摘要：全地形救援設(shè)備是一種能夠在多種事故及自然災(zāi)害中快速進(jìn)行救援的設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于探查、搜尋、救援等多個領(lǐng)域，可以有效縮短救援時間，提高救援效率，減少事故災(zāi)害中的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。文章分析當(dāng)前國內(nèi)外現(xiàn)有救援設(shè)備行走機構(gòu)的設(shè)計及其應(yīng)用場景，認(rèn)為目前的救援設(shè)備適用范圍有限，并且在復(fù)雜工況下難以保證其操控的靈活度和精準(zhǔn)性。因此，有必要采用遠(yuǎn)程駕駛方式，將人的主動性融入救援設(shè)備中，以提升其應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境的能力。

關(guān)鍵詞：全地形；救援設(shè)備；遠(yuǎn)程駕駛

中圖分類號：TP24" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）04-0100-03

0 引言

近年來，極端天氣事件頻發(fā)，導(dǎo)致災(zāi)害的風(fēng)險系數(shù)不斷提高，災(zāi)害的復(fù)雜性日益加劇，每次事故災(zāi)害的發(fā)生都帶來巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因為事故無法預(yù)測，救援面臨的是“全地域”“全災(zāi)種”的綜合性救援工作，所以救援作業(yè)的區(qū)域存在較大的風(fēng)險［1］。以天津港爆炸火災(zāi)事故為例，遇難的165人中，有110名是救援人員［2］。目前，救援工作的難點在于災(zāi)難和事故發(fā)生后，現(xiàn)場的具體情況不明確，阻礙了搜救工作的順利開展，而且傳統(tǒng)的救援設(shè)備需要現(xiàn)場操作，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的地形，使救援人員面臨巨大的安全風(fēng)險。

現(xiàn)有針對救援機器人的研究主要聚焦于功能模塊搭載、智能算法優(yōu)化、信息采集能力提升及救援設(shè)備結(jié)構(gòu)性能改進(jìn)等方面，但當(dāng)前救援機器人仍存在防水和越障功能不足、移動和轉(zhuǎn)向不靈活、環(huán)境感知能力和智能算法水平不高等問題［3］，在當(dāng)前救援設(shè)備智能化水平較低的情況下，其無法自主完成搜救任務(wù)。因此，借助遠(yuǎn)程駕駛技術(shù)操控救援設(shè)備，實現(xiàn)人機結(jié)合應(yīng)用，是解決當(dāng)前設(shè)備智能化水平不足的有效方式。遠(yuǎn)程駕駛技術(shù)的應(yīng)用對救援設(shè)備的適用性能要求很高，救援的情形有地質(zhì)自然災(zāi)害、火災(zāi)、野外救援以及化學(xué)危險品災(zāi)害，現(xiàn)場的地形包括陡坡、塌陷、崎嶇、狹窄等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境路況［4］。因此，研發(fā)一種能在全災(zāi)種、全地形的環(huán)境中快速越障的行走機構(gòu)和運動平臺，具有提高災(zāi)害處置能力和救援效率、減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的重大現(xiàn)實意義［1，5］。本文梳理全地形救援設(shè)備的研究及發(fā)展趨勢，綜述當(dāng)前救援設(shè)備的行走機構(gòu)類型及應(yīng)用場景，旨在為全地形救援設(shè)備的設(shè)計研究提供參考。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外救援設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀

自“9·11”事件美國首次將機器人應(yīng)用于搜尋幸存者，此舉引發(fā)了全球?qū)仍O(shè)備重要性的認(rèn)識。《時代周刊》報道，在此次救援中，救援機器人在10天內(nèi)于狹小、危險的區(qū)域中搜救的遺體數(shù)量與人工搜救相當(dāng)，但效率卻提高了1倍［6］。此后，救援設(shè)備的研發(fā)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。到目前為止，救援設(shè)備已經(jīng)開發(fā)出多種類型，按照其行走機構(gòu)的類型可以分為履帶式、輪式、腿式、復(fù)合式以及仿生式機器人，救援設(shè)備行走機構(gòu)分類見表1。

國外應(yīng)用救援設(shè)備較早，圖1（a）所示的履帶式救援移動裝備為英國奎奈蒂克公司北美分公司研制的魔爪軍用機器人，該機器人采用遙控控制方式，可以搭載多種組件，執(zhí)行拆除簡易爆炸裝置、偵察等任務(wù)，其他履帶式移動救援設(shè)備還有美國Remotec公司研制的V2機器人，加拿大InvKtun公司研制的MicroVGTV機器人等［7］。圖1（b）所示的輪式救援移動設(shè)備為美國桑地亞國家實驗室智能系統(tǒng)和智能機器人研究中心研發(fā)的RATLLER機器人［8］，該機器人采用的輪式行走機構(gòu)，由4個驅(qū)動輪構(gòu)成，具有較強的機動性能，行駛速度較快，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，但其越障性能較差，只適合在平坦的地形中行駛，此類輪式移動救援設(shè)備還有美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)研制的Groundhog救援機器人等。圖1（c）所示的腿式機器人為東京工業(yè)大學(xué)的遠(yuǎn)藤玄研制的四腿機器人，該機器人在崎嶇路面也能自由行進(jìn)，還能上下臺階，在房屋坍塌的受災(zāi)現(xiàn)場等非結(jié)構(gòu)化路面上可自如行走，幫助搬運救援物資和執(zhí)行現(xiàn)場搜救任務(wù)［9］。此外，卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)研制的八足機器人可以適應(yīng)多種極限道路工況。圖1（d）所示的輪腿復(fù)合式機器人是美國波士頓動力公司研制的Handle機器人，其底部采用車輪的方式并在支撐處結(jié)合腿的方式進(jìn)行運動，車輪的運動方式保證車輛能快速行進(jìn)，兩輪的結(jié)構(gòu)使其具有良好的轉(zhuǎn)彎性能，因其支撐的腿部關(guān)節(jié)的運動具有彈性，可保證機器人在上下坡時像人一般穩(wěn)定行進(jìn)［10］。圖1（e）所示的腿履復(fù)合機器人為美國維克那機器人公司研制的BEAR救護(hù)機器人，該款機器人將腿和履帶結(jié)合在一起，其履帶既可以起行走的作用，也可以改變機器人身軀的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)類似于腿的動作，從而具備跨越不同地形的功能。其他復(fù)合式救援設(shè)備還有美國iRobot公司生產(chǎn)的Packbot系列機器人［11］，該類型的機器人在兩邊的履帶上加上擺臂，擺臂可以將機器人支撐起來，從而實現(xiàn)跨越臺階的功能。圖1（f）所示為日本東北大學(xué)研發(fā)的仿蛇形機器人，該救援機器人采用振動馬達(dá)獲得動力，可根據(jù)空氣噴射的方式調(diào)整位置，其突出的優(yōu)點是可以穿越狹窄的間隙［12］。其他的仿生式救援設(shè)備還有美國加利福尼亞大學(xué)設(shè)計的蒼蠅仿形機器人、蟑螂仿形機器人等。

綜上，國外救援機器設(shè)備的研發(fā)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，在機構(gòu)方面的變形種類和拓展非常豐富，并且許多機器人已經(jīng)開展應(yīng)用，得到了良好的反饋。

1.2 國內(nèi)救援設(shè)備研發(fā)成果與進(jìn)展

國內(nèi)研發(fā)救援設(shè)備相較于國外雖然起步較晚，但是研發(fā)成果也相當(dāng)豐富。中國礦業(yè)大學(xué)長期對煤礦井下開采環(huán)境進(jìn)行分析，研制了履帶行走的CUMT系列救援機器人，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化機器人的視覺技術(shù)、智能控制系統(tǒng)、行走機構(gòu)以及環(huán)境識別自主避障功能等，研發(fā)的救援機器人已經(jīng)有較好的應(yīng)用［3，8，13-14］。劉罡［15］研制多節(jié)串聯(lián)多履帶構(gòu)型的救援機器人，對其結(jié)構(gòu)特性和運動策略展開了研究。王繼斌［16］研究應(yīng)用于地震廢墟狹窄空間中的救援機器人。孫霖［17］研究城市災(zāi)害中攜帶救援臂的救援機器人，不斷拓展救援機器人的應(yīng)用范圍以及功能。賈現(xiàn)軍［18］對救援機器人在水下調(diào)整姿態(tài)位置的方式進(jìn)行仿真試驗研究，運用深度控制算法提高控制精度并減少了運行時的干擾。龍建成等［19］研制了可在水下進(jìn)行救援的機器人，該機器人采用6個3葉螺旋槳作為動力，具備水下拍攝和人機交互功能，并且通過機械臂實現(xiàn)水下救援的目的。欒憲超等［20］研制了應(yīng)用于廢墟環(huán)境的蛇形救援機器人，通過算法優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其具備良好的跨越臺階、溝壑的能力，并且減少了設(shè)備的運行誤差?？軓┦|［21］對七自由度冗余機械臂進(jìn)行運動學(xué)分析求解和仿真，提高了機械臂的負(fù)重功能和作業(yè)空間。國內(nèi)學(xué)者對救援機器人的研究雖然具有良好的理論基礎(chǔ)，但是實際應(yīng)用案例還較少，需要進(jìn)行更多的實例驗證分析，才能更好地為救援、救災(zāi)行動提供輔助。

2 市場預(yù)測和發(fā)展趨勢

2.1 救援設(shè)備發(fā)展趨勢與特征

近年來，國家對應(yīng)急能力體系進(jìn)行了全面的建設(shè)，先后推動實施了自然災(zāi)害防治技術(shù)裝備現(xiàn)代化工程和安全應(yīng)急裝備創(chuàng)新發(fā)展工程。高效精良的技術(shù)裝備是實施高質(zhì)量科學(xué)救援的有力保障，加快推進(jìn)搶險救災(zāi)工程機械研發(fā)制造對提升應(yīng)急救援能力具有重要意義。

從當(dāng)前各種災(zāi)難救援的現(xiàn)場情境和道路環(huán)境看，救援設(shè)備的發(fā)展趨勢更多地往智能化、輕型化、模塊化的方向發(fā)展，并具備通用化、多功能化的特征［1，4-5］。在國家政策的大力支持下，未來救援機器人的應(yīng)用將拓展到水下、煤礦、自然災(zāi)害、火災(zāi)、化學(xué)危險物品、高層建筑等多個領(lǐng)域，研究內(nèi)容既包括硬件技術(shù)上的傳感性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備功能，也包括軟件技術(shù)上的智能算法、虛擬與現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合、控制系統(tǒng)研發(fā)、定位導(dǎo)航等。

2.2 救援設(shè)備發(fā)展展望

在政策的推動下以及技術(shù)快速發(fā)展的推動下，救援設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用將會得到更多的重視，對設(shè)備功能的要求也會不斷提高，研制一種能適用于全地形的救援車輛，對救援救災(zāi)工作具有重大的現(xiàn)實意義，其市場空間必定廣闊。

3 結(jié)語

當(dāng)前，救援設(shè)備的行走機構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)履帶式、輪式、腿式、復(fù)合式以及仿生式機器人等多種類型，其智能控制程度和相關(guān)分析理論也在不斷提升，但目前適用場景往往有限，一方面受制于行走機構(gòu)對各種復(fù)雜地形的自適應(yīng)能力，另一方面受制于復(fù)雜地形帶來感知運算的不確定性。因此，通過遠(yuǎn)程駕駛的方式與全地形救援設(shè)備進(jìn)行結(jié)合，可以有效應(yīng)對非結(jié)構(gòu)化地形的救援行動。

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