國外排爆機器人發(fā)展現(xiàn)狀與啟示

唐 杰，李其祥

（1.武警工程大學裝備管理與保障學院，陜西 西安 710086；2.武警工程大學職業(yè)教育中心，陜西 西安 710086）

1 引言

隨著科學技術(shù)迅猛發(fā)展和武器系統(tǒng)升級換代，排爆機器人大量應用于城市反恐、震后救災等行動中，在探測危險物品、排除爆炸物中的出色表現(xiàn)引起了世界各國廣泛關(guān)注，極大提升了作戰(zhàn)效率，有助于減少人員傷亡[1]。軍事需求是排爆機器人發(fā)展的直接動力，而科技的發(fā)展為無人作戰(zhàn)平臺提供了技術(shù)保障。當今世界正面臨百年未有之大變局，和平與發(fā)展仍然是時代主題，同時區(qū)域不穩(wěn)定不確定性更加突出，恐怖主義、地區(qū)熱點問題錯綜復雜。中國應該根據(jù)形勢任務(wù)，加速我軍新型無人排爆裝備的研發(fā)。本文以排爆機器人為研究對象，總結(jié)了近年來國內(nèi)外排爆機器人的演變與發(fā)展，基于未來的軍事任務(wù)需求，作出發(fā)展趨勢判斷，可以為中國排爆機器人的研發(fā)使用提供借鑒意義。

2 國外排爆機器人發(fā)展狀況

歐美國家研發(fā)較早，排爆機器人機動性好、適應性強，相關(guān)技術(shù)日臻成熟，通過增加了傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，代替士兵執(zhí)行搜索偵察、排雷排爆等軍事任務(wù)。目前廣泛列裝于軍警部門，在實踐中取得了一定的成效。根據(jù)智能控制方式的不同，可分為遙控式、半自主式和全自主式；根據(jù)行駛系的不同，分為輪式、履帶式、輪履結(jié)合式和足式；根據(jù)承載質(zhì)量的大小分為小型、中型、重型和超重型。

2.1 英國

2.1.1 MK II

英國P.W.ALLEN 公司生產(chǎn)的MK II 新一代多功能小型排爆機器人，具有體積小、功能強、操作方便的特點。如圖1 所示，MK II 機械臂為6 自由度，可以靈活抓取物品。主攝像頭具有10 倍放大功能。中央操作臺采用筆記本電腦控制，動作準確，操作方便，圖像顯示清晰，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可實現(xiàn)異地操作、異地數(shù)據(jù)傳輸。防水式雙向數(shù)字通訊系統(tǒng)保證將前方聲音清晰傳輸至中央控制臺，具有強抗干擾能力。標準化數(shù)字接口，可搭載多種探測傳感器。負載能力80 kg，可在雪地、沙地等復雜路面行駛，續(xù)航時間3～5 h，越障高度20 cm，爬坡角度45°，密封等級IP55，最高時速2.25 km。

圖1 MK II 新一代多功能小型排爆機器人

2.1.2 Defender

如圖2 所示，Defender 是一款結(jié)實耐用、可靠性強的大型排爆機器人，配有處理核生化裝置、分布式電子結(jié)構(gòu)、擴展的光譜射頻遙感測量裝置，可以線控或無線遙控，采用全向天線，控制半徑達到2 km。車體采用模塊化結(jié)構(gòu)，部件主要材質(zhì)以鈦為主，配有標準配件[2]。自重275 kg。負載能力180 kg，垂直高度2.56 m，離地間隙10 cm，續(xù)航時間5 h以上，可翻越20 cm 障礙并爬行45°的斜坡，最高時速可達3.25 km。

圖2 Defender 大型排爆機器人

2.1.3 “手推車”

“手推車”由英國軍用車輛研究所和英國皇家陸軍共同研發(fā)，它也是世界上最負盛名的經(jīng)典履帶式排爆機器人，廣泛應用于各國軍警部門，有多種型號，包括MK7、MK8、SuperM 等，其中SuperM 是一種可在惡劣環(huán)境下工作的遙控車，全車重204 kg，長112 cm，寬169 cm，移動機構(gòu)采取履帶結(jié)構(gòu)，最大速度為2 km/h，配有無線電控制系統(tǒng)、彩色攝像機、獵槍及爆炸物排除裝置[3]。攝像機可靠近地面工作，方便排查可疑車輛底部。“手推車”經(jīng)典履帶式排爆機器人如圖3 所示。

圖3 “手推車”經(jīng)典履帶式排爆機器人

2.2 美國

2.2.1 F6A-J

F6A-J 是美國REMOTEC 公司ANDROS 系列中功能最強大的經(jīng)典排爆機器人[2]。如圖4 所示，采用活節(jié)式履帶輪式結(jié)合設(shè)計和獨特的前后擺設(shè)計，使其能夠適應復雜的地形，行走速度快，機身較窄，可在狹窄的地方靈活操作。三節(jié)機械臂，6+1 自由度；肩軸轉(zhuǎn)動210°，腕軸仰俯210°，抓手最大張度為31 cm 并可連續(xù)轉(zhuǎn)動，各種部件均由獨立開關(guān)控制，速度可調(diào)節(jié)。配有三組攝像頭，對作業(yè)現(xiàn)場可進行無死角監(jiān)控；適應各種天氣；可通過線纜、光纜或無線控制；爬坡能力45°，越壕能力46 cm；完全伸展時，最大抓取質(zhì)量11 kg，伸展46 cm 時最大抓取質(zhì)量為27 kg。伸展距離為水平200 cm，垂直240 cm；武器/工具方面配有快速更換工具組件，有兩套控制電路。控制系統(tǒng)固定在一個手提箱里，可以無線、光纜和線纜控制。

圖4 F6A-J 經(jīng)典排爆機器人

2.2.2 Talon（魔爪）

如圖5 所示，Talon 是一款中型無人排爆車，用于執(zhí)行偵察檢測、爆炸物拆除工作，模塊化設(shè)計，在不裝備爆炸物處理裝置（EOD）和戰(zhàn)斗工程設(shè)備的情況下可通過遠程遙控拆除簡易爆炸裝置[4]，載荷為45 kg，可翻越最高43°的臺階、45°的斜面、38 cm 深的雪地及拆遷廢墟[5]。優(yōu)點在于堅固、承載能力強，操作簡單。

圖5 Talon 中型無人排爆車

2.3 加拿大

2.3.1 MK4

如圖6 所示，MK4 是一款質(zhì)量達333 kg 的大型排爆機器人，可拖拽680 kg 物體，爬坡能力40°，多輪傳動系統(tǒng)，速度最快可達3.2 km/h。1.4 GHzCOFDM，視頻傳輸距離達1 km，無干擾、手臂收回時可抓取90 kg 重物，手臂伸展時可抓取45 kg 重物。通過CCU 操控單元對機器人的行進速度、觀察平臺進行精確控制。38 cm 彩色液晶觸摸顯示屏不管是在亮光還是在暗光下都能清晰顯示七組攝像頭的圖像。配備有重型抓手、雙路多轉(zhuǎn)向水炮槍底座。模塊化設(shè)計使現(xiàn)場臨時根據(jù)任務(wù)需求更換配件。四組48 VDC 快速充電電池保證機器人連續(xù)使用時間達到5 h。

圖6 MK4 大型排爆機器人

2.3.2 Avenger

如圖7 所示，Avenger 排爆機器人機械臂整體7 個自由度，采取三段式設(shè)計。全新強固式操作平臺，X500 型軍品級操作平臺；雙電池供電，三種通訊方式，搖桿控制運動和PTZ 相機。符合MIL-STD 810G，MIL-STD-461F 標準，IP65防護等級。模塊化設(shè)計方面，預留接口可與爆炸物銷毀裝置、便攜式X 光機、核生化探測等設(shè)備無縫連接。

圖7 Avenger 排爆機器人

2.4 其他國家排爆機器人發(fā)展現(xiàn)狀

2.4.1 德國

如圖8 所示，Telemax PRO EOD 是一款設(shè)計精巧、靈活的多功能排爆機器人。越障能力50 cm，機械臂可一鍵操作完成規(guī)定動作，輕松抓取物體；履帶和輪式結(jié)合的移動結(jié)構(gòu)使其具有良好的靈活性；配有兩個可自動交換工具的工具庫；鎳鎘或鋰電池供電，連續(xù)續(xù)航時間最長可達5 h；接口可配多種爆炸可疑物摧毀器。良好的NBC 防御功能，傳感器可探測到混合在爆炸物中的放射性、有毒有害化學物質(zhì)；使用環(huán)境溫度范圍為-20～60 ℃；具有防水防震功能；1 000 m 內(nèi)可無線電操控，光纖操控最遠達200 m。

圖8 設(shè)計精巧、靈活的排爆機器人——Telemax PRO EOD

2.4.2 俄羅斯“烏蘭”-6 型

如圖9 所示，“烏蘭”-6 型排爆機器人結(jié)構(gòu)緊湊，外觀低矮，車頭前方安裝掃雷連枷，車頂安裝有攝像頭、天線等設(shè)備，自帶的掃雷工具組件包括掃雷輥、推土鏟、夾爪、叉車和機械臂等，同時還配備了不同類型的車載儀表以及4個全方位攝像頭[6]。操控性好，適用于極寒環(huán)境，維護保養(yǎng)方便。

圖9 “烏蘭”-6 型排爆機器人

3 國外排爆機器人主要特征及發(fā)展趨勢

從技術(shù)發(fā)展角度來看，國外排爆機器人呈現(xiàn)以下特點：①模塊化設(shè)計。通過加裝不同武器系統(tǒng)，最大化增強排爆機器人作戰(zhàn)能力。②具有良好的越障能力和環(huán)境適應性。爬坡越障等山地越野性能出色，能夠適應崎嶇山地、城市廢墟、灘涂斜坡等不同地形環(huán)境，防水抗低溫高溫設(shè)計也極大增強了戰(zhàn)場生存能力。③結(jié)構(gòu)上具有大型化、小型化、輕量化、簡約化的特點，并在總體布置上多采用整體平臺式結(jié)構(gòu)，以滿足多種軍事任務(wù)的要求[7]。④操控控制系統(tǒng)智能化水平較高，具備智能控制、環(huán)境感知、人機互動、執(zhí)行任務(wù)等強大性能。

排爆機器人作為特種機器人的重要應用方向，其應用價值被各國普遍認同。操作智能化、功能模塊化、任務(wù)集群化已經(jīng)成為未來排爆裝備發(fā)展的主流方向。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：①從環(huán)境適應性上看，排爆機器人在防護功能、防水抗低溫高溫上的良好表現(xiàn)，使其能夠在震后救援、敵火控制范圍、疫情爆發(fā)區(qū)、核生化污染區(qū)等多種人員不宜直接進入的復雜環(huán)境下，代替排爆人員完成搜救、排爆、清除、偵察等危險作業(yè)，表現(xiàn)出色。此類作業(yè)環(huán)境往往對人身有極大威脅，貿(mào)然進入疫情污染區(qū)有可能造成病毒擴散蔓延，帶來不可控制的影響。②從智能程度上看，排爆機器人將從遙控式、半自主式向完全自主式發(fā)展，單體智能向多智能體協(xié)同發(fā)展[8]。結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、精確定位技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)、導航和定位技術(shù)、生命探測、核生化探測等先進技術(shù)[9]，實現(xiàn)一鍵操作、路徑優(yōu)化、自主導航、爆炸物識別拆除等功能，更好地實現(xiàn)人機互動，可保證作業(yè)人員和作業(yè)工具的分離，對作業(yè)人員起到了很好的保護作用。③從發(fā)展形態(tài)上看，排爆機器人將向系列化、多元化、隱形化方向發(fā)展。瞬息萬變的未來戰(zhàn)場對排爆機器人的發(fā)展提出更高要求。城市巷戰(zhàn)、交通工具走廊等狹窄區(qū)域適宜小型排爆機器人，開闊地帶適合大中型排爆機器人作業(yè)，反恐維穩(wěn)行動中則更需要隱形排爆機器人。④從研發(fā)設(shè)計上看，標準化、模塊化設(shè)計將是未來的一個必然發(fā)展趨勢，通過優(yōu)化機械接口、電氣接口和液壓接口的集約化設(shè)計[10]，提高裝備之間的兼容性，依據(jù)不同任務(wù)靈活拆裝不同模塊，在作業(yè)現(xiàn)場迅速實現(xiàn)功能切換，有效應對復雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境，提高作戰(zhàn)效率。⑤從擔負功能來看，排爆機器人作為光機電一體化的復雜集成體，涉及到機械、電子、自動控制、計算機、人工智能、腦科學、傳感器、通訊及網(wǎng)絡(luò)等多個學科領(lǐng)域[11]，未來通過搭載各種武器載荷，排爆機器人將從單純現(xiàn)場偵查排爆向遂行多樣化任務(wù)轉(zhuǎn)變[12]，可廣泛應用于主要用于情報搜集、巡邏與偵察、排雷排爆、軍事運輸、火力攻擊等任務(wù)。

4 對中國排爆機器人發(fā)展的啟示

近年來中國在引進國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，排爆裝備快速發(fā)展，排爆機器人在危險物偵查、探測救援、減少作戰(zhàn)力量傷亡方面的出色表現(xiàn)引起了社會各界廣泛的關(guān)注，具有相當廣闊的應用前景和社會效益。相比國外，中國排爆機器人研發(fā)起步較晚，尚處于模仿學習階段，整體結(jié)構(gòu)功能上都有所欠缺，在發(fā)展理念、技術(shù)創(chuàng)新上和國外還存在不小的差距，如何發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，借鑒外國研發(fā)經(jīng)驗，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，加快研發(fā)適合中國的排爆機器人刻不容緩。

從國外情況可以看出，排爆機器人逐漸從擔負單一任務(wù)過渡到智能化、多模塊領(lǐng)域，任務(wù)載荷也從模塊小載荷逐漸向高集成化大載荷方向發(fā)展。機、電、光、聲、化的多學科、多技術(shù)融合給無人化排爆裝備提供了全新的開拓思路和探索方向。美國排爆機器人的研發(fā)在頂層設(shè)計上，采用“一體化發(fā)展、螺旋式推進和持續(xù)性改造”模式[13]，要求前瞻性考慮下一階段裝備發(fā)展需求，鼓勵根據(jù)任務(wù)需求大膽創(chuàng)新。由于中國國情和工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)與外國不同，不能盲目照搬照抄[14]。應該認識到，中國排爆機器人智能化程度還比較低，仍處在半機械化向信息化過渡的階段，遠遠無法滿足未來戰(zhàn)爭的要求，已成為制約戰(zhàn)斗力生成的薄弱環(huán)節(jié)，迫切需要升級換代。

中國要在穩(wěn)步落實頂層設(shè)計的同時，要注重“產(chǎn)、學、研、用”相結(jié)合，盡快形成實戰(zhàn)效能。目前，排爆機器人的研發(fā)還處于各自為政的狀態(tài)，產(chǎn)品模塊規(guī)格不一，要推動技術(shù)通用化、結(jié)構(gòu)模塊化發(fā)展，采用模塊化的結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和兼容性。強調(diào)研發(fā)的技術(shù)繼承性，降低研究風險，節(jié)約研制經(jīng)費，提高無人化排爆裝備的作用可靠性，搞好機器產(chǎn)品的系列化。