机器人资料

机器人在搜索救援中的应用 肖松雷   华剑 城市搜索与救援这个概念脱胎于城市地震灾害紧急救援，包括定位，营救（解救）和对狭小空间中受灾者进行医疗急救。目前，城市的搜救工作已扩展到滑坡、火山、海啸以及恐怖主义袭击等事件。 倒塌建筑物造成的生存空间非常狭小，以至于许多情况下搜索人员和搜索犬都不能进入，使搜索范围限制在倒塌建筑物面范围。2001年9月11日，机器人在纽约世贸中心袭击事件中的应用，取得了不错的效果。 救援队面临的困难 实践表明，救援队现场实施救援过程中，存在着许多的限制和困难： （1）当救援队员进入或者在建筑物之上布设传感器时，救援队员的体重和移动可能会引起建筑物进一步的倒塌，因此救援队员必须在结构工程师进行评估之后才能进入。1999年台湾集集地震时，一个十六层的公寓在完整的情况下发生倾倒，虽然建筑物结构完整，但建筑物也随时可能发生破坏，救援人员进入建筑物将有巨大的风险。此外，大型的商业建筑由于楼层的叠状倒塌使救援工作更加困难。救援队员只有通过表层进入建筑物，而这种倒塌方式限制救援队员进入底层部分，并且由于建筑物的局部不能够支持救援队员的活动而存在进一步倒塌的危险。救援队员可能由于建筑物倒塌造成压埋，所以不稳定的倒塌结构需要经过支撑加固后，救援队员才能够安全进入。这个过程可能需要三到四个小时，而这个时间对于寻找受灾者是至关重要的。 （2）救援人员无法进入狭窄空间和不稳定的建筑物。在1996年波多黎各首府圣胡安的Humberto Vidal大厦倒塌事件中，由于这个建筑物处于是非常不稳定的状态，因此救援人员无法救出一个被搜索犬发现的幸存者。最后，直到该建筑物炸为平地，那个受困者也没获救。 （3）由于需要进入的空间无光或者自然光很弱，有些可能还满布灰尘，救援队员需要装备的帮助才能完成任务。救援队员使用可旋转的光学搜索仪来空间。由于透射光没有方向感，且容易使救援队员劳累，因而可能导致救援队员忽略没有知觉的受灾者，错误判断周围的建筑结构。这种情况下，可以利用声学探测设备来探测受灾者的呼救声和呼吸声，但是容易受到外界环境的干扰。 （4）救援人员存在重大的健康和安全风险。他们不仅可能受到切伤，擦伤，烧伤和骨折，而且会受到由有害物、烟雾、灰尘和一氧化碳引起的呼吸问题。他们也容易受到疾病的影响，比如白喉，破伤风和肺炎。1995年Oklahoma市的炸弹事件的救援工作表明，由于救援人员遇到的可怕的场景，他们同样在心理和情绪上受到影响。 机器人的优势与应用 机器人在城市的搜索与救援过程中，具有以下几个方面的优势： （1）在发生倒塌后，机器人可以立即展开对幸存者的搜索，进入结构不稳定的建筑物，降低救援队员的风险，为搜救工作节约时间。搜救机器人是由电子仪器和其它材料制成的，具有可复制性，即使机器人发生意外，仍然可以制造出具有相同功能的机器人。 （2）可以进入平常难以达到的空间，扩展搜救专家的工作范围。建筑物倒塌会形成各种各样的空间，这些空间可能就会有幸存者。例如Shigeo Hirose研制出的一种三自由度的爬行机器人，叫做Souryu， Souryu的设计使它在不平坦的地形、狭窄空间的移动。 图1  机器人Souryu （3）可以携带多种传感器，探测幸存者空间状况，在机器人软件的帮助下对搜索区域实行完整的三维搜索，绘制结构图，提升工作效率和可靠性。搜救机器人可以携带温度探测器、一氧化碳探测器、爆炸界限探测器、氧气、PH值探测器、辐射探测器和杀伤性武器探测器，从而测定空气读数，探测有害物质，分析后向救援人员提出警告。 图2 机器人测量脉搏（示意图） （4） 纽约市世贸中心袭击事件中的机器人使用 机器人最初在搜救工作中的使用是纽约市的世贸中心袭击事件。2001年9月11日，在陆军上校John Blitch领导下成立了机器人搜救援助中心（CRASAR）。 在那次行动中使用了6个机器人：Inuktun公司的VGTV 和 MicroTracs，福斯特·米勒（Foster Miller）的Talon 和 Solem，iRobot的Packbot, 以及SPAWAR的Urbot。所有的机器人有不同的大小，重量，行动能力，范围，视觉，照明设备，通讯，速度，动力系统和感知能力。 图3  Inuktun公司的VGTV（左） 和 MicroTracs（右） 图4  福斯特·米勒Talon（左）和Solem（右） 图5 iRobot公司的Packbot 图6 SPAWAR的Urbot 搜救机器人技术需求 纽约市世贸中心袭击事件中的机器人为城市搜救展开了新思路，但是也暴露了一些问题。这些问题，为未来机器人的技术需求提供了重要的参考。综合考虑机器人技术和城市搜救环境，机器人的技术需求包括以下几个方面。 机动装置设计 在建筑物搜救中，机动是机器人首先面临的问题。作为机器人机动主体的底盘，需要装载所有的传感器。考虑建筑物倒塌的环境，底盘的设计应该满足以下需求： （1）能够通过粗糙地形，越过或绕过障碍物，能够爬楼梯，能够通过狭窄空间； （2）能够耐热，防水，防火，防腐蚀； （3）重量轻，能够在不发生滑动和再次倒塌的情况下对空间进行快速搜索。    经过上述设计要求的底盘，机器人才有可能顺利的探索灾害现场，而它携带的传感器和软件才会起作用。 传感器 城市搜救的两个明确任务：一是寻找可能的幸存者，二是在最初的结构评估过程中对空间进行分类。 这两个方面信息的获得都是通过机器人所携带的传感器。因此，机器人携带的传感器必须使它们在移动中探测受灾者和收集受灾者的信息。如：传感器的设计需要能够确定受灾者的生命迹象，并确定幸存者状态；为了判断出受困者所在的位置和其所在地点的情形，需要综合GPS、惯性测量装置、编译器、陀螺仪、加速计、触摸、移动、视觉和声学传感器获得的信息等等。 通信 在世贸中心中使用的机器人是利用无线以太网(2.4 GHz 802.11)、有线通信方式与指挥中心保持通信联络。无线以太网由于带宽的问题，通信中断导致了机器人的失踪，因此，需要加强动力、抗干扰能力的设计。 使用有线通信的机器人在行动中通信系链易缠绕，限制了机器人的移动，适合于短距离的搜救行动。  显示 能够操纵机器人获取图像，用于确定墙壁和柱子及结构的破坏，在评估现场的时候确定管道和贮藏库的泄漏和破裂等。 绘图 机器人通过获得现场的结构信息来绘制一份新的结构图，从而向救援人员报告受灾者的精确位置以及可能的通路。地图的绘制可能由一个机器人完成，也可以与其它机器人合作来完成。 自走技术 提高机器人搜索效率和范围，需要开展相关研究，编制操控软件。主要包括以下几个方面： （1）绕开障碍物； （2）自动爬楼梯； （3）路径规划； 视频在机器人的自动爬楼梯过程中是非常有用的。如：NASA喷气动力实验室利用图像的楼梯边缘判断方法，解决在自动爬楼梯的过程中机器人对这些边缘进行标记，从而实现爬楼梯的自动化。 图6 自动爬楼梯：鉴别楼梯（左），Urbie使用自动软件爬楼梯（右） 人机交互界面 为了方便使用者在救援行动中有效的使用机器人，便捷的人机交互是非常必须的。一个有效的用户界面必须能够向操作员提供足够的决策参考信息，用于制定机器人的下一步的行动（J. G. Blitch，1996）。在这样的界面下，使用者能够很容易的获得机器人的方向、位置和动力，操作众多的设备，比如摄像机、灯光和车载钳子，准确地控制机器人的移动，从摄像机获得图像。 群体机器人协同 在响应一个巨大地灾难地时候，可以考虑由多个机器人组成的群体，通过系统协调来完成单机器人无法或难以完成的工作。群体机器人系统具有空间分布、功能分布、时间分布等特点，所以群体机器人系统比单机器人系统具有更强的优越性，主要表现在以下几个方面： （1）群体机器人系统可以实现单机器人系统无法实现的复杂任务； （2）设计和制造多个简单机器人比单个复杂机器人更容易，成本更低； （3）使用群体机器人系统可以大大节约时间，提高效率； （4）群体机器人系统的平行性和冗余性可以提高系统的柔性和弹性。      搜救机器人的研发方向 鉴于搜救机器人的救援功能不足，一次，应加强机器人在医疗急救等方面功能的研发，搜救机器人研究趋向模块化，搜救机器人研究是一个系统工程，模块化的设计可减少研究的工作量，模块化的研究方法可以大大促进搜救机器人的技术发展，开发多种类型的机器人及智能软件；城市搜救场景是多种多样的，每一类救援场景都需要某种特殊类型的机器人进行搜救；加强群体机器人的研制，群体机器人的研究需要行为学、运筹学和计算机科学等跨学科的研究人员共同努力；举办机器人竞赛，一方面可以引起社会对搜救机器人的关注，另一方面可以提高我国的搜救机器人研究水平。