn)、專利、標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Documents,patents and standards related to rescue robot

在定位導(dǎo)航領(lǐng)域，國外研究起步相對較早，經(jīng)歷了單模單星座向多頻多星座GNSS/慣導(dǎo)/視頻等多源融合方向發(fā)展。國際衛(wèi)星導(dǎo)航標(biāo)桿企業(yè)瑞士U-blox研發(fā)了包括單模/多模、單頻/多頻衛(wèi)星導(dǎo)航系列芯片及模組，在開闊室外場景采用RTK技術(shù)可實(shí)現(xiàn)厘米級動(dòng)態(tài)定位精度。知名導(dǎo)航設(shè)備制造商加拿大諾瓦泰研發(fā)的GNSS/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航設(shè)備SPAN-CPT，在RTK失鎖10 s的復(fù)雜環(huán)境仍能保持分米級定位性能?？肆_地亞薩格勒布大學(xué)研發(fā)的視覺定位系統(tǒng)SOFT-SLAM可實(shí)現(xiàn)0.65%的定位精度。谷歌和特斯拉公司研發(fā)的無人駕駛汽車融合Lidar/紅外/立體視覺/慣性/衛(wèi)星導(dǎo)航等多源傳感器，動(dòng)態(tài)定位精度可達(dá)厘米級。整體來講，國外室外定位導(dǎo)航技術(shù)經(jīng)過長期發(fā)展，在技術(shù)成熟度、定位性能以及環(huán)境適應(yīng)性方面均具有一定優(yōu)勢，基本上占據(jù)了定位導(dǎo)航技術(shù)的高端市場。在定位導(dǎo)航領(lǐng)域，中國的相關(guān)技術(shù)研究起步較晚，但發(fā)展迅速且成果顯著。楊艷娟等[81]研究了基于卡爾曼濾波算法的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)(inertial navigation system/global positioning system，INS/GPS)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，并將該組合技術(shù)應(yīng)用于某飛行器，驗(yàn)證表明角度信息作為觀測量對參數(shù)的估計(jì)精度和速度計(jì)算有很大改善。張新等[82]發(fā)明了一種履帶式底盤機(jī)器人偵察智能化自主導(dǎo)航方法，該導(dǎo)航方法通過多次視頻圖像機(jī)器學(xué)習(xí)提前構(gòu)建學(xué)習(xí)模式下的基礎(chǔ)地圖，并與當(dāng)前區(qū)域地圖融合構(gòu)建巡檢區(qū)域全局3D地圖，以此確定巡檢任務(wù)點(diǎn)及巡檢任務(wù)，能夠提高識別準(zhǔn)確率，從而提高導(dǎo)航準(zhǔn)確性。高為廣等[83]改進(jìn)了定位導(dǎo)航融合算法，利用預(yù)報(bào)殘差構(gòu)造的最優(yōu)自適應(yīng)因子設(shè)計(jì)GPS/INS組合導(dǎo)航自適應(yīng)濾波器，并針對反向傳播(back propagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在的訓(xùn)練速度慢、容易陷入局部極小等問題，給出網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)算法，該算法明顯提高了網(wǎng)絡(luò)收斂速度，并在精度和可靠性方面有了明顯提高。因此，從總體上講，中國的定位導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)有了長足的進(jìn)度，但是由于定位導(dǎo)航系統(tǒng)的相對固定，對組合定位導(dǎo)航形式上的創(chuàng)新存在一定局限性，針對于復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境下的定位導(dǎo)航算法、技術(shù)及產(chǎn)品仍需要進(jìn)一步研發(fā)和突破，以實(shí)現(xiàn)無通訊環(huán)境下的精確定位導(dǎo)航。

在協(xié)同控制領(lǐng)域，國外采取運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)結(jié)合的方式，用蒙特卡洛法分析多機(jī)械臂工作空間，建立多臂運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系和多臂閉鏈運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，以橢球包圍盒法構(gòu)建多臂各連桿碰撞模型，實(shí)現(xiàn)避障運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、協(xié)同作業(yè)。國內(nèi)的救援機(jī)器人多臂協(xié)作方面研究雖然較多，但是應(yīng)用效果較差[84-85]。

總之，中國在救援裝備的理論基礎(chǔ)、集成系統(tǒng)技術(shù)、穩(wěn)定性及操控系統(tǒng)等方面有了很大的進(jìn)步，但與國外還存在一定的差距，這是中國救援裝備發(fā)展的方向和動(dòng)力，以全力促進(jìn)中國應(yīng)急救援處置能力的提升。

2 現(xiàn)有救援裝備面臨挑戰(zhàn)問題

在應(yīng)急救援裝備及其智能化領(lǐng)域，中國一直是依靠工程機(jī)械裝備進(jìn)行開展，難以較大幅度地提升中國救援的處置水平，同時(shí)在救援實(shí)戰(zhàn)化水平方面也存在較大的空缺和短板，在應(yīng)急救援越來越重視的今天，智能化應(yīng)急救援裝備亟待研制和工程化，同時(shí)針對應(yīng)急救援裝備的驗(yàn)證示范體系和標(biāo)準(zhǔn)化體系也尚未形成，為了彌補(bǔ)這一系列欠缺，現(xiàn)有應(yīng)急裝備研究項(xiàng)目多以應(yīng)急救援機(jī)器人科學(xué)問題探知為基礎(chǔ)，研制系列化、實(shí)戰(zhàn)化的救援機(jī)器人，解決地震、地質(zhì)等重特大自然災(zāi)害面臨的救援工程機(jī)械“難抵達(dá)、難操控、難處置、難協(xié)同”的難題，從救援機(jī)器人高通過性、智能人機(jī)交互操控、多工況智能適應(yīng)、快速組網(wǎng)及自適應(yīng)定位、多裝備協(xié)同控制以及示范應(yīng)用等多個(gè)方面開展探討和研究，以提升中國應(yīng)急救援的處置水平，面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)主要包括以下方面。

(1)多功能救援平臺(tái)技術(shù)?；诰仍畽C(jī)器人平臺(tái)的水陸快速機(jī)動(dòng)、大跨度越障、高可靠工作等指標(biāo)要求，構(gòu)建輕量化及高可靠性機(jī)器人平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)先進(jìn)驅(qū)動(dòng)與控制，實(shí)現(xiàn)救援現(xiàn)場的自適應(yīng)協(xié)同及高機(jī)動(dòng)越障抗沖擊，實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力能源的高效管理。

(2)重載機(jī)械臂技術(shù)?；趶?fù)雜救援環(huán)境的不確定因素，構(gòu)建多自由度機(jī)械臂本體和敏感負(fù)載液壓系統(tǒng)；研究多源異構(gòu)信息精準(zhǔn)感知系統(tǒng)構(gòu)建與機(jī)械臂自適應(yīng)控制技術(shù)，構(gòu)建基于雙曲正切函數(shù)的積分滑模變結(jié)構(gòu)控制策略，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)干擾環(huán)境下的高精度軌跡跟蹤；實(shí)現(xiàn)臨場感知力反饋遙操作主從控制；實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)多臂復(fù)合運(yùn)動(dòng)控制與協(xié)同作業(yè)。

(3)定位導(dǎo)航技術(shù)。針對災(zāi)害場景下通信基站和CORS站受損，對無線信道環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)建模，為定位導(dǎo)航、通信控制關(guān)鍵技術(shù)研究提供理論依據(jù)；實(shí)現(xiàn)大帶寬高速率視頻信息采集和低時(shí)延高可靠主從控制；研究基于差分地基增強(qiáng)及深度擴(kuò)展卡爾曼濾波的多源組合導(dǎo)航技術(shù)，提高導(dǎo)航定位系統(tǒng)堅(jiān)韌性；研究面向重大自然災(zāi)害環(huán)境的LiDAR/5G/視覺/IMU融合SLAM定位技術(shù)，提高救援機(jī)器人位置估計(jì)精度和魯棒性。

(4)協(xié)同控制技術(shù)?；诰仍疄?zāi)害場景的需求分析,開展地震、地質(zhì)等災(zāi)害場景的救援情景構(gòu)建，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)；研究多機(jī)高效協(xié)同調(diào)度指揮策略，開發(fā)多機(jī)遠(yuǎn)程智能協(xié)同調(diào)度及控制系統(tǒng)；研究救援機(jī)器人單機(jī)與多機(jī)協(xié)同的可靠性、機(jī)動(dòng)性、平穩(wěn)性、操作性等標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)驗(yàn)證和關(guān)鍵性能的示范與評估，成標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)器人試驗(yàn)驗(yàn)證體系。

3 面向重大自然災(zāi)害救援裝備的研究方向及趨勢

當(dāng)前，隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，各類先進(jìn)技術(shù)不斷出現(xiàn)，應(yīng)急救援裝備必將得到進(jìn)一步發(fā)展和完善，并朝著多樣化、多功能化、信息化、智能化的方向發(fā)展。特別是國家應(yīng)急管理部的成立，必將在救援體系、能力與裝備發(fā)展過程中發(fā)揮引領(lǐng)作用，推進(jìn)中國應(yīng)急救援裝備成體系快速發(fā)展，從而全面提升中國的災(zāi)害管理與救災(zāi)能力[86]。

在地震、泥石流、山體滑坡等重大自然災(zāi)害發(fā)生后，面臨著難處置、難偵測、難抵達(dá)、難保障、難協(xié)同問題，以服務(wù)極限環(huán)境處置需求，兼顧先進(jìn)、實(shí)用、協(xié)同與安全為指導(dǎo)思想，按關(guān)鍵技術(shù)研究—多裝備平臺(tái)研發(fā)—協(xié)同控制系統(tǒng)研發(fā)—標(biāo)準(zhǔn)研究與示范推廣技術(shù)路線的多功能救援機(jī)器人成為救援裝備發(fā)展的新方向，重點(diǎn)聚集于救援機(jī)器人的高通過性、智能人機(jī)交互操控、多工況智能適應(yīng)、快速組網(wǎng)及自適應(yīng)定位、多裝備協(xié)同控制以及示范應(yīng)用等多個(gè)研究方向和發(fā)展趨勢。

針對重大地震災(zāi)害、重大地質(zhì)災(zāi)害后，大型設(shè)備運(yùn)輸受限、難以第一時(shí)間抵達(dá)現(xiàn)場，同時(shí)現(xiàn)有救援裝備功能單一、需要多臺(tái)裝備協(xié)同救援作業(yè)等關(guān)鍵需求，需突破救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制、定位與信息傳輸、系統(tǒng)與裝備匹配集成、災(zāi)難環(huán)境示范性評價(jià)與檢驗(yàn)檢測等方面的理論、方法、技術(shù)、裝備和標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建系列化多品種的小型多功能高機(jī)動(dòng)重大自然災(zāi)害救援機(jī)器人裝備，形成應(yīng)急救援合力，提升救援綜合服務(wù)能力。

從重大自然災(zāi)害現(xiàn)場救援需求對地面無人平臺(tái)的應(yīng)用要求來看，地面無人平臺(tái)未來發(fā)展趨勢是智能化、通用化和一體化。智能化要求地面無人平臺(tái)具有更高的智能水平，除了智能分析外，還具備戰(zhàn)略智能，逐步減少人在救援環(huán)節(jié)中所占的比重，甚至完全取代人完成救援任務(wù)，如圖11所示。通用化要求地面無人平臺(tái)能夠搭配足夠多的任務(wù)載荷以適應(yīng)多種救援現(xiàn)場的需要。一體化指地面無人平臺(tái)向多臺(tái)協(xié)作、多系統(tǒng)協(xié)作的方向發(fā)展，既能獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)，又能協(xié)同進(jìn)行作戰(zhàn)，同時(shí)還要保證有足夠的自主能力、足夠的可靠性和足夠的抗毀性。

救援機(jī)器人裝備融合了非穩(wěn)態(tài)災(zāi)害環(huán)境下的機(jī)器人穩(wěn)定控制理論、機(jī)械臂剛-柔耦合與多臂協(xié)同完備動(dòng)力學(xué)理論、多源自適應(yīng)融合導(dǎo)航機(jī)理及異構(gòu)導(dǎo)航傳感器觀測不確定性探知、復(fù)雜信道環(huán)境隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约爱愘|(zhì)脆弱鏈路場景下高可靠通信問題四項(xiàng)科學(xué)問題，仍需開展深入探知和研究，同時(shí)攻克救援機(jī)器人整體動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化；復(fù)雜救援任務(wù)下的機(jī)器人智能化遠(yuǎn)程人機(jī)交互技術(shù)；強(qiáng)非線性多作業(yè)系統(tǒng)大負(fù)載液壓機(jī)械臂高精度快速響應(yīng)技術(shù)；復(fù)雜救援環(huán)境約束下的多臂協(xié)同技術(shù)；救援機(jī)器人平臺(tái)輕量化和高可靠性設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件成形技術(shù)；多地形輪足式機(jī)器人行動(dòng)系統(tǒng)協(xié)同柔順控制技術(shù)；基于多天線及上行免調(diào)度的超遠(yuǎn)距離、大帶寬、低時(shí)延主從通信控制技術(shù)；多層次自適應(yīng)智能融合定位及多源異構(gòu)導(dǎo)航傳感器誤差建模及補(bǔ)償技術(shù)；重大自然災(zāi)害環(huán)境下救援機(jī)器人多機(jī)協(xié)同技術(shù)和救援機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)及指標(biāo)體系構(gòu)建等先進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)，揭示救援裝備體系構(gòu)成的關(guān)鍵要素，研制覆蓋應(yīng)急救援、移動(dòng)偵測及快速運(yùn)輸?shù)裙δ?，?shí)現(xiàn)了救災(zāi)機(jī)器人“功能-構(gòu)型-結(jié)構(gòu)-適用”的創(chuàng)新需求，形成多品種系列化救援機(jī)器人，建立災(zāi)后快速救援裝備體系，解決救災(zāi)現(xiàn)場機(jī)器人運(yùn)行受限嚴(yán)重、負(fù)載能力不足及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境高精度可信定位和高速率實(shí)時(shí)通信問題。形成智能無人綜合應(yīng)急救援保障工作體系及方法，提升復(fù)雜多變的自然災(zāi)害環(huán)境下應(yīng)急救援裝備救援能力、智能能力與協(xié)同能力，保障救援工作的及時(shí)性、安全性與科學(xué)性，全面提升中國重大自然災(zāi)害的應(yīng)急救援處置能力。

圖11 小型履帶式救援機(jī)器人系統(tǒng)[87]Fig.11 Small crawler rescue robot system[87]

通過科學(xué)問題的探知和關(guān)鍵技術(shù)的研究，揭示救援裝備體系構(gòu)成的關(guān)鍵要素，研制小型多功能高機(jī)動(dòng)高可靠救援機(jī)器人，包括系列化履帶與輪足式災(zāi)后救援平臺(tái)、多功能多自由度協(xié)同救援機(jī)械臂系統(tǒng)、快速通信組網(wǎng)及定位精確感知系統(tǒng)、高效協(xié)同作業(yè)的遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，共同構(gòu)建智能無人綜合應(yīng)急救援裝備體系，實(shí)現(xiàn)救災(zāi)機(jī)器人從功能創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新到適應(yīng)性廣泛的系列需求，通過履帶式、步足式等多種類型救援機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用，解決救援機(jī)器人在現(xiàn)場救援難以轉(zhuǎn)換救援場地、難以便捷作業(yè)、難以實(shí)時(shí)通信、難以協(xié)同作業(yè)的“四難”救援問題，提升應(yīng)急救援裝備的現(xiàn)場處置能力，降低救援人員的傷亡率，保障人民財(cái)產(chǎn)和生命安全，保障救援工作的時(shí)效性、安全性與科學(xué)性。

4 救援機(jī)器人發(fā)展展望

針對自然災(zāi)害現(xiàn)場危險(xiǎn)、環(huán)境復(fù)雜，大型救援裝備無法抵達(dá)、現(xiàn)有偵檢手段失效、救援人員生命受到威脅等應(yīng)急救援難題，救援機(jī)器人具有較好的發(fā)展趨勢，具有以下發(fā)展趨勢。

(1)高機(jī)動(dòng)救援機(jī)器人系統(tǒng)研究。面向不同結(jié)構(gòu)類型的救援機(jī)器人，進(jìn)行小型化、多功能、高機(jī)動(dòng)、高可靠的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究、模塊化設(shè)計(jì)與人機(jī)協(xié)同組裝匹配技術(shù)研究、復(fù)雜救援任務(wù)下的智能化遠(yuǎn)程人機(jī)交互技術(shù)研究、復(fù)雜環(huán)境下的機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)控制研究。完成救援機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模塊化快速組裝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的可靠人機(jī)交互和穩(wěn)定控制。

(2)高負(fù)載機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多臂復(fù)合運(yùn)動(dòng)技術(shù)研究。研制具有吊裝、抓取、剪切、破碎、移除、高空作業(yè)等功能的救援機(jī)器人裝備，采用復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模、強(qiáng)非線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制、遠(yuǎn)程力反饋和多臂閉鏈等理論，突破機(jī)械臂靈巧構(gòu)型設(shè)計(jì)與優(yōu)化、雙曲正切函數(shù)積分滑模變結(jié)構(gòu)控制、主從式力/位多臂協(xié)同運(yùn)動(dòng)、臨場感知力反饋遙操作控制和抓取、剪切、破碎、移除作業(yè)屬具等關(guān)鍵技術(shù)，研制重載液壓機(jī)械臂和多臂協(xié)同遙操作作業(yè)系統(tǒng)；研制液壓屬具通用接口，開發(fā)兩自由度液壓手腕、夾具和抓斗，通過快速更換液壓手腕及夾具實(shí)現(xiàn)多功能作業(yè)，實(shí)現(xiàn)抓取、剪切、破碎、移除等作業(yè)功能，研制吊裝、高空作業(yè)裝備。

(3)基于輕量化技術(shù)的小型多功能高機(jī)動(dòng)救援機(jī)器人系統(tǒng)研究。進(jìn)行高承載救援機(jī)器人平臺(tái)輕量化及高可靠性系統(tǒng)設(shè)計(jì)、災(zāi)后復(fù)雜環(huán)境下救援機(jī)器人平臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)先進(jìn)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)研究、機(jī)器人平臺(tái)救援現(xiàn)場的自適應(yīng)及高機(jī)動(dòng)越障抗沖擊技術(shù)研究、混合動(dòng)力能源的高效管理技術(shù)研究。

(4)基于多傳感器信息融合、室外定位等關(guān)鍵技術(shù)的定位系統(tǒng)研究以及基于主從控制、5G通信等關(guān)鍵技術(shù)的控制通信系統(tǒng)研究。研究多層次自適應(yīng)多源異構(gòu)導(dǎo)航傳感器誤差建模及補(bǔ)償技術(shù)、空地一體化協(xié)同組網(wǎng)理論，通過基于深度時(shí)空網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)的多源自適應(yīng)融合高精度連續(xù)可靠導(dǎo)航定位技術(shù)、基于多源傳感器信息融合的室外定位系統(tǒng)、基于5G和微波通信技術(shù)的主從控制通信系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜災(zāi)害環(huán)境下高精度連續(xù)可靠定位和5G實(shí)時(shí)可靠傳輸。

(5)救援機(jī)器人裝備標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)指標(biāo)體系及其應(yīng)用示范研究。開展小型多功能高機(jī)動(dòng)救援機(jī)器人總成技術(shù)研究、基于重大自然災(zāi)害情景構(gòu)建的多功能高機(jī)動(dòng)救援機(jī)器人驗(yàn)證環(huán)境及指標(biāo)體系構(gòu)建研究、救援機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)研究和重大自然災(zāi)害環(huán)境下救援機(jī)器人多機(jī)協(xié)同技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、示范與評估技術(shù)研究。

5 結(jié)論

(1)論述了中外在多功能裝備、重型機(jī)械臂、定位導(dǎo)航和協(xié)同控制領(lǐng)域的多方面的研究進(jìn)展，中國在救援裝備的理論基礎(chǔ)、集成系統(tǒng)技術(shù)、穩(wěn)定性及操控系統(tǒng)等方面有了很大的進(jìn)步，但與國外還存在一定的差距，這是中國救援裝備發(fā)展的方向和動(dòng)力，以全力促進(jìn)中國應(yīng)急救援處置能力的提升。

(2)在應(yīng)急救援裝備及其智能化領(lǐng)域，應(yīng)重點(diǎn)從救援機(jī)器人高通過性、智能人機(jī)交互操控、多工況智能適應(yīng)、快速組網(wǎng)及自適應(yīng)定位、多裝備協(xié)同控制以及示范應(yīng)用多個(gè)方面開展研究，提升中國應(yīng)急救援的處置水平。

(3)具有高通過性、智能人機(jī)交互操控、多工況智能適應(yīng)、快速組網(wǎng)及自適應(yīng)定位、多裝備協(xié)同控制的多功能高機(jī)動(dòng)機(jī)器人成為救援裝備發(fā)展的新方向，并預(yù)期成為救援裝備的主力軍，提高中國救援的處置能力。