陸地救援裝備

由於大部分對人員產生巨大威脅的事故發生在陸地，因此陸地救援裝備的種類更加豐富，功能也更加多樣。按照結構形式及應用需求，可簡單分為小型搜救機器人、大型工程救援裝備及救援保障裝備等。

1.3.1 小型搜救機器人

小型搜救機器人主要用來代替營救人員進入地形複雜的災害現場完成環境監測、生命搜索等任務。根據不同的運動形式及功能，又可分為履帶式搜索機器人、輪式搜索機器人、仿生搜索機器人及小型救援機器人等。

(1) 履帶式搜索機器人。

履帶式機器人具有支撐面積大、崎嶇路面運動性能好等優點，是救援機器人應用最為廣泛的運動方式之一。在救援過程中，其通過智能的環境感知與路徑規劃，主要完成生命搜尋、物品搜索等功能。為了提高機器人的環境適應性，在傳統的履帶結構的基礎上，救援人員又研發了可變形履帶機器人等新型的移動機器人。

傳統履帶式機器人一開始主要用於軍事作戰，且大多體積較大，不適合在災后廢墟狹小空間中搜救被困人員。為解決這一問題，許多研究人員基於傳統的履帶機器人，對可變形履帶式機器人進行了研製。該類型的履帶式機器人能夠根據地形改變自身形態，可以更好地適應複雜環境。例如，奧地利應用科學大學EDLINGER等設計了一款履帶式救援機器人，如圖 6 所示。該機器人具有導航和感知能力，並具有良好的機動性，可連續翻越多達 15個坡道地形以及 40～45 節樓梯。具有代表性的履帶式搜救機器人還有美國桑迪亞實驗室 2010 年研製的 Gemini-Scout 救援履帶車。如圖 7 所示。該履帶車的行走機構採用分節式履帶，機動性能較好，有較強的跨越台階、溝槽的能力。Gemini-Scout 整車長 1.2 m，總高 0.7 m，採用無線控制方式。其裝有視頻採集攝像機、紅外線測距儀、多功能氣體濃度傳感器及導航儀，同時可以攜帶救援物資，從而增加了被困人員獲救的概率。此外，日本東北大學(圖 8)、伊朗圖什理工大學(圖 9)等也對可變現履帶搜救機器人進行了相關研究。

在國內，履帶式搜救機器人的研發起步較晚，但仍然取得了大量的研究成果。2005 年，中科院瀋陽自動化研究所開發了一款可重構模塊化的履帶式搜救機器人，如圖 10a 所示。其能根據路面狀況進行構型重構，具有九種運動構形和三種對稱構形，能根據地形變換構型，以適應複雜環境。然而，機器人軟硬件的控制、驅動的難度較大。

此外，瀋陽自動化研究所還研發了一種可變形履帶機器人AMOEBA-I，如圖 10b 所示，它具有快速轉彎、克服障礙物、穿越溝槽等能力。在常規模式下，其可以翻越高達 29.63 cm 的障礙物；在前後履帶臂的協作下，能夠翻越最大高度為 58 cm 的障礙物，機器人整體搜救性能較為出色。中國礦業大學設計了一款可用於礦難搜救的履帶式機器人，如圖 11 所示。該機器人使用了雙電動機驅動履帶單元，動態性能較高。在控制算法方面，其可在“速度驅動模式”和“扭矩驅動模式”之間自由切換。試驗表明，該機器人具有良好的爬坡性能，且移動效率較高。

此外，北京理工大學(圖 12)、太原理工大學等也都對履帶式搜救機器人進行了深入研究。

履帶式機器人的通過能力強，可在崎嶇的路面上快速前進。改進后的可變形履帶機器人的越障能力有了進一步的提高。但其在前進過程中摩擦力大，能量損失大。此外，履帶機器人的尺寸一般都很大，只能在廢墟表面工作，無法進入狹小的廢墟內部空間進行搜救。

(2) 輪式搜索機器人。

輪式搜索機器人具有結構簡單、可靠性高、移動速度快的特點，目前國內外眾多學者對輪式搜索機器人開展了大量的研究工作。

日本京都大學的 KAZUYUKI 等研發了一款輪式搜索機器人 MATOI，可用於由生物化學武器造成的災難現場，如圖 13 所示。MATOI 的質量為109 kg，有效載荷為 80 kg，最大移動速度可達8.33 m/s。機器人平台集成了 GPS，攝像頭，激光測距掃描儀等眾多傳感器，具有防水、防塵和抗電磁干擾的優點。以色列研發了一款輪式搜救機器人，如圖 14 所示。

該機器人搭載有攝像機、夜視設備及相關傳感器，負重可達 300 kg，能夠按照預先設定的路線在救援自動行駛，可替代救援人員執行危險任務，以減少傷亡人數。此外，瑞士聯邦學院研製的輪式搜索機器人 Shrimp(圖 15)、日本東京工業大學研製的輪式搜索機器人 R-crank(圖 16)也是輪式搜索機器人的典型代表。

國內對應用於救援的輪式搜索機器人的相關研究也取得了一定的成果。哈爾濱工業大學研發了一款用於災難搜索的小型遙控輪式機器人，如圖 17所示。該機器人由移動平台、多傳感器、任務規劃器、嵌入式控制器和無線通信模塊組成，整體尺寸為 30 m×26 m×18 m，質量為 1.5 kg。

由於該機器人體積較小，在搜索過程中可依靠人工無線控制移動到廢墟內部，應用範圍較廣。西南大學研發了一種基於多連桿結構的輪式機器人，如圖 18 所示，可用於災難環境的探測搜索。該機器人的長度為30 cm，連桿長度為 51.5 cm，底盤高度為 7 cm。通過設計連桿尺度，該機器人能很好地解決連桿輪式機器人中出現的奇異現象，從而越障性能及運動穩定性較好。此外，中信重工開誠智能裝備有限公司(圖 19)和西南交通大學(圖 20)也對輪式搜索機器人進行了研究。

輪式搜索機器人是從普通輪式移動機器人發展而來的，具有結構簡單，成本低及移動速度快的優點。輪式搜索機器人的設計方法相對成熟，但在複雜崎嶇的災難搜救現場，機器人的越障能力較弱，在一定程度上影響了實際的救援效果。

(3) 仿生搜索機器人。

為了進一步提高搜索機器人的複雜環境適應性，科研人員受到自然界生物的啟發，研製出多種可用於災害複雜環境的仿生搜索機器人，主要以蛇形搜索機器人為主。該研究目前還處於實驗室階段，未來有在應急救援領域應用的可能性。

國外較早開展了蛇形搜索機器人的研究，並取得了豐碩的成果。例如，日本的 OHASHI 等研製了一款蛇形搜索機器人 ACM-R7，如圖 21 所示。其長 1.6 m，質量 11.7 kg，具有 18 個自由度，且具有防水的能力。但由於 ACM-R7 的每個關節獨立驅動，因此控制系統較為複雜，且在運動中能耗較大。英國普利茅斯大學研發了一款基於 3D 打印的可用於災難現場搜索的蛇形搜索機器人。該機器人的機身利用柔性材料製成，抗衝擊性能較好，剛度高。機器人的控制器位於頭部，利用嵌入式計算可以通過無線通信連接到遠程 PC，允許操作員遠程控制機器人。

除了上述兩類蛇形搜索機器人外，由日本SGI 公司和電氣通信大學聯合研製成功的基於履帶的蛇形搜索機器人也具有很強的代表性，如圖 22所示。第一代機器人“KOHGA”由 7 個關節將 8個履帶車單元串聯而成。在 7 個關節中，除前兩個關節為主動關節外，其餘關節均為從動關節。KOHGA採用無線控制的方式，安裝有攝像機、紅外線測距儀、多功能氣體濃度傳感器及導航儀，可實現對災害現場的環境監測。在此基礎上，研究人員還開發了具有更強環境適應性的第二代機器人。

在國內，西安科技大學李紅岩針對於煤礦蛇形救援機器人(圖 23)，研究了其在礦井下事故現場局部未知環境下的環境參數探測、姿態控制以及路徑規劃等問題，通過提出局部未知障礙物幾何特徵地圖匹配的方法、基於優化人工勢場柵格蟻群算法、具有參數自適應調整的多目標點牽引的人工勢場算法等，使得蛇形機器人具有良好的環境適應性。北京化工大學研製了一種新型的蛇形搜索機器人，如圖 24 所示。該機器人的長度為 125 mm，直徑為42 mm，質量為 3.2 kg，偏航角為±45°。機器人由8 個具有 3 自由度的並聯機構組成，可在空間開展有效的三維搜索運動。

蛇形搜索機器人的體積相對較小，能夠進入相對狹窄的縫隙。但是蛇形搜索機器人大多採用被動輪式運動，只適合在較為平坦的地面或者水中運動，且控制複雜、可靠性不高，在一定程度上限制了其在實際搜救行動中的應用。

除了蛇形搜索機器人以外，日本東京工業大學、和上海交通大學等還對腿式搜索機器人進行了相關研究。但由於腿式機器人移動速度慢，效率低，其在應急搜索救援領域尚未得到應用。

災害救援現場的應用效果表明，當廢墟環境過於複雜時，現有履帶式救援機器人、輪式救援機器人以及仿生救援機器人均無法完全滿足救援需要。為此，基於上述運動形式，研究人員也對具有複合運動功能的救援機器人進行了研究，以使得救援機器人能夠具有不同運動形式的優點，提高機器人在崎嶇地形下的運動效率。具有典型代表的救援機器人包括輪腿複合救援機器人、輪履複合救援機器人等。然而，上述救援機器人仍處於實驗室階段，具有實際應用存在一定的差距。

(4) 小型救援機器人。

上述履帶式或輪式機器人多通過搭載各種傳感器，以完成搜索任務為主。在此基礎上，許多學者通過在機器人上搭載操作裝置，使得其能夠完成更加複雜的救援任務。例如，韓國研製了一種履帶式救援機器人，如圖 25 所示。其由頭部、軀幹和雙机械臂組成，可通過机械臂完成傷員搬運等功能。在此基礎上，研究人員還對其穩定控制方法進行了研究。在國內，哈爾濱工業大學在履帶式救援機器人上配備了執行裝置，它可以利用蠕動功能在重物下面建立運動通道使其在下面穿行，並可在廢墟環境下完成起縫、頂撐等不同任務需求，如圖 26 所示。該機器人最低可以深入 40 mm 的裂縫中，可將700 kg 的物體頂撐至距離地面 410 mm 的位置。此外，瀋陽建築大學等也對能夠完成救援任務的小型移動機器人進行了研究(圖 27)。

由於許多救援領域具有很強的特殊性，因此，通用的一般化救援裝備難以滿足救援需要。許多科研人員針對於特殊救援領域，研製了種類繁多的專用化救援裝備。其中，具有滅火功能的消防救援裝備最具有代表性。該類救援裝備可以代替救援人員完成高層或超高層建築的滅火任務。國外起步較早，美國、日本等都對滅火機器人進行了研究。

美國霍氏科技公司研製的遙控滅火機器人Thermite RS 1-T2 如圖 28 所示。其採用履帶式行走機構，由 18.64 kW 的柴油發動機提供動力，搭載的攝像頭可對火場內部實施偵察。主要通過機器人來拖動水帶，同時車載全方位噴嘴開展滅火作業，每分鐘可提供 2211 L 水。美國的 In Rob Tech 公司生產的消防滅火機器人 FFR-1 如圖 29 所示，其配備的冷卻系統可使機器人在 6 000 ℃的高溫環境下將自身溫度保持在 600 ℃左右，機器人具有較強的耐高溫特性。在國內，中國礦業大學研製了一款消防機器人，如圖 30 所示，並對消防炮不同俯仰角下的運動穩定性進行了研究[54]。由中信重工開誠智能裝備有限公司研製的消防滅火機器人如圖 31 所示。其搭載的消防水炮的工作壓力為 1.2～1.5 MPa，最大流量為 120 L/s，最大射程為 150 m，特別適用於石化及燃氣等易爆環境。

基於上述傳統的救援機器人，研究人員將一些新的機構形式應用於消防機器人當中。例如，為解決現有滅火機器人很難直接接觸到火源的問題，東京大學 ANDO 等設計了一種軟體滅火機器人，如圖 32 所示。機器人噴嘴模塊有兩個出水口，可通過出水口水流的控制保持軟體滅火裝置的穩定飛行。試驗表明，長約 2 m 的機器人可以利用水的反作用力在空中穩定飛行，並可改變噴頭的方向。

上述研究表明，為了提高救援效率，國內外都對小型救援裝備開展了相關研究。其中，滅火裝備的研究較為成熟，已經能夠在救援現場完成部分救援任務。然而，小型救援裝備仍然存在功能簡單、難以完成複雜任務的問題。由於災害現場環境複雜，操作對象及任務種類繁多且具有很強的不確定性，這對機器人操作的準確性、運動的靈活性及救援可靠性等提出了較高的要求。因此，現有小型救援裝備難以滿足救援需求，有待於進一步研究。