賈 碩，張文昌，吳 航，陳 煒*，張永梅

（1.天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384；2.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所,天津 300161）

0 引言

全球自然災(zāi)害與人為災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著人類安全和社會(huì)穩(wěn)定。在災(zāi)后遇難者中有相當(dāng)一部分人是由于得不到及時(shí)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(huì)延誤救援人員進(jìn)入災(zāi)區(qū)的時(shí)間，導(dǎo)致救援不及時(shí)。在火災(zāi)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(yán)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(yīng)用救援機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域的搜索探測、物資運(yùn)輸、傷員后送可有效提高救援、偵察效率，保障任務(wù)人員安全。對(duì)于救援機(jī)器人技術(shù)的使用將成為突發(fā)災(zāi)害事件應(yīng)急處置的重要技術(shù)手段。

本文以搜索救援機(jī)器人、運(yùn)載救援機(jī)器人和多任務(wù)救援機(jī)器人為例，介紹救援機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，分析其技術(shù)特點(diǎn)并提出其發(fā)展趨勢。

1 救援機(jī)器人研究現(xiàn)狀

在2001年的美國“9·11”恐怖襲擊災(zāi)難救援中，救援機(jī)器人的成功應(yīng)用引發(fā)了世界各國院校、公司和研究機(jī)構(gòu)對(duì)救援機(jī)器人的研究熱潮[2-4]。近20 a來，救援機(jī)器人技術(shù)不斷更新、功能不斷完善，已被越來越多地應(yīng)用到救援任務(wù)中。

1.1 搜索救援機(jī)器人

1.1.1 研究現(xiàn)狀

搜索救援機(jī)器人是最早應(yīng)用到災(zāi)后救援的機(jī)器人，主要用于生命搜索與危險(xiǎn)區(qū)域檢測。美國Fostermiller公司的履帶式救援機(jī)器人TALON（如圖1所示）在眾多參與“9·11”救援任務(wù)的機(jī)器人中表現(xiàn)優(yōu)異[2-4]。該機(jī)器人質(zhì)量約40 kg，機(jī)動(dòng)靈活、轉(zhuǎn)向迅速，具有良好的地面適應(yīng)性。同時(shí)，該機(jī)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(jìn)行搜索任務(wù)。在更為特殊的排爆作業(yè)中，該機(jī)器人也可通過機(jī)械臂的夾鉗夾斷爆炸物引信，排除爆炸危險(xiǎn)。

另外，美國iRobot公司研發(fā)的PackBot搜索救援機(jī)器人（如圖2所示）采用鰭狀肢履帶結(jié)構(gòu)，在越障時(shí)可根據(jù)障礙物的外形進(jìn)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(qiáng)的越障能力[5-7]。該機(jī)器人具有夜視、變焦和照明功能的4個(gè)攝像頭，可實(shí)現(xiàn)圖像的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)處理、傳輸以及環(huán)境感知。

圖1 TALON救援機(jī)器人[2]

圖2 PackBot搜索救援機(jī)器人[5]

對(duì)于一般救援任務(wù)，輪履運(yùn)動(dòng)形式的搜索救援機(jī)器人或旋翼飛行器能完成對(duì)災(zāi)后現(xiàn)場的勘察搜索，但對(duì)于非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜環(huán)境，如廢墟內(nèi)部，輪履式搜索救援機(jī)器人無法抵近救援[8-9]。仿生搜索救援機(jī)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(dòng)靈活等特點(diǎn)，可順利完成廢墟內(nèi)部等狹小空間環(huán)境的搜索任務(wù)。

卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)研制的蛇形機(jī)器人較其他蛇形機(jī)器人有較小的橫截面積，這意味著它具有更強(qiáng)的狹小空間通過能力[10]。該機(jī)器人使用有線傳輸?shù)姆绞綄⒁挂晹z像機(jī)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?zhǔn)備較為煩瑣，但這種方式對(duì)于信息傳輸具有較高的可靠性與穩(wěn)定性。圖3是該機(jī)器人參與2017年墨西哥地震救援時(shí)的畫面。

圖3 卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)研制的蛇形機(jī)器人[10]

Sarcos公司研發(fā)的蛇形機(jī)器人GuardianS（如圖4所示）有著強(qiáng)大的搜索能力，在總質(zhì)量6 kg的機(jī)體中配備有4.5 kg的搜索探測設(shè)備，其中有攝像機(jī)、氣體探測器、振動(dòng)探測器等多種傳感器[10]。Guardian S前后兩端采用履帶的運(yùn)動(dòng)形式，履帶可沿機(jī)器人軸向旋轉(zhuǎn)，做出橫向搖晃、滾動(dòng)等動(dòng)作。Guardian S不僅擁有蛇形機(jī)器人的靈活性，同時(shí)具有履帶式救援機(jī)器人的行進(jìn)速度。

圖4 Guardian S[10]

1.1.2 技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)表1的總結(jié)分析可以看出，履帶式搜索救援機(jī)器人有著較廣泛的實(shí)用性，但對(duì)于更深入的搜索探測有著一定的局限性。蛇形救援機(jī)器人雖然通用性較低且運(yùn)動(dòng)速度較慢，但其強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)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(jī)器人對(duì)比

以TALON為代表的履帶式救援機(jī)器人在發(fā)展與應(yīng)用上相對(duì)成熟，但其控制方式相對(duì)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(yīng)用，機(jī)器人將會(huì)逐漸由人工操作向自行搜索轉(zhuǎn)變。因此，該類救援機(jī)器人智能化程度的提高與控制方式的更新將有利于在復(fù)雜救援任務(wù)中具有更準(zhǔn)確快速的反應(yīng)能力和處理能力。

以卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)研制的蛇形救援機(jī)器人為代表的仿蛇運(yùn)動(dòng)救援機(jī)器人擁有強(qiáng)大的廢墟搜索能力和環(huán)境適應(yīng)能力，可適用于礦難救援、深度救援等場景，但其移動(dòng)速度較慢，很大程度限制了搜救效率。雖然仿蛇類救援機(jī)器人參與的救援行動(dòng)有限，但其搜索救援效果是非常突出的。隨著仿蛇類救援機(jī)器人移動(dòng)速度和智能化程度的提高，其在以后的深度救援中會(huì)有著較好的應(yīng)用前景。

1.2 運(yùn)載救援機(jī)器人

1.2.1 研究現(xiàn)狀

運(yùn)載救援機(jī)器人作為救援機(jī)器人中的“大力士”，可在第一時(shí)間攜救援物資同救援人員進(jìn)入災(zāi)區(qū)開展救援工作，也可將受傷人員運(yùn)送至安全地點(diǎn)。因此，運(yùn)載救援機(jī)器人在救援任務(wù)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(dòng)力公司的四足機(jī)器人LS3（如圖5所示）可伴隨步兵班組在野外環(huán)境下負(fù)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(qiáng)，即使跌倒也能自行恢復(fù)平衡。

圖5 LS3四足機(jī)器人[2]

麻省理工學(xué)院在美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）的部分資助下，研發(fā)了“獵豹”四足機(jī)器人，這款機(jī)器人的奔跑速度高達(dá)45 km/h[11]。最新版本的“獵豹2”（如圖6所示）配備有激光雷達(dá)系統(tǒng)，可以自動(dòng)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(dòng)力公司繼續(xù)研發(fā)了世界上奔跑速度最快的四足機(jī)器人“野貓”[11]。

圖6 “獵豹2”四足機(jī)器人[11]

“爬行者”（Crawler）機(jī)器人（如圖7所示）是日本橫濱警視廳研發(fā)的傷員后送機(jī)器人[12]。該機(jī)器人內(nèi)部可運(yùn)載一名傷員，其內(nèi)部的各種傳感器可對(duì)運(yùn)送過程中的傷員進(jìn)行生命體征檢測。因此，該機(jī)器人可隨救援人員進(jìn)入災(zāi)區(qū)，分擔(dān)救援人員的傷員運(yùn)送工作。

圖7 “爬行者”機(jī)器人[12]

日本東京消防廳研制的RoboCue傷員后送機(jī)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(jī)搜尋傷員，并通過機(jī)械臂將搜尋到的傷員轉(zhuǎn)移到機(jī)器人內(nèi)部，完成對(duì)傷員的搜尋與運(yùn)送[13-14]。另外，RoboCue設(shè)計(jì)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(yùn)送過程中的基本生命支持。

圖8 RoboCue傷員后送機(jī)器人[13-14]

美國VecnaRobotics公司研制的戰(zhàn)場救援機(jī)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(dòng)態(tài)平衡技術(shù)，可避免顛簸，減少對(duì)傷員的二次傷害[15]?！癇ear”擁有2種行進(jìn)模式，一種是在平坦路面用輪式行進(jìn)，另一種是對(duì)于崎嶇路面，會(huì)降低重心，切換成履帶行進(jìn)，以便最大限度地減小顛簸，從而保護(hù)傷員。

圖9 “Bear”戰(zhàn)場救援機(jī)器人[15]

在國內(nèi)，上海交通大學(xué)研發(fā)的“六爪章魚”機(jī)器人（如圖10所示）是一種由18個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的腿式并聯(lián)步行機(jī)器人[16]。該機(jī)器人承載能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)靈活、路面適應(yīng)性強(qiáng)，可在多種地形環(huán)境執(zhí)行救援任務(wù)。但由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的限制，其運(yùn)動(dòng)速度只有1.2 km/h。

圖10 “六爪章魚”機(jī)器人[16]

中南大學(xué)研發(fā)的PH并聯(lián)六足機(jī)器人如圖11所示，該機(jī)器人的上平臺(tái)上配有可旋轉(zhuǎn)的激光雷達(dá)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的三維掃描，增強(qiáng)了機(jī)器人對(duì)周圍事物的狀態(tài)感知[17]。PH可通過四足支撐，運(yùn)用另兩足拾取物體。在結(jié)構(gòu)形式與運(yùn)動(dòng)形式上，與“六爪章魚”機(jī)器人相似，同樣具有承載能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)靈活、使用領(lǐng)域廣泛等特點(diǎn)。

圖11 PH并聯(lián)六足機(jī)器人[17]

1.2.2 技術(shù)特點(diǎn)

從表2可以看出，運(yùn)載救援機(jī)器人按救援功能可分為物資運(yùn)載救援機(jī)器人與傷員運(yùn)載救援機(jī)器人兩類。物資運(yùn)載救援機(jī)器人具有承載能力強(qiáng)與通過性強(qiáng)等特點(diǎn)，其在與救援人員前往災(zāi)區(qū)的過程中，對(duì)救援人員的幫助最為直接。特別是足式物資運(yùn)載救援機(jī)器人，可以在災(zāi)后非結(jié)構(gòu)地形中隨救援人員行進(jìn)。足式物資運(yùn)載救援機(jī)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(yùn)動(dòng)速度，而并聯(lián)足式有著更強(qiáng)的負(fù)載能力。因此，現(xiàn)階段足式物資運(yùn)載救援機(jī)器人面臨的問題是單位體積負(fù)載能力與行進(jìn)速度兩者之間的平衡。

表2 運(yùn)載救援機(jī)器人對(duì)比

傷員運(yùn)載救援機(jī)器人相對(duì)物資運(yùn)載救援機(jī)器人有著更嚴(yán)格的運(yùn)送標(biāo)準(zhǔn)。雖然傷員運(yùn)載救援機(jī)器人擁有生命檢測系統(tǒng)與生命維持系統(tǒng)，但該類機(jī)器人對(duì)傷員的準(zhǔn)確識(shí)別與柔性搬運(yùn)的能力相對(duì)較低，而且在運(yùn)送過程中機(jī)器人會(huì)隨路面變化產(chǎn)生顛簸，易對(duì)傷員造成二次傷害。傷員運(yùn)載救援機(jī)器人在現(xiàn)階段還無法準(zhǔn)確完成對(duì)傷員的識(shí)別與搬運(yùn)，同時(shí)國內(nèi)外對(duì)傷員運(yùn)載救援機(jī)器人的研究主要還停留在實(shí)驗(yàn)階段，技術(shù)也不是非常成熟。因此，載人救援機(jī)器人的傷員識(shí)別、柔性搬運(yùn)及傷員運(yùn)送平穩(wěn)性依然是目前的研究難點(diǎn)和重點(diǎn)。

1.3 多任務(wù)救援機(jī)器人

1.3.1 研究現(xiàn)狀

多任務(wù)救援機(jī)器人一般指具有多種任務(wù)模式、可精確操作目標(biāo)物體且智能程度較高的救援機(jī)器人。葡萄牙里斯本大學(xué)研發(fā)的多用途救援機(jī)器人MPRV如圖12所示，可用于核電站的維護(hù)檢修與核事故救援[18]。其2個(gè)獨(dú)立的機(jī)械手可以完成非常復(fù)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(jī)械手末端的2個(gè)3D操控?cái)z像頭，這3類攝像頭可實(shí)現(xiàn)操控者的遠(yuǎn)程虛擬現(xiàn)實(shí)操作。

圖12 MPRV多用途救援機(jī)器人[18]

德國波恩大學(xué)的NimbRo救援隊(duì)研發(fā)的移動(dòng)操控機(jī)器人Momaro如圖13所示[10]，該機(jī)器人在混合移動(dòng)平臺(tái)上擁有一個(gè)擬人化的上身。Momaro頭部配備有多種傳感器，可以產(chǎn)生一個(gè)球形的視場，其中包括1個(gè)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的3D激光掃描儀、8個(gè)RGB-D相機(jī)以及一個(gè)自頂向下的廣角相機(jī)。Momaro的操作單元是2個(gè)七自由度機(jī)械臂，可完成多種復(fù)雜操作。

圖13 Momaro救援機(jī)器人[10]

2015年，美國舉辦的DARPA救援機(jī)器人挑戰(zhàn)賽吸引了世界各國的救援機(jī)器人參賽，韓國的DRCHUBO機(jī)器人（如圖14所示）獲得了當(dāng)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(shí)它也可以屈膝，利用膝蓋和腳上的輪子前進(jìn)。DRC-HUBO靈活的機(jī)械手臂可以完成非常復(fù)雜的操作任務(wù)，如開關(guān)門、使用工具等。

圖14DRC-HUBO救援機(jī)器人[10]

美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)研發(fā)的CHIMP救援機(jī)器人（如圖15所示）同樣參與了2015年DARPA救援機(jī)器人挑戰(zhàn)賽，并獲得了季軍[10]。CHIMP利用三指機(jī)械手能在城市狹小救援環(huán)境中執(zhí)行復(fù)雜的操作任務(wù)。在運(yùn)動(dòng)方面，CHIMP可直立行走執(zhí)行操作任務(wù)，當(dāng)CHIMP需要快速移動(dòng)時(shí)，也可四肢著地，利用肘部和膝部的履帶實(shí)現(xiàn)快速機(jī)動(dòng)。

圖15 CHIMP救援機(jī)器人[10]

1.3.2 技術(shù)特點(diǎn)

通過表3可以看出，多任務(wù)救援機(jī)器人具有以下3個(gè)特點(diǎn)：（1）運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜多變，面對(duì)不同的地形時(shí)，可根據(jù)地形特點(diǎn)選擇最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)形式。（2）機(jī)械手臂極為靈活，在救援任務(wù)中，可做出精細(xì)抓取、開關(guān)門、旋轉(zhuǎn)閥門等高難度動(dòng)作。（3）控制算法先進(jìn)，大多數(shù)多任務(wù)救援機(jī)器人已實(shí)現(xiàn)了半自主控制，甚至自主控制。

表3 多任務(wù)救援機(jī)器人對(duì)比

多任務(wù)救援機(jī)器人擁有的強(qiáng)環(huán)境感知能力和操作工具能力使其主要應(yīng)用于核災(zāi)難救援、城市火災(zāi)救援和室內(nèi)救援等場景。雖然該類機(jī)器人擁有較多種類和數(shù)量的傳感器設(shè)備，但其在危險(xiǎn)環(huán)境中的穩(wěn)定性和可靠性還有待驗(yàn)證。以上介紹的多任務(wù)救援機(jī)器人主要是在實(shí)驗(yàn)階段，還不具備真正的救援能力，但是該類救援機(jī)器人的智能化程度已經(jīng)處在救援機(jī)器人的領(lǐng)先位置，隨著各科研院校對(duì)多任務(wù)救援機(jī)器人軟硬件穩(wěn)定性和可靠性的實(shí)驗(yàn)研究，日后多任務(wù)救援機(jī)器人一定會(huì)成功應(yīng)用于救援任務(wù)中。

2 技術(shù)分析

2.1 移動(dòng)方式

救援機(jī)器人的移動(dòng)方式影響著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性、運(yùn)行平穩(wěn)性和環(huán)境適應(yīng)性。通過對(duì)救援機(jī)器人的介紹與分析可以看出，救援機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)形式可分為輪履式、足式、復(fù)合式等多種形式。

2.1.1 輪履式

在救援機(jī)器人的移動(dòng)方式中，由于輪履式移動(dòng)方式具有可靠性高、通用性強(qiáng)、技術(shù)成熟、控制簡單、移動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于早期救援機(jī)器人中。隨著輪履移動(dòng)形式在救援任務(wù)中不斷實(shí)踐應(yīng)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(dòng)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(jī)器人與并聯(lián)足式救援機(jī)器人得到了迅速發(fā)展。

（1）串聯(lián)足式。

串聯(lián)足式救援機(jī)器人相對(duì)并聯(lián)足式救援機(jī)器人的發(fā)展與運(yùn)用較早，相對(duì)輪履式救援機(jī)器人具有質(zhì)量輕、行動(dòng)靈活、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)由于串聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，機(jī)器人的單位體積負(fù)載能力相對(duì)較差，不能負(fù)載較大質(zhì)量。

（2）并聯(lián)足式。

并聯(lián)足式救援機(jī)器人由于控制復(fù)雜，發(fā)展與應(yīng)用相對(duì)較晚。近些年，隨著控制算法的發(fā)展進(jìn)步，并聯(lián)足式救援機(jī)器人的控制相比之前已越發(fā)成熟。并聯(lián)足式救援機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上具有承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高等眾多優(yōu)點(diǎn)，但又由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的限制，其移動(dòng)速度一直相對(duì)較低。因此，并聯(lián)足式救援機(jī)器人多被用于對(duì)移動(dòng)速度要求不高、工作平臺(tái)平穩(wěn)性強(qiáng)、負(fù)載能力強(qiáng)的救援任務(wù)中。

2.1.3 復(fù)合式

復(fù)合式移動(dòng)方式隨著控制技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，早期的救援機(jī)器人由于受控制方法的限制多采用輪履式移動(dòng)方式，而隨著步態(tài)控制方法的發(fā)展，復(fù)合式移動(dòng)方式被更多應(yīng)用到救援機(jī)器人中。復(fù)合式移動(dòng)救援機(jī)器人結(jié)合了輪履式、足式等移動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)不同環(huán)境選擇最優(yōu)的移動(dòng)方式。雖然對(duì)復(fù)合式移動(dòng)救援機(jī)器人的控制更為復(fù)雜，但可以有效提高救援機(jī)器人的移動(dòng)速度、環(huán)境適應(yīng)性、行進(jìn)平穩(wěn)性等各方面指標(biāo)。

2.2 步態(tài)控制

步態(tài)控制對(duì)于足式機(jī)器人順利完成移動(dòng)、避障、跨越等動(dòng)作至關(guān)重要，以下主要介紹并分析3種移動(dòng)機(jī)器人的控制方法。

（1）零力矩點(diǎn)（zero moment point，ZMP）控制法。

ZMP控制法是一種動(dòng)態(tài)平衡控制方法，多用于雙足機(jī)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(fù)雜。在目前移動(dòng)機(jī)器人的控制中，ZMP控制法主要用于輔助判斷機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平衡、平穩(wěn)性。

（2）三分控制法。

三分控制法是以機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作為控制目標(biāo)、基于彈簧倒立擺模型的控制算法。美國“大狗”四足機(jī)器人具有極強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)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(chǔ)，但是這一基礎(chǔ)可以推廣到四足機(jī)器人的三維簡化模型中。因此，三分控制法在四足機(jī)器人的步態(tài)控制中有著廣泛應(yīng)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(luò)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)足式機(jī)器人的步態(tài)控制[19]，該方法具有適應(yīng)性強(qiáng)、耦合性好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。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(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人的步態(tài)控制中。

2.3 導(dǎo)航算法

2.3.1 基于地圖導(dǎo)航

基于地圖的導(dǎo)航方法是在導(dǎo)航任務(wù)前，預(yù)先將完整的環(huán)境地圖提供給導(dǎo)航系統(tǒng)，或在導(dǎo)航過程中利用機(jī)器人自身傳感器實(shí)時(shí)在線構(gòu)建環(huán)境模型的導(dǎo)航技術(shù)，主要通過以下2種方法實(shí)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(diǎn)的勢場值中，從而決定機(jī)器人的行進(jìn)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(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中被廣泛應(yīng)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(jì)算機(jī)技術(shù)及仿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人自主路徑規(guī)劃的先進(jìn)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(zhǔn)確性。然而智能規(guī)劃算法較大的運(yùn)算量會(huì)占據(jù)較大的存儲(chǔ)空間和較長的運(yùn)算時(shí)間，因此會(huì)影響機(jī)器人路徑規(guī)劃的實(shí)時(shí)性[20]。

2.3.2 無地圖導(dǎo)航

無地圖導(dǎo)航不需要任何提前設(shè)定的導(dǎo)航策略，主要通過機(jī)器人自身傳感器提取、識(shí)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(dǎo)航主要采用反應(yīng)式導(dǎo)航策略。反應(yīng)式導(dǎo)航可及時(shí)對(duì)陌生環(huán)境的變化做出反應(yīng)，但由于缺少全局環(huán)境信息，機(jī)器人在動(dòng)作順序上可能不是最優(yōu)的[20]。

救援機(jī)器人相比其他移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)具備更強(qiáng)大的導(dǎo)航策略，由于救援機(jī)器人所處的工作環(huán)境復(fù)雜多變，所以有必要結(jié)合有地圖導(dǎo)航與無地圖導(dǎo)航的優(yōu)勢，使救援機(jī)器人可以在已知甚至未知的環(huán)境中準(zhǔn)確地執(zhí)行救援任務(wù)。

3 救援機(jī)器人發(fā)展趨勢

救援機(jī)器人技術(shù)是多種學(xué)科的交叉，其中主要包括機(jī)械、控制、導(dǎo)航、通信、傳感器等學(xué)科。以救援機(jī)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(dāng)前救援機(jī)器人的研究熱點(diǎn)和未來發(fā)展將主要是機(jī)器人的智能化、機(jī)器人軟硬件的冗余化和多機(jī)協(xié)同救援等方向。

3.1 智能化

救援機(jī)器人常常面對(duì)復(fù)雜且未知的災(zāi)后環(huán)境，相對(duì)其他領(lǐng)域的機(jī)器人應(yīng)具備更高的感知與認(rèn)知能力。大多數(shù)救援機(jī)器人要面對(duì)非結(jié)構(gòu)化的救援環(huán)境，因此對(duì)于路徑規(guī)劃、目標(biāo)搜索以及物體識(shí)別應(yīng)做出準(zhǔn)確且快速的判斷。

特別是針對(duì)傷員救援機(jī)器人，該類機(jī)器人的工作性質(zhì)要求在任務(wù)中幾乎不能出現(xiàn)任何錯(cuò)誤偏差，這就要求機(jī)器人應(yīng)具有高度的智能化。對(duì)于傷員的識(shí)別要準(zhǔn)確快速，且要以柔性搬運(yùn)的方式搬運(yùn)傷員。這兩方面都要求機(jī)器人具備高度智能化的軟硬件系統(tǒng)。因此，提高救援機(jī)器人的智能化將始終是救援機(jī)器人重要的研究發(fā)展方向。

3.2 軟硬件冗余化

救援機(jī)器人工作的穩(wěn)定性是救援機(jī)器人高效救援的指標(biāo)之一。早期的救援機(jī)器人由于機(jī)械結(jié)構(gòu)單一、控制算法簡單等原因，在復(fù)雜性和不確定性較高的災(zāi)后環(huán)境中，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人部分軟硬件失效，從而喪失救援能力。近些年，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，部分救援機(jī)器人采用了軟硬件冗余化的設(shè)計(jì)，即使機(jī)器人部分軟硬件失效，仍可繼續(xù)完成救援任務(wù)，使救援機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性與工作穩(wěn)定性得到了明顯增強(qiáng)。因此，救援機(jī)器人軟硬件的冗余化是救援機(jī)器人技術(shù)重要的發(fā)展方向。

3.3 多機(jī)協(xié)同救援

多機(jī)協(xié)同在機(jī)器人學(xué)和智能控制中都是較為復(fù)雜的技術(shù)，這要求機(jī)器人之間應(yīng)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(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)。多機(jī)協(xié)同救援不僅可以應(yīng)用于同種類救援機(jī)器人中，也可應(yīng)用于不同種類救援機(jī)器人中。同種類多機(jī)協(xié)同救援是將以往單救援機(jī)器人的點(diǎn)救援拓展到多救援機(jī)器人的面救援，這將成倍節(jié)省救援時(shí)間、提高救援效率。不同種類的多機(jī)協(xié)同救援是搜索探測、破拆清障、傷員運(yùn)送等救援環(huán)節(jié)由不同功能的救援機(jī)器人完成，這將有效保護(hù)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(shí)現(xiàn)災(zāi)后危險(xiǎn)區(qū)域的無人化救援。

4 結(jié)語

雖然當(dāng)前國內(nèi)外研發(fā)了各種功能的救援機(jī)器人，但其實(shí)際應(yīng)用情況還存在一些不足，主要是救援機(jī)器人仍然無法滿足災(zāi)后復(fù)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(jìn)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(jī)器人的智能化、軟硬件冗余化及多機(jī)協(xié)同救援等得以快速發(fā)展和實(shí)現(xiàn)。救援機(jī)器人的智能化將使機(jī)器人具備準(zhǔn)確的自我判斷能力、目標(biāo)認(rèn)知能力及最優(yōu)選擇能力，這將會(huì)從本質(zhì)上提高救援機(jī)器人的救援水平。軟硬件的冗余化是救援機(jī)器人在復(fù)雜多變的災(zāi)后環(huán)境中持續(xù)救援任務(wù)的保證。多機(jī)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(jī)器人中已嘗試應(yīng)用?？傊仍畽C(jī)器人的研究與運(yùn)用將有效提升國家對(duì)突發(fā)災(zāi)害的處置能力，具有重要的研究價(jià)值和社會(huì)意義。