我国地震应急救援机器人的发展现状与应用研究

张 莹 尹文刚 郭红梅 赵 真

1.四川省地震局 四川 成都 610000

2.武警警官学院 四川 成都 610000

引言

地震灾害是一种突发的、不可预测的自然灾害，容易产生严重的次生灾害，对社会产生极大影响。灾后搜救工作对救援人员来说是非常复杂、危险和紧迫的，给救援工作开展带来了极大的困难。救援机器人以体积小、灵活等优点成为灾后辅助救援的有效工具。救援机器人在灾后救援工作中具有以下非常明显的优势：可以连续执行救援任务；能够在高温、高压等危险环境下工作；可以搭载必要的操作工具深入废墟狭窄空间进行远程操作；灵活，可以深入救援人员无法到达的地带拍摄资料供救援人员参考；重量轻，不容易引起危险建筑物的二次坍塌。

1 我国地震应急救援工具发展现状

由于我国在救援工具相关产品方面的自动化水平比较低，多为切割、顶撑等手持设备，救援效率非常低。国外的救援工具相关产品自动化水平相对较高，但是救援工具的远程操控能力较低，都需要救援人员亲自动手实施救援。目前国内常用的顶撑、切割救援工具主要有以下几种：

(1)抬升器：抬升器是一种液压驱动救援工具，原理类似于液压千斤顶。体积小，顶撑压力非常大，适合于在废墟狭窄空间内作业，重量轻，携带非常方便。

(2)千斤顶：千斤顶是一种轻小起重设备，根据驱动方式不同可分为机械式和液压式两种。液压千斤顶基于帕斯卡原理，而机械千斤顶采用机械原理，通过往复扳动手柄，带动棘轮间歇运动，然后经过一级锥齿轮传动使螺杆旋转，带动升降套筒升起或落下，达到起重的功能，但不如液压千斤顶简易。

(3)电动机械千斤顶：整个系统包括一螺杆千斤顶、一配备减速箱的电机、一套传动螺杆上的轴承、一电源开关。电机通电后带动螺杆相对于螺母旋转，铰支形式的顶撑工具开始运动，通过电机的正反转实现升起和降落，能够稳定、安全、迅速的将重物举起。

(4)电动液压千斤顶：整个装置由液压缸和电动泵站组合而成。当给千斤顶通电后，电动泵站开始工作，电动泵站由电机带动液压泵开始给液压缸传送液压油，给较小的活塞面施加压力，由帕斯卡原理可知，大的活塞面就可以承受比较大的压力，从而缓慢的将重物顶起。

(5)救援顶杆：救援顶杆是一种手持型救援设备，有液压式、气动式和机械式。根据其支撑顶力可分为：一级救援顶杆、二级救援顶杆和三级救援顶杆。救援顶杆是一种破拆器材，多用于救护被困于废墟狭窄环境中的受害人，由于具有顶撑力大、重量轻等优点而较为常用。

(6)起重气垫：起重气垫的工作原理是将其放置于被托起重物下方，然后用高压气瓶对气垫进行充气，救援起重气垫适用于起重形状不规则的重物，当普通起重设备难以工作的时它能够起到很好的作用。

(7)角磨机：电动角磨机有交流供电也有直流供电，其工作原理都是电机经过一级螺旋锥齿轮减速带动不同的切割片高速旋转。不同的切割片用来切割不同的材料，玻璃钢材料的切割片用来切割金属材料，通过高速切割片与物体摩擦从而将物体切开。

(8)液压钳：液压钳采用剪式支架，动力源为液压装置。以液压油缸推动剪式支架，应用杠杆原理，将液压缸的推力转化为钳口上的夹持力。当混凝土无法承受钳口的夹持力时，混凝土则被夹碎解体。一般灾后废墟中会有很多钢筋件暴露在外，用液压钳可以将钢筋直接剪断，有效地缩短救援时间。

2 我国地震应急救援机器人发展现状

地震灾害救援策略和技术研究是当今科学界的重要课题，地震应急救援机器人已成为辅助或代替人类开展灾后救援的重要技术工具，而且将来会成为救援人员不可缺少的装备。当前国内外成立了许多救援机器人研究机构和学术会议，对救援机器人的快速发展起到很好的推动作用。到目前为止国内外在救援机器人的研究方面取得了一定的成绩，有些已经成功应用到实际救灾现场。根据运动方式的不同，目前，现有的地震救援机器人可分为以下几类。

(1)无摆臂履带式救援机器人：无摆臂履带式机器人运动能力和地形适应能力较强，与地面的接触面积大，机器人在行走过程中地面的附着力大。通过履带的差速运动可以使机器人的转弯半径更小，但越障能力有限，结构相对复杂，履带的传动效率比较低。

(2)有摆臂履带式救援机器人：有摆臂的履带式救援机器人是在无摆臂的履带救援机器人的两侧加两个或四个能转动的履带关节，用来协助机器人翻越障碍，其对各种地形的通过能力更强，但同时结构也更加复杂。履带式机器人是为了满足军事侦察、拆除危险物等作业的需要，在传统的轮式移动机器人的基础上发展起来的。他们主要是为了满足军事需要而开发的.体积普遍偏大，不太适合在倒塌的建筑物废墟中狭小空间内搜寻幸存者。

(3)轮式救援机器人：轮式行走机构的发展时间比较长，应用比较广，轮式机器人结构简单，运动速度快，容易控制，但地形适应能力较差。在相对平坦的地面，轮式机器人行走速度比较快，在有垂直障碍或者沟壕的地面行走比较困难，而且车轮和地面的接触面积比较小，导致其爬坡越障时会出现动力不足。

(4)蛇形救援机器人：蛇形机器人通常以履带作为行走部件，通过主动或被动的关节将许多相对独立的履带单元连接在一起，机器人具有一定的柔性，能够在比较复杂的地面行走，具有更强的地面适应能力和越障能力。国防科技大学研制了一种蛇形机器人，长1.2米、直径0.06米、重1.8公斤，能像蛇一样扭动身躯，可前进、后退、拐弯和加速，其最大速度每分钟可达20米，头部是机器人的控制中心。

(5)可变形救援机器人：可变形机器人通过调节关节姿态或者连成多节来改变机器人的结构形态，使机器人对复杂路况有更强的通过性。和蛇形机器人相比可变形履带机器人的体积更小。可变形救援机器人综合了履带机器人和蛇形机器人的特点，运动能力和地形适应能力更强。由中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所研制的国内首台煤矿搜救机器人采用自主避障和遥控引导相结合的行走控制方式，它能够深入事故矿井，探测前方的火灾温度、瓦斯浓度、灾害场景、呼救声讯等信息。同时，搜救机器人携带了急救药品、食物、生命维持液和简易自救工具[1]。

3 地震应急救援机器人关键技术与应用

3.1 地震应急救援机器人的关键技术

(1)移动性及其机械机构。移动性是救援机器人完成救援工作的决定因素。机器人移动平台应该能够在恶劣废墟环境中灵活地穿梭于狭小的空间之中，能够翻越障碍，爬楼梯，穿越泥泞的道路等，且机器人的移动不应对周围不稳定结构产生影响，以免发生二次坍塌或爆炸等。此外，机器人还应该具备适应恶劣环境的能力，具有防水、耐高温等能力。

(2)传感检测装置。救援机器人的主要工作就是通过传感器实现自身的导航、环境信息的获取以及幸存人员的搜寻。由于灾难现场环境的复杂性及不确定性，传统在室内结构化环境中已较成熟的导航算法无法满足救援工作的要求，传统的声纳、激光测距仪等在充满烟雾和灰尘的环境中也很难取得理想的效果。目前救援机器人主要采用人工控制方式来实现机器人的导航。

(3)人机通讯方式。目前常用的通信方式有无线和电缆两种方式。电缆方式可以稳定可靠地实现机器人和操作者之间的信息传送。但电缆方式也存在一定的问题，随着机器人搜寻范围的深入，线缆很容易发生缠绕而影响机器人的移动性。研制收放灵活的电缆卷绕装置是解决目前有线通信方式机器人通讯问题的关键。无线通讯方式的稳定性较难保证，即使在穿透性能最佳的频段，也会由于带宽及各种干扰的影响使得通讯无法正常进行。“911”事件的救援工作证明，无线方式的机器人大约有25%以上的时间无法正常通讯。稳定可靠的通讯方式是当前救援机器人领域需要很好解决的关键问题之一。

(4)传感器融合。由于救援现场环境的复杂性，对传统的室内结构化环境下传感器数据的处理算法不能满足救援工作的需要。如通过视频图像对幸存者的检测，由于灰尘、烟雾等的影响使得识别变得非常困难，通过检测到声音的方向辨别幸存者的方位，也由于现场噪音的影响而变得很困难。因此，为了完成搜索并发现幸存者，必须通过多种传感器数据的融合，研究更加有效的识别算法。

3.2 地震应急救援机器人的实际应用 四川雅安芦山发生7.0级地震造成人员严重伤亡，中国地震应急搜救中心与中国科学院沈阳自动化研究所研制的“旋翼空中搜索机器人”和“废墟洞穴可变形机器人”第一时间赶赴现场[2]，配合国家地震灾害紧急救援队开展搜索行动，发挥出高科技装备快速、高效、精准、灵活的优势，实现了国家863计划项目科研成果首次在地震现场实际救援工作中的实战应用，受到了各级领导、特别是科技部领导的高度认可和好评，在某种程度上弥补了汶川地震救援高技术装备--地震搜救机器人没有参与的遗憾。这款机器人可进入废墟内部，利用自身携带的红外摄像机、声音传感器等将废墟里的图像、语音等信息实时传回后方空调，让救援人员通过废墟搜救可变形机器人及时了解废墟内的情况，做出正确的救援安排。

面向城市地震灾害瞬间造成的大量处于极度失稳状态的固体废墟，如果救援人员冒然进入，在遭遇余震随时引起的废墟二次坍塌极有可能造成救援队员的伤亡。废墟表面机器人能够实现自主与遥控相结合的机器人操控，具有适应瓦砾表面运动的移动机构，可以携带视频、音频、有毒有害气体检测传感器等任务载荷，在废墟表面开展搜索幸存者。

面对危险地震废墟，废墟洞穴搜救机器人可以进入废墟内部搜索幸存者并辅助救援人员打通救援通道，不仅降低了搜救风险，也大大提高救援效率。废墟搜索可变形机器人本体由三个模块组成，具有九种构型，可以根据任务类型及环境条件改变自身的构型，适应复杂地震废墟。它可进入废墟内部，利用自身携带的红外摄像机、声音传感器将废墟内部的图像、语音信息实时传回后方控制台，供救援人员快速确定幸存者的位置及周围环境。也可以搭载生命探测雷达、生命支撑物质输送、有毒有害气体探测等多种任务载荷，进入废墟内部开展幸存者搜索。搜救中心与上海大学联合研制的废墟缝隙机器人，在充分研究地震救援实际需求的前提下，改变了以往救援装备中蛇眼仅具有视频、音频的有限功能不足，使废墟缝隙机器人不仅具备视频、音频的搜索功能，而且具备有输送氧气和水等液体功能的辅助营救功能。

4 结论

随着科学技术不断进步，特种机器人以不同的应用方式越来越多被大家熟知。机器人技术是一个多学科交叉融合的技术，对环境有很好的适应性，而且可以达到智能化程度，在代替人类深入危险恶劣环境实施作业方面有很大的优越性。所以将特种机器人技术应用到抗震救灾技术领域是非常有必要的，研制出辅助或者代替人类深入废墟危险环境实施侦察、探测、救援等的特种机器人是当前非常具有挑战性的新领域。