我國地震應(yīng)急救援機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用研究

張 瑩 尹文剛 郭紅梅 趙 真

1.四川省地震局 四川 成都 610000

2.武警警官學(xué)院 四川 成都 610000

引言

地震災(zāi)害是一種突發(fā)的、不可預(yù)測的自然災(zāi)害，容易產(chǎn)生嚴(yán)重的次生災(zāi)害，對社會產(chǎn)生極大影響。災(zāi)后搜救工作對救援人員來說是非常復(fù)雜、危險和緊迫的，給救援工作開展帶來了極大的困難。救援機(jī)器人以體積小、靈活等優(yōu)點成為災(zāi)后輔助救援的有效工具。救援機(jī)器人在災(zāi)后救援工作中具有以下非常明顯的優(yōu)勢：可以連續(xù)執(zhí)行救援任務(wù)；能夠在高溫、高壓等危險環(huán)境下工作；可以搭載必要的操作工具深入廢墟狹窄空間進(jìn)行遠(yuǎn)程操作；靈活，可以深入救援人員無法到達(dá)的地帶拍攝資料供救援人員參考；重量輕，不容易引起危險建筑物的二次坍塌。

1 我國地震應(yīng)急救援工具發(fā)展現(xiàn)狀

由于我國在救援工具相關(guān)產(chǎn)品方面的自動化水平比較低，多為切割、頂撐等手持設(shè)備，救援效率非常低。國外的救援工具相關(guān)產(chǎn)品自動化水平相對較高，但是救援工具的遠(yuǎn)程操控能力較低，都需要救援人員親自動手實施救援。目前國內(nèi)常用的頂撐、切割救援工具主要有以下幾種：

(1)抬升器：抬升器是一種液壓驅(qū)動救援工具，原理類似于液壓千斤頂。體積小，頂撐壓力非常大，適合于在廢墟狹窄空間內(nèi)作業(yè)，重量輕，攜帶非常方便。

(2)千斤頂：千斤頂是一種輕小起重設(shè)備，根據(jù)驅(qū)動方式不同可分為機(jī)械式和液壓式兩種。液壓千斤頂基于帕斯卡原理，而機(jī)械千斤頂采用機(jī)械原理，通過往復(fù)扳動手柄，帶動棘輪間歇運動，然后經(jīng)過一級錐齒輪傳動使螺桿旋轉(zhuǎn)，帶動升降套筒升起或落下，達(dá)到起重的功能，但不如液壓千斤頂簡易。

(3)電動機(jī)械千斤頂：整個系統(tǒng)包括一螺桿千斤頂、一配備減速箱的電機(jī)、一套傳動螺桿上的軸承、一電源開關(guān)。電機(jī)通電后帶動螺桿相對于螺母旋轉(zhuǎn)，鉸支形式的頂撐工具開始運動，通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)升起和降落，能夠穩(wěn)定、安全、迅速的將重物舉起。

(4)電動液壓千斤頂：整個裝置由液壓缸和電動泵站組合而成。當(dāng)給千斤頂通電后，電動泵站開始工作，電動泵站由電機(jī)帶動液壓泵開始給液壓缸傳送液壓油，給較小的活塞面施加壓力，由帕斯卡原理可知，大的活塞面就可以承受比較大的壓力，從而緩慢的將重物頂起。

(5)救援頂桿：救援頂桿是一種手持型救援設(shè)備，有液壓式、氣動式和機(jī)械式。根據(jù)其支撐頂力可分為：一級救援頂桿、二級救援頂桿和三級救援頂桿。救援頂桿是一種破拆器材，多用于救護(hù)被困于廢墟狹窄環(huán)境中的受害人，由于具有頂撐力大、重量輕等優(yōu)點而較為常用。

(6)起重氣墊：起重氣墊的工作原理是將其放置于被托起重物下方，然后用高壓氣瓶對氣墊進(jìn)行充氣，救援起重氣墊適用于起重形狀不規(guī)則的重物，當(dāng)普通起重設(shè)備難以工作的時它能夠起到很好的作用。

(7)角磨機(jī)：電動角磨機(jī)有交流供電也有直流供電，其工作原理都是電機(jī)經(jīng)過一級螺旋錐齒輪減速帶動不同的切割片高速旋轉(zhuǎn)。不同的切割片用來切割不同的材料，玻璃鋼材料的切割片用來切割金屬材料，通過高速切割片與物體摩擦從而將物體切開。

(8)液壓鉗：液壓鉗采用剪式支架，動力源為液壓裝置。以液壓油缸推動剪式支架，應(yīng)用杠桿原理，將液壓缸的推力轉(zhuǎn)化為鉗口上的夾持力。當(dāng)混凝土無法承受鉗口的夾持力時，混凝土則被夾碎解體。一般災(zāi)后廢墟中會有很多鋼筋件暴露在外，用液壓鉗可以將鋼筋直接剪斷，有效地縮短救援時間。

2 我國地震應(yīng)急救援機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

地震災(zāi)害救援策略和技術(shù)研究是當(dāng)今科學(xué)界的重要課題，地震應(yīng)急救援機(jī)器人已成為輔助或代替人類開展災(zāi)后救援的重要技術(shù)工具，而且將來會成為救援人員不可缺少的裝備。當(dāng)前國內(nèi)外成立了許多救援機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)會議，對救援機(jī)器人的快速發(fā)展起到很好的推動作用。到目前為止國內(nèi)外在救援機(jī)器人的研究方面取得了一定的成績，有些已經(jīng)成功應(yīng)用到實際救災(zāi)現(xiàn)場。根據(jù)運動方式的不同，目前，現(xiàn)有的地震救援機(jī)器人可分為以下幾類。

(1)無擺臂履帶式救援機(jī)器人：無擺臂履帶式機(jī)器人運動能力和地形適應(yīng)能力較強(qiáng)，與地面的接觸面積大，機(jī)器人在行走過程中地面的附著力大。通過履帶的差速運動可以使機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑更小，但越障能力有限，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，履帶的傳動效率比較低。

(2)有擺臂履帶式救援機(jī)器人：有擺臂的履帶式救援機(jī)器人是在無擺臂的履帶救援機(jī)器人的兩側(cè)加兩個或四個能轉(zhuǎn)動的履帶關(guān)節(jié)，用來協(xié)助機(jī)器人翻越障礙，其對各種地形的通過能力更強(qiáng)，但同時結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。履帶式機(jī)器人是為了滿足軍事偵察、拆除危險物等作業(yè)的需要，在傳統(tǒng)的輪式移動機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。他們主要是為了滿足軍事需要而開發(fā)的.體積普遍偏大，不太適合在倒塌的建筑物廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋幸存者。

(3)輪式救援機(jī)器人：輪式行走機(jī)構(gòu)的發(fā)展時間比較長，應(yīng)用比較廣，輪式機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，運動速度快，容易控制，但地形適應(yīng)能力較差。在相對平坦的地面，輪式機(jī)器人行走速度比較快，在有垂直障礙或者溝壕的地面行走比較困難，而且車輪和地面的接觸面積比較小，導(dǎo)致其爬坡越障時會出現(xiàn)動力不足。

(4)蛇形救援機(jī)器人：蛇形機(jī)器人通常以履帶作為行走部件，通過主動或被動的關(guān)節(jié)將許多相對獨立的履帶單元連接在一起，機(jī)器人具有一定的柔性，能夠在比較復(fù)雜的地面行走，具有更強(qiáng)的地面適應(yīng)能力和越障能力。國防科技大學(xué)研制了一種蛇形機(jī)器人，長1.2米、直徑0.06米、重1.8公斤，能像蛇一樣扭動身軀，可前進(jìn)、后退、拐彎和加速，其最大速度每分鐘可達(dá)20米，頭部是機(jī)器人的控制中心。

(5)可變形救援機(jī)器人：可變形機(jī)器人通過調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)姿態(tài)或者連成多節(jié)來改變機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形態(tài)，使機(jī)器人對復(fù)雜路況有更強(qiáng)的通過性。和蛇形機(jī)器人相比可變形履帶機(jī)器人的體積更小。可變形救援機(jī)器人綜合了履帶機(jī)器人和蛇形機(jī)器人的特點，運動能力和地形適應(yīng)能力更強(qiáng)。由中國礦業(yè)大學(xué)可靠性與救災(zāi)機(jī)器人研究所研制的國內(nèi)首臺煤礦搜救機(jī)器人采用自主避障和遙控引導(dǎo)相結(jié)合的行走控制方式，它能夠深入事故礦井，探測前方的火災(zāi)溫度、瓦斯?jié)舛取?zāi)害場景、呼救聲訊等信息。同時，搜救機(jī)器人攜帶了急救藥品、食物、生命維持液和簡易自救工具[1]。

3 地震應(yīng)急救援機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

3.1 地震應(yīng)急救援機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

(1)移動性及其機(jī)械機(jī)構(gòu)。移動性是救援機(jī)器人完成救援工作的決定因素。機(jī)器人移動平臺應(yīng)該能夠在惡劣廢墟環(huán)境中靈活地穿梭于狹小的空間之中，能夠翻越障礙，爬樓梯，穿越泥濘的道路等，且機(jī)器人的移動不應(yīng)對周圍不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，以免發(fā)生二次坍塌或爆炸等。此外，機(jī)器人還應(yīng)該具備適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力，具有防水、耐高溫等能力。

(2)傳感檢測裝置。救援機(jī)器人的主要工作就是通過傳感器實現(xiàn)自身的導(dǎo)航、環(huán)境信息的獲取以及幸存人員的搜尋。由于災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性及不確定性，傳統(tǒng)在室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境中已較成熟的導(dǎo)航算法無法滿足救援工作的要求，傳統(tǒng)的聲納、激光測距儀等在充滿煙霧和灰塵的環(huán)境中也很難取得理想的效果。目前救援機(jī)器人主要采用人工控制方式來實現(xiàn)機(jī)器人的導(dǎo)航。

(3)人機(jī)通訊方式。目前常用的通信方式有無線和電纜兩種方式。電纜方式可以穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)機(jī)器人和操作者之間的信息傳送。但電纜方式也存在一定的問題，隨著機(jī)器人搜尋范圍的深入，線纜很容易發(fā)生纏繞而影響機(jī)器人的移動性。研制收放靈活的電纜卷繞裝置是解決目前有線通信方式機(jī)器人通訊問題的關(guān)鍵。無線通訊方式的穩(wěn)定性較難保證，即使在穿透性能最佳的頻段，也會由于帶寬及各種干擾的影響使得通訊無法正常進(jìn)行。“911”事件的救援工作證明，無線方式的機(jī)器人大約有25%以上的時間無法正常通訊。穩(wěn)定可靠的通訊方式是當(dāng)前救援機(jī)器人領(lǐng)域需要很好解決的關(guān)鍵問題之一。

(4)傳感器融合。由于救援現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，對傳統(tǒng)的室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下傳感器數(shù)據(jù)的處理算法不能滿足救援工作的需要。如通過視頻圖像對幸存者的檢測，由于灰塵、煙霧等的影響使得識別變得非常困難，通過檢測到聲音的方向辨別幸存者的方位，也由于現(xiàn)場噪音的影響而變得很困難。因此，為了完成搜索并發(fā)現(xiàn)幸存者，必須通過多種傳感器數(shù)據(jù)的融合，研究更加有效的識別算法。

3.2 地震應(yīng)急救援機(jī)器人的實際應(yīng)用 四川雅安蘆山發(fā)生7.0級地震造成人員嚴(yán)重傷亡，中國地震應(yīng)急搜救中心與中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制的“旋翼空中搜索機(jī)器人”和“廢墟洞穴可變形機(jī)器人”第一時間趕赴現(xiàn)場[2]，配合國家地震災(zāi)害緊急救援隊開展搜索行動，發(fā)揮出高科技裝備快速、高效、精準(zhǔn)、靈活的優(yōu)勢，實現(xiàn)了國家863計劃項目科研成果首次在地震現(xiàn)場實際救援工作中的實戰(zhàn)應(yīng)用，受到了各級領(lǐng)導(dǎo)、特別是科技部領(lǐng)導(dǎo)的高度認(rèn)可和好評，在某種程度上彌補(bǔ)了汶川地震救援高技術(shù)裝備--地震搜救機(jī)器人沒有參與的遺憾。這款機(jī)器人可進(jìn)入廢墟內(nèi)部，利用自身攜帶的紅外攝像機(jī)、聲音傳感器等將廢墟里的圖像、語音等信息實時傳回后方空調(diào)，讓救援人員通過廢墟搜救可變形機(jī)器人及時了解廢墟內(nèi)的情況，做出正確的救援安排。

面向城市地震災(zāi)害瞬間造成的大量處于極度失穩(wěn)狀態(tài)的固體廢墟，如果救援人員冒然進(jìn)入，在遭遇余震隨時引起的廢墟二次坍塌極有可能造成救援隊員的傷亡。廢墟表面機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主與遙控相結(jié)合的機(jī)器人操控，具有適應(yīng)瓦礫表面運動的移動機(jī)構(gòu)，可以攜帶視頻、音頻、有毒有害氣體檢測傳感器等任務(wù)載荷，在廢墟表面開展搜索幸存者。

面對危險地震廢墟，廢墟洞穴搜救機(jī)器人可以進(jìn)入廢墟內(nèi)部搜索幸存者并輔助救援人員打通救援通道，不僅降低了搜救風(fēng)險，也大大提高救援效率。廢墟搜索可變形機(jī)器人本體由三個模塊組成，具有九種構(gòu)型，可以根據(jù)任務(wù)類型及環(huán)境條件改變自身的構(gòu)型，適應(yīng)復(fù)雜地震廢墟。它可進(jìn)入廢墟內(nèi)部，利用自身攜帶的紅外攝像機(jī)、聲音傳感器將廢墟內(nèi)部的圖像、語音信息實時傳回后方控制臺，供救援人員快速確定幸存者的位置及周圍環(huán)境。也可以搭載生命探測雷達(dá)、生命支撐物質(zhì)輸送、有毒有害氣體探測等多種任務(wù)載荷，進(jìn)入廢墟內(nèi)部開展幸存者搜索。搜救中心與上海大學(xué)聯(lián)合研制的廢墟縫隙機(jī)器人，在充分研究地震救援實際需求的前提下，改變了以往救援裝備中蛇眼僅具有視頻、音頻的有限功能不足，使廢墟縫隙機(jī)器人不僅具備視頻、音頻的搜索功能，而且具備有輸送氧氣和水等液體功能的輔助營救功能。

4 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，特種機(jī)器人以不同的應(yīng)用方式越來越多被大家熟知。機(jī)器人技術(shù)是一個多學(xué)科交叉融合的技術(shù)，對環(huán)境有很好的適應(yīng)性，而且可以達(dá)到智能化程度，在代替人類深入危險惡劣環(huán)境實施作業(yè)方面有很大的優(yōu)越性。所以將特種機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到抗震救災(zāi)技術(shù)領(lǐng)域是非常有必要的，研制出輔助或者代替人類深入廢墟危險環(huán)境實施偵察、探測、救援等的特種機(jī)器人是當(dāng)前非常具有挑戰(zhàn)性的新領(lǐng)域。