機器人在搜索救援中的運用

1、機器人在搜索救援中的應(yīng)用肖松雷 華劍都市搜索與救援那個概念脫胎于都市地震災(zāi)難緊急救援，包括定位，營救（挽救）和對狹小空間中受災(zāi)者進(jìn)行醫(yī)療急救。目前，都市的搜救工作已擴展到滑坡、火山、海嘯以及恐懼主義突擊等事件。倒塌建筑物造成的生存空間特不狹小，以至于許多情況下搜索人員和搜索犬都不能進(jìn)入，使搜索范圍限制在倒塌建筑物表面范圍。2001年9月11日，機器人在紐約世貿(mào)中心突擊事件中的應(yīng)用，取得了不錯的效果。救援隊面臨的困難實踐表明，救援隊現(xiàn)場實施救援過程中，存在著許多的限制和困難：（1）當(dāng)救援隊員進(jìn)入或者在建筑物之上布設(shè)傳感器時，救援隊員的體重和移動可能會引起建筑物進(jìn)一步的倒塌，因此救援隊員必須在結(jié)構(gòu)

2、工程師進(jìn)行評估之后才能進(jìn)入。1999年臺灣集集地震時，一個十六層的公寓在完整的情況下發(fā)生傾倒，盡管建筑物結(jié)構(gòu)完整，但建筑物也隨時可能發(fā)生破壞，救援人員進(jìn)入建筑物將有巨大的風(fēng)險。此外，大型的商業(yè)建筑由于樓層的疊狀倒塌使救援工作更加困難。救援隊員只有通過表層進(jìn)入建筑物，而這種倒塌方式限制救援隊員進(jìn)入底層部分，同時由于建筑物的局部不能夠支持救援隊員的活動而存在進(jìn)一步倒塌的危險。救援隊員可能由于建筑物倒塌造成壓埋，因此不穩(wěn)定的倒塌結(jié)構(gòu)需要通過支撐加固后，救援隊員才能夠安全進(jìn)入。那個過程可能需要三到四個小時，而那個時刻關(guān)于查找受災(zāi)者是至關(guān)重要的。（2）救援人員無法進(jìn)入狹窄空間和不穩(wěn)定的建筑物。在1996

3、年波多黎各首府圣胡安的Humberto Vidal大廈倒塌事件中，由于那個建筑物處因此特不不穩(wěn)定的狀態(tài)，因此救援人員無法救出一個被搜索犬發(fā)覺的幸存者。最后，直到該建筑物炸為平地，那個受困者也沒獲救。（3）由于需要進(jìn)入的空間無光或者自然光專門弱，有些可能還滿布灰塵，救援隊員需要裝備的關(guān)心才能完成任務(wù)。救援隊員使用可旋轉(zhuǎn)的光學(xué)搜索儀來檢測空間。由于透射光沒有方向感，且容易使救援隊員勞累，因而可能導(dǎo)致救援隊員忽略沒有知覺的受災(zāi)者，錯誤推斷周圍的建筑結(jié)構(gòu)。這種情況下，能夠利用聲學(xué)探測設(shè)備來探測受災(zāi)者的呼救聲和呼吸聲，然而容易受到外界環(huán)境的干擾。（4）救援人員存在重大的健康和安全風(fēng)險。他們不僅可能受到切

4、傷，擦傷，燒傷和骨折，而且會受到由有害物、煙霧、灰塵和一氧化碳引起的呼吸問題。他們也容易受到疾病的阻礙，比如白喉，破傷風(fēng)和肺炎。1995年Oklahoma市的炸彈事件的救援工作報告表明，由于救援人員遇到的可怕的場景，他們同樣在心理和情緒上受到阻礙。機器人的優(yōu)勢與應(yīng)用機器人在都市的搜索與救援過程中，具有以下幾個方面的優(yōu)勢：（1）在發(fā)生倒塌后，機器人能夠立即展開對幸存者的搜索，進(jìn)入結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的建筑物，降低救援隊員的風(fēng)險，為搜救工作節(jié)約時刻。搜救機器人是由電子儀器和其它材料制成的，具有可復(fù)制性，即使機器人發(fā)生意外，仍然能夠制造出具有相同功能的機器人。（2）能夠進(jìn)入平常難以達(dá)到的空間，擴展搜救專家的工

5、作范圍。建筑物倒塌會形成各種各樣的空間，這些空間可能就會有幸存者。例如Shigeo Hirose研制出的一種三自由度的爬行機器人，叫做Souryu， Souryu的設(shè)計使它在不平坦的地形、狹窄空間的移動。圖1 機器人Souryu（3）能夠攜帶多種傳感器，探測幸存者空間狀況，在機器人軟件的關(guān)心下對搜索區(qū)域?qū)嵭型暾娜S搜索，繪制結(jié)構(gòu)圖，提升工作效率和可靠性。搜救機器人能夠攜帶溫度探測器、一氧化碳探測器、爆炸界限探測器、氧氣、PH值探測器、輻射探測器和殺傷性武器探測器，從而測定空氣讀數(shù)，探測有害物質(zhì)，分析后向救援人員提出警告。圖2 機器人測量脈搏（示意圖）（4） 紐約市世貿(mào)中心突擊事件中的機器人使

6、用機器人最初在搜救工作中的使用是紐約市的世貿(mào)中心突擊事件。2001年9月11日，在陸軍上校John Blitch領(lǐng)導(dǎo)下成立了機器人搜救援助中心（CRASAR）。在那次行動中使用了6個機器人：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。所有的機器人有不同的大小，重量，行動能力，范圍，視覺，照明設(shè)備，通訊，速度，動力系統(tǒng)和感知能力。圖3 Inuktun公司的VGTV（左） 和 MicroTracs（右）圖4 福斯特米勒Talon（左）和Solem（右）圖5

7、 iRobot公司的Packbot圖6 SPAWAR的Urbot搜救機器人技術(shù)需求紐約市世貿(mào)中心突擊事件中的機器人為都市搜救展開了新思路，然而也暴露了一些問題。這些問題，為以后機器人的技術(shù)需求提供了重要的參考。綜合考慮機器人技術(shù)和都市搜救環(huán)境，機器人的技術(shù)需求包括以下幾個方面。機動裝置設(shè)計在建筑物搜救中，機動是機器人首先面臨的問題。作為機器人機動主體的底盤，需要裝載所有的傳感器?？紤]建筑物倒塌的環(huán)境，底盤的設(shè)計應(yīng)該滿足以下需求：（1）能夠通過粗糙地形，越過或繞過障礙物，能夠爬樓梯，能夠通過狹窄空間；（2）能夠耐熱，防水，防火，防腐蝕；（3）重量輕，能夠在不發(fā)生滑動和再次倒塌的情況下對空間進(jìn)行快

8、速搜索。 通過上述設(shè)計要求的底盤，機器人才有可能順利的探究災(zāi)難現(xiàn)場，而它攜帶的傳感器和軟件才會起作用。傳感器都市搜救的兩個明確任務(wù)：一是查找可能的幸存者，二是在最初的結(jié)構(gòu)評估過程中對空間進(jìn)行分類。這兩個方面信息的獲得差不多上通過機器人所攜帶的傳感器。因此，機器人攜帶的傳感器必須使它們在移動中探測受災(zāi)者和收集受災(zāi)者的信息。如：傳感器的設(shè)計需要能夠確定受災(zāi)者的生命跡象，并確定幸存者狀態(tài)；為了推斷出受困者所在的位置和其所在地點的情形，需要綜合GPS、慣性測量裝置、編譯器、陀螺儀、加速計、觸摸、移動、視覺和聲學(xué)傳感器獲得的信息等等。通信在世貿(mào)中心中使用的機器人是利用無線以太網(wǎng)(2.4 GHz 802.

9、11)、有線通信方式與指揮中心保持通信聯(lián)絡(luò)。無線以太網(wǎng)由于帶寬的問題，通信中斷導(dǎo)致了機器人的失蹤，因此，需要加強動力、抗干擾能力的設(shè)計。使用有線通信的機器人在行動中通信系鏈易纏繞，限制了機器人的移動，適合于短距離的搜救行動。顯示能夠操縱機器人獵取圖像，用于確定墻壁和柱子及結(jié)構(gòu)的破壞，在評估現(xiàn)場的時候確定管道和貯藏庫的泄漏和破裂等。繪圖機器人通過獲得現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)信息來繪制一份新的結(jié)構(gòu)圖，從而向救援人員報告受災(zāi)者的精確位置以及可能的通路。地圖的繪制可能由一個機器人完成，也能夠與其它機器人合作來完成。自走技術(shù)提高機器人搜索效率和范圍，需要開展相關(guān)研究，編制操控軟件。要緊包括以下幾個方面：（1）繞開障礙

10、物；（2）自動爬樓梯；（3）路徑規(guī)劃；視頻在機器人的自動爬樓梯過程中是特不有用的。如：NASA噴氣動力實驗室利用圖像的樓梯邊緣推斷方法，解決在自動爬樓梯的過程中機器人對這些邊緣進(jìn)行標(biāo)記，從而實現(xiàn)爬樓梯的自動化。圖6 自動爬樓梯：鑒不樓梯（左），Urbie使用自動軟件爬樓梯（右）人機交互界面為了方便使用者在救援行動中有效的使用機器人，便捷的人機交互是特不必須的。一個有效的用戶界面必須能夠向操作員提供足夠的決策參考信息，用于制定機器人的下一步的行動（J. G. Blitch，1996）。在如此的界面下，使用者能夠?qū)ｉT容易的獲得機器人的方向、位置和動力，操作眾多的設(shè)備，比如攝像機、燈光和車載鉗子，準(zhǔn)

11、確地操縱機器人的移動，從攝像機獲得圖像。群體機器人協(xié)同在響應(yīng)一個巨大地災(zāi)難地時候，能夠考慮由多個機器人組成的群體，通過系統(tǒng)協(xié)調(diào)來完成單機器人無法或難以完成的工作。群體機器人系統(tǒng)具有空間分布、功能分布、時刻分布等特點，因此群體機器人系統(tǒng)比單機器人系統(tǒng)具有更強的優(yōu)越性，要緊表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）群體機器人系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單機器人系統(tǒng)無法實現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)；（2）設(shè)計和制造多個簡單機器人比單個復(fù)雜機器人更容易，成本更低；（3）使用群體機器人系統(tǒng)能夠大大節(jié)約時刻，提高效率；（4）群體機器人系統(tǒng)的平行性和冗余性能夠提高系統(tǒng)的柔性和彈性。 搜救機器人的研發(fā)方向鑒于搜救機器人的救援功能不足，一次，應(yīng)加強機器人在醫(yī)療急救等方面功能的研發(fā)，搜救機器人研究趨向模塊化，搜救機器人研究是一個系統(tǒng)工程，模塊化的設(shè)計可減少研究的工作量