为提升我国地震灾害救援能力提供高新技术支持——废墟搜索与辅助救援系列机器人

2015-04-24

 “废墟搜索与辅助救援系列机器人”是在国家“十一五”863计划重点项目课题“废墟搜索与辅助救援机器人研制”和“空中搜索探测机器人研制”的支持下，由中国地震应急搜救中心、中国科学院沈阳自动化研究所、上海大学、中国科学院合肥物质科学研究院、中国科学院自动化研究所、北京航空航天大学6家单位共同协作完成的。项目针对地震灾害救援的复杂性，研发了具有完全自主知识产权的面向废墟搜救的机器人系统，包括空中旋翼飞行机器人、废墟表面／废墟洞穴／废墟缝隙搜索与辅助救援机器人、废墟内部可伸缩多指机械手，可在不同灾害现场环境协同开展救援，填补了我国辅助救援机器人装备研发的空白，在模块化配置、标准化接口、无线通信、嵌入式控制等方面实现了技术创新。项目成果的研制成功极大地提升了我国在地震等灾害救援方面的快速反应和应急处置能力，为我国应急救援工作达到国际先进水平奠定了技术基础。

一、主要研究成果

“废墟搜索与辅助救援系列机器人”是面向地震灾害救援应用的机器人系统，根据不同的灾害现场环境、废墟结构和搜救任务，既可选用单一种类的机器人，也可选用多种、多台机器人，由指挥中心统一部署、统一指挥，多种、多台机器人相互配合、信息共享、协同行动。

1.空中搜索探测旋翼飞行机器人

具有自主起降、航迹点跟踪、定点悬停和视频信息实时传输能力，可开展大范围现场灾情探测和搜索作业，实现灾情信息快速获取，也能对重点目标进行详细搜索勘察。

2.废墟表面搜索与辅助救援机器人

采用履带、摆腿复合移动机构，能够在废墟瓦砾表面上行走，具有通用的搜救载荷接口，可据需要携带生命探测载荷，实现对瓦砾下受困人员的大范围探测与定位；能够搭载无线多跳中继通讯系统，实现现场动态组网、无死角通信。

3.废墟洞穴搜索与辅助救援机器人　　

可根据环境和任务变换自身形状呈品字形、一字型、方形和突进型四种构型，能够由狭窄入口进入废墟，并在不稳定瓦砾堆中运动；具有通用的搜救载荷接口，可根据需要携带光学、语音或生命探测载荷，实现对废墟内部图像、声音、体动、呼吸等信息的采集与识别，实现对受困人员的探测与定位。

4.废墟缝隙搜索与辅助救援机器人

具有自动推进、避障越障功能，可携带微型光学摄像头、力传感器、拾音器、对讲系统等多种传感器，进入小于5cm缝隙空间内开展生命探测与定位；并且能通过辅助救援软管为救援目标提供氧气、饮用水或流质食品；易于单兵携带和操控。

5.废墟内部可伸缩多指机械手

多指机械手是可搭载多种载荷模块的三指六自由度自适应机械手爪，可搭载多种载荷模块进入废墟中的狭小洞口，实现深入废墟内部探测或传递任务载荷的功能。

二、主要技术创新

“废墟搜索与辅助救援系列机器人”具有完全自主知识产权、是国内首批面向废墟搜救应用的机器人系统，主要技术指标达到或超过目前国内先进水平、实用价值显著，具有独创性。具体体现在以下方面：

1.模块化配置技术：针对不同机器人的功能，模块化配置复合移动机构、可变形机构、缝隙内移动机构、关节及连杆单元等，便于进行构造集成和构型变换，以适应不同废墟环境下的多种废墟搜救任务。

2.标准化接口技术：各类机器人都具有面向地震废墟搜救任务的标准化接口、支持“即插即用”的模块化搜救任务载荷，也可搭载标准化接口的机器人无线多跳通讯控制系统，实现现场动态组网和无死角通信。

3.旋翼飞行机器人控制技术：研制出旋翼飞行机器人控制器和机载自主定位与导航系统，以及飞行机器人与搜索探测载荷的集成技术，实现自主起降、超视距自主航迹跟踪飞行、大范围灾情获取和定点侦察等功能。

4.废墟搜救机器人集成技术：实现了多种机器人在不同废墟环境下开展多样化搜救任务的协同作业，并能与现场和后方指挥中心实现实时的视频信号并行传输和集成显示，建立了多机器人联合行动协调平台系统。

三、示范应用情况

废墟搜索与辅助救援系列机器人通过多次在地震灾害训练废墟、地震救援演习和实际救援行动的各项示范应用中完成了各项功能测试，取得了较好的应用效果，已初步具备在实际地震救援行动中应用的水平，并经过了四川芦山地震的实战检验。具体示范应用情况如下：

1.国家地震紧急救援训练基地模拟废墟演示试验

5种机器人协作救援作业系统在国家地震紧急救援训练基地得到了多次充分的演示验证：首先通过无线视频传输系统将机器人探测到的视频信息传回到各机器人系统的地面控制站，再通过无线局域网将各机器人所探测到的视频、音频信息传输到模拟地震现场临时指挥中心，在指挥中心对所有数据进行统一显示和管理，这些信息经过处理和分析，可辅助指挥人员进行决策，然后把新的搜救任务下达给不同位置的机器人系统；实现了机器人系统多路载荷信息在指挥计算机平台上的集成展示。

2．参加IEC测评活动的演示试验

“废墟搜索与辅助救援系列机器人”于2009年11月参加了中国国际救援队分级测评（IEC）综合演练演示试验，根据详细的演示试验计划和动作流程进行了废墟搜索与辅助救援操作示范应用，引起了联合国人道主义协调办公室官员和亚太地区各国负责应急救援事务官员的极大兴趣和高度关注，为中国国际救援队顺利成为全球第12支，亚洲第2支获取联合国资格认证的国际重型救援队贡献了力量、增添了光彩。

3. 参加四川芦山地震救援实战检验

2013年4月20日四川芦山7.0级地震发生后，飞行机器人和洞穴机器人随国家地震灾害紧急救援队赶赴灾区开展现场救援行动。飞行机器人拍摄了前往龙门乡的道路通行情况以及龙门乡、清仁乡等地的建筑物破坏情况，并对有关重点建筑物进行了排查，为救援队开展灾情评估和调度部署提供了决策支持。同时，洞穴机器人在龙门乡的典型废墟中开展了搜索和排查工作。这是我国自行研制的搜救机器人首次在地震救援行动中协助救援人员开展实际工作，对于提高搜救行动效率起到了积极作用。

四、成果转化推广前景

目前，废墟搜索与辅助救援系列机器人中的部分样机已部署给中国地震应急搜救中心使用，并经过了四川芦山地震的实战检验。该成果在2012年被评为中国地震局“十一五”以来最具应用实效的十项科技成果之一，排名第6；并在2014年被评为中国地震局2014年度防震减灾科技成果奖二等奖。中国地震应急搜救中心作为成果的研发单位和应用单位，一直以来都致力于该成果的示范应用、改进完善和转化推广工作，并积极申请承担了科技部“十二五”国家科技支撑计划“灾害应急救援系列装备研制”项目，继续开展废墟营救机器人、救援助力机器人的研发，今后也将进一步通过标准化和制式化的研究，力争早日列装于地震专业救援队。该成果在地震救援、危险环境侦察、情报收集、巡逻与警戒、洞穴/建筑物内部勘查、高级服务机器人、危险设备检测修理等领域具有广阔的军用、民用应用前景和社会效益，其应用和转化将改变我国机器人化救援装备依赖进口的状况，对提高我国地震救援装备的智能化和先进化水平具有重要现实意义。