體感遠程控制人形消防機器人應用初探

■ 藍愷　迪慶州公安消防支隊特勤中隊

近年來，隨著社會經濟的迅猛發展，建筑和企業生產的特殊性，導致危險化學品、放射性物質泄漏、隧道火災、礦難等處置難度極大，危險性極高的事故時有發生。根據《中國消防年鑒2014》統計得出，2000年以來，全國發生火災169萬起，在應急救援一線上犧牲的消防員達200余名，700余名消防員傷殘。在大型災害面前，尤其是在有二次爆炸、坍塌等潛在危險的場合，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，“火場換人”需求與日俱增。各消防部隊現已陸續配備消防機器人到應急救援一線，但消防機器人真正參與滅火救援的次數卻很少，實戰應用程度遠未達到預期值，現有消防機器人主要存在性能單一、價格奇高等問題，各類救災機器人功能還不完善，多數為一個履帶底盤加攝像頭、排煙機、水炮等構成的履帶車，只能完成整個消防救災過程中的某一環節，體積龐大，運輸存在一定困難。

為解決這一問題，使消防機器人方便投入實戰，美國波士頓動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節的智能人形機器人Atlas、SAFFiR和E2-DR，這三款機器人可以實現直立行走、翻越障礙物、爬梯、操作復雜器材等功能，基本可以代替人類使用。

以上機器人都是利用程序控制和傳感器反饋的智能機器人，價格及為昂貴，編程和調試需要較高專業知識，本文基于中國消防實際提出一種較為廉價的人形體感控制多用途消防機器人的設計，消防員通過穿戴采集動作用的外骨骼，可以實現體感控制，加上VR頭盔傳輸圖像，使消防員能身臨其境地控制機器人進入危險場合，如同控制自己手腳一般控制機器人進行災害處置，人形設計一方面方便于利用現有器材裝備，使用現有操法和戰斗編程，另一方面無論哪里發生嚴重事故，滅火救援專家都可遠程控制進行第一時間處置。

一、體感控制消防機器人設計過程

因制作人體大小、具有較強負載能力且精度較高的機器人需要諧波舵機等昂貴部件，筆者僅利用普通數字舵機制作1/3大小模型進行演示說明。機器人上體為人形，具有雙手及頭部攝像頭，共有21個自由度（即關節數），下體若采用雙腳設計步態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。

圖1　體感消防機器人整體

（一）軀干設計

機器人軀干利用不銹鋼制作，設置較多孔洞以便于排線及減輕重量，頂部和底部設置舵盤接口，便于在底盤上安裝可供腰部轉動的舵機。

（二）手臂設計

雙手采用扭矩20kg/cm舵機作為動力單元，每只手有9個自由度，包括手臂4個自由度和手指5個自由度，可以完成大臂轉動、抬起；小臂抬起、旋轉；手腕旋轉和每個手指單獨抓握動作。

（三）頭部設計

頭部采用ArkbirdFPV頭部追蹤器和視頻圖傳，機器人頭部攝像頭有兩個自由度，圖像信息通過圖傳發送到VR視頻眼鏡上，VR眼鏡上帶有陀螺儀傳感器，可以隨時檢測操作者頭部姿態，操作者帶上VR視頻眼鏡，機器人攝像頭即可同步跟隨操作者頭部轉動，看向操作者頭部轉動的方向。如圖2，從側視圖和頂視圖進行演示，攝像頭跟隨VR眼鏡運動，VR眼鏡運動軌跡為紅色箭頭，頭部攝像頭運動軌跡為藍色箭頭。

圖2　攝像頭頭部追蹤演示

（四）外骨骼手臂動作采集器

用于采集操作者身體動作的傳感器為3D打印外骨骼，外骨骼共有8個關節，分別對應機器人兩手臂的8個自由度，外骨骼關節處利用磁位器做位置傳感器，操作者運動手臂可使磁位器轉動，磁位器將位置信號通過藍牙模塊無線傳輸到機器人的舵機控制板，控制對應關節的舵機同步轉動到和操作者關節相同的角度。

圖3　外骨骼手臂動作采集器

（五）數據手套手指動作采集器

用于采集操作者手掌動作的傳感器為數據手套，手套里手指部位貼有彎曲度傳感器，彎曲度傳感器由應變片加工而成，根據手指的彎曲，使得傳感器發生形變，傳感器的阻值會發生變化，且阻值的變化和手指的彎曲程度呈正相關關系，利用CPU檢測傳感器阻值的變化，從而可得到手指彎曲情況的信號，將此信號傳遞給機器人手部舵機控制板，機器人手指即可跟隨操作者手指運動。數據手套背部還貼有陀螺儀傳感器，可檢測操作者手掌位置，使機器人手腕同步轉動。

（六）控制實驗

據實驗（圖4、5、6），本文所制作體感消防機器人模型具有一定越障能力，在50米范圍內控制，機器人頭部及手臂可跟隨操作者同步運動，操作者可控制機器人完成一些復雜動作，機器人模型的手臂末端負載約0．7kg。

圖4　體感消防機器人控制實驗

圖5　體感消防機器人控制實驗

圖6　體感消防機器人控制實驗

二、體感遠程控制機器人應用優勢

（一）操作簡單

機器人使用遠程體感控制，操作者只需按平時訓練如同自己進入火場一樣進行控制，利用現有戰斗編程將機器人投入滅火救援戰斗即可，可以使操作者遠離危險，達到減少傷亡目的。

（二）通用性高

由于是人形外型，機器人可作為一個萬能裝備平臺使用各類現有器材裝備，使得機器人可以用于滅火救援各個環節，克服傳統消防機器人只能用于排煙、偵查、出水等單個環節的不足。

（三）專家遠程控制實現第一時間處置

如同醫用手術機器人一般，在地球一端的專家可以操作地球另一端的醫用機器人為患者做手術。體感控制機器人一樣可以實現類似的主-仆式遠距離操作模式，在各危化品單位和重點單位配備一定量體感機器人，當發生事故時，遠在他鄉的滅火救援專家可第一時間穿戴外骨骼控制器接入控制事故單位的體感機器人進行災害處置，免去乘飛機到現場指導工作的時間。同樣，未受過專業消防訓練，沒有應急避險能力的事故單位技術人員，也可遠程控制體感機器人進入事故現場協助處置，可使技術人員免受生命危險。

圖7　專家遠程控制示意圖

（四）模塊化換裝實現不同應用

體感機器人可結合其他類型消防機器人模塊進一步升級為模塊化機器人，針對不同災害場合加裝不同模塊，例如裝上紅外攝像頭模塊或火焰傳感器可探測火源位置；裝上有害氣體檢測傳感器進行氣體檢測；進入樓內內攻時可于前部加裝超聲波測距傳感器探測地面坑洞，實現消防員前虛后實探步功能；在障礙物較多的場合底盤可更換擺臂履帶底盤或四足機器人底盤提高越障能力；若用于深井救援可直接去掉底盤，利用繩子牽引機器人腰部，將機器人放入深井中，救援人員利用機器人在被困人員身上打上繩結，拖出深井。

三、體感遠程控制機器人目前技術難題及缺點

（一）技術瓶頸未突破，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現復雜的爬梯，翻墻等操作。若給機器人加上雙腳，則要面臨極為復雜的步態穩定性與控制策略問題，具體主要有雙足運動的動態穩定與控制機理、雙足步行運動的固有魯棒性機理、實時步態規劃等問題，要解決這些問題制作消防機器人會大幅增加機器人成本。

二是采用電機作為關節驅動的機器人可以簡單實現體感控制，但是無論電機采用何種減速器，機器人的負載能力仍然難以達到人類水平，若采用液壓或者氣壓做仿生關節，機器人負載能力可大幅高于人類，但是液壓或氣壓傳動響應速度較慢，控制存在一定延遲，難以實現體感同步控制，要解決負載的問題需要等待新型關節驅動器如記憶合金驅動、壓電陶瓷驅動的進一步發展。

（二）無線通信困難

一是本文設計的體感機器人在開闊地實驗中受電磁干擾偶爾會出現失控現象，現實火場環境復雜，障礙物較多，電磁干擾更加嚴重，會嚴重影響機器人無線控制，解決這一問題可以通過有線控制機器人進入火場，但是過長的電線在收整過程中易受彎折導致斷芯。

二是遠程控制有一定延遲，本文做實驗都是在百米以內距離，基本不存在延遲，但是距離遠了就會存在令操作者感受明顯的延遲，造成機器人不同步運動，操作困難。筆者于2013年進行機器人遠程控制實驗，在成都實驗室通過搭建虛擬專用網絡控制位于東京實驗室里的機器人，兩地距離約3300km，控制延時為100至150毫秒，此延遲只能基本維持同步控制，若要進行精確度需求很高的操作，延遲易造成操作者運動過度而產生誤操作。隨著網絡通信設備及無線通信技術的不斷發展，此問題有望解決。

（三）基層維護困難

基層維護困難是消防機器人的通病，消防機器人屬高新技術結合體，對操控、維護保養人員技術要求極高。消防機器人的很多零部件，在經歷火場實戰后較易損壞，尤其是電子元件，容易受到潮濕、濃煙和灰塵等影響，基層消防部隊沒有專業知識難以自行更換，維護保養不當則容易在滅火救援中出現問題，不僅會給滅火救援增加難度，自身失控也會導致給被困人員造成危險。

四、結語

人類社會的科技和工業在發展，消防理念和消防器材也應順應科技潮流而發展，科技手段理應在滅火救援中發揮更大的作用，只有從根本上改變思路，積極投身科技強警，才能避免悲劇的再次發生。加大消防機器人的投入，實現“鐵打的營房鐵打的兵”，作戰主力換成只會聽命令的機器人，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管理問題。隨著人工智能、控制理論和材料學的發展，消防機器人定將朝著低成本化、智能化方向發展，有朝一日將在應急救援前線大展雄風。

參考文獻：

欒洋．消防機器人滅火救援應用技術分析[J]．科技展望，2017，（02）．

徐曉明．消防機器人實戰化應用初探[J]．公安部消防局，2016，（09）．