廢墟搜救機器人發展現狀及趨勢

摘要：防范大震巨災和提升災害廢墟中的生命救援能力，是當前一個時期的急迫任務。消防救援隊伍著眼于“全災種、大應急”，在歷次重大災難的廢墟搜救中擔當著國家隊和主力軍的角色。然而，如何在惡劣的廢墟環境中實現高效救援和降低作業風險成為亟須解決的問題。廢墟搜救機器人作為一種先進的、有效的應急救援裝備，可以代替救援人員進入現場實施搜救。現介紹廢墟搜救機器人的發展現狀，重點分析其核心技術，并展望發展趨勢。

關鍵詞：廢墟搜救；機器人；應急救援裝備

中圖分類號：TP242" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2024）09-0034-03

我國是世界上自然災害最嚴重的少數幾個國家之一，自然災害種類多，發生頻率高，損失嚴重。地震、海嘯、山體滑坡、泥石流等自然災害，極易造成建筑物倒塌，導致人員埋壓被困，嚴重危害人民生命和財產安全。2008年5月12日，四川汶川發生里氏8.0級地震，地震造成6.9萬余人死亡，1.8萬余人失蹤，37.4萬余人受傷[1]。2023年12月18日，甘肅臨夏州積石山縣發生里氏6.2級地震，地震造成100余人死亡，900余人受傷[2]。統計資料顯示，在涉及建筑倒塌的災害（如地震）中，因廢墟埋壓而得不到及時救助致死的，占比亡人總數的50%以上，而現場黃金救援時間只有72h，因此，盡最大可能搜救廢墟中的災害幸存者，是現場應急救援的最高使命和國際救援領域不懈努力的首要方向。與傳統救援方式相比，使用機器人執行廢墟搜救任務，不僅避免了救援人員進入廢墟現場的作業風險，還可以擴大搜救范圍、提高搜救效率。本文旨在收集和整理國內外面向廢墟搜救機器人的文獻情報，調研分析國內外廢墟搜救機器人的發展現狀，重點圍繞機器人移動性能、作業性能和安全性能，研判識別廢墟搜救機器人亟須攻克的核心技術，總結了廢墟搜救機器人未來的發展趨勢，為優化提升機器人實戰性能和應用效果提供支撐。

1 廢墟搜救機器人的發展現狀

日本阪神大地震和美國“9·11”事件以后，世界上許多國家開始加大對廢墟搜救機器人的研究力度，美國、日本、韓國等發達國家在這一領域的技術相對成熟。相比之下，我國對廢墟搜救機器人的研究起步稍晚，在技術水平上存在一定的差距。國內外的廢墟搜救機器人按照形態大致可分為輪式廢墟搜救機器人、履帶式廢墟搜救機器人、蛇形廢墟機器人、足式＼腿式廢墟搜救機器人、可變形廢墟搜救機器人等。

1.1" 輪式廢墟搜救機器人

輪式廢墟搜救機器人具有結構簡單、速度快、穩定性高、可靠性高、成本低、機械效率高等特點，但是面對復雜崎嶇的災難現場越障能力差，攀爬能力有限，不能爬過高于輪子半徑的障礙物，限制了其應用。典型的輪式廢墟搜救機器人，如日本京都大學研發的MATOI機器人、瑞士聯邦工學院研發的shrimp Ⅲ機器人和上海交通大學研制的SUPER-DII機器人[3]。

1.2" 履帶式廢墟搜救機器人

履帶式廢墟搜救機器人是應用最為廣泛的類型之一，其優勢在于機動性好、地形適應性好、通過能力強、越障能力強，能夠跨越裂縫壕溝，可在崎嶇不平的路面上快速前行，非常適合在復雜惡劣的地形下執行搜救作業。履帶式廢墟搜救機器人存在前進過程中產生的摩擦力較大、能量損失較多，影響了續航時間，為了保持穩定的行進狀態，需要隨時確保履帶的張緊度，由于體積較大，無法進入狹小的廢墟內部執行搜救任務。典型的履帶式廢墟搜救機器人，如美國iRobot公司研發的Packbot機器人和日本東北大學研發的quince機器人等。

1.3" 蛇形廢墟搜救機器人

蛇形廢墟搜救機器人是全世界研究的新熱點，科學家從蛇的身上獲得啟發，開始了仿蛇形機器人的研究，具有柔順性自由度高、運動關節靈活多變、結構細長、體積小、能夠進入相對狹窄的縫隙的特點。蛇形搜救機器人大多控制復雜、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。典型的蛇形廢墟搜救機器人，如美國密歇根大學研發的OmniTread機器人。近期，日本科研團隊研發了一種新型的蛇形搜救機器人，該機器人全長約8m，直徑約5cm，使用柔軟材料制成軟管狀，重約3kg，由振動馬達輕輕振動覆蓋表面的尼龍纖毛驅動前進，最大可跨越20cm的臺階。蛇形機器人結構上有很大的優勢，有望擴大災害發生時的搜索范圍。

1.4" 足式＼腿式廢墟搜救機器人

足式＼腿式廢墟搜救機器人具有地形適應性好的特點，能越過大的壕溝和臺階，容易進入倒塌的瓦礫中，缺點是移動速度較慢、穩定性較差、體積大，限制了其在地震救援方面的應用。美國卡內基梅隆大學研發的CHIMP機器人，采用輪、足復合的運動方式，在平坦路面上采用履帶式運動，在崎嶇不平的路面采用四足爬行式運動，具有很強的復雜環境適應能力。美國波士頓動力公司研發的Big Dog機器人是較為典型的足式機器人產品，具備較好的機動性和靈活性，可進一步投入在災害事故救援等領域。

1.5" 可變形廢墟搜救機器人

可變形廢墟搜救機器人是一種構型可以變換的機器人，針對災難救援環境的復雜性與不確定性，通過改變自身構形適應不同現場環境。可變形廢墟搜救機器人具有結構重復、模塊化、多冗余度、履帶式和可變形等特點。

應急管理部沈陽消防研究所依托國家消防救援局科技計劃項目，研發了自主可變形廢墟搜救機器人，該成果由自主可變形廢墟搜救機器人和地面控制臺兩大子系統構成，具備三角型、并排型和D型三種自主變形方式，具備紅外熱成像視頻、高清可見光視頻、復合氣體偵檢、非接觸式雷達生命體征探測、激光測距、照明、語音雙向對講七種廢墟環境及生命搜索功能。該機器人有模塊化結構設計、高機動性履帶式驅動、構型可變換、多種廢墟環境及生命搜索方式等特點，面對危險或無法進入的廢墟場所，替代救援人員執行搜救任務，實時提供進入通道的環境信息、廢墟內部場景及幸存者生命信息，提高了作業效率，保障了作業安全。

2 廢墟搜救機器人的核心技術

由于災后廢墟環境的特殊性和復雜性，對廢墟搜救機器人的性能提出了更高的要求，現階段廢墟搜救機器人仍然有待進一步改善的空間，其難點主要集中在移動性能、作業性能和安全性能等方面。

2.1" 移動性能

廢墟環境為非平坦的非結構化環境，其特點是空間狹小、支撐不穩、障礙物雜亂、多層埋壓，常規機器人難以在這樣的環境下移動，這就要求廢墟搜救機器人具有適應性、靈活性、魯棒性。因此，亟須攻克復雜地形機械結構適應技術，以便廢墟搜救機器人能夠適應各種各樣的地形環境，順利執行搜救任務。

2.2" 作業性能

穩定、高效的現場搜救作業是廢墟搜救機器人的核心要求。現階段，影響廢墟搜救機器人作業性能的因素主要包括廢墟內通信不穩定、人機交互能力不足、生命搜索技術單一等三個方面。

廢墟搜救機器人的通信分為有線通信和無線通信兩種方式。有線通信穩定可靠，但線纜長度限制了作業范圍，且線纜容易打結、磨損和鉤掛在瓦礫上，攜帶與部署不便。無線通信方便靈活，但信號衰減和電磁干擾等問題影響了通信的穩定性和可靠性。因此，研發適應廢墟環境的通信技術成為亟須攻克的核心技術之一。

在災難搜救現場，機器人操作員精神高度緊張、長時間連續高負荷工作，在搜索過程中容易遺漏被困人員目標，或者誤操作機器人，導致機器人卡在廢墟內部。鑒于此，亟須攻克廢墟現場智能搜救技術，輔助操作員強化和保持對被困目標的感知預測預判能力，有效彌補因經驗不足、個體差異及長時間應急作業下的疏漏和疲勞退化所帶來的問題，提高搜救效率、減輕救援人員工作強度。

單一的搜索載荷在搜救作業中都有局限性，研究融合視頻、音頻、生命探測雷達等多載荷環境偵檢與生命搜索技術，能夠有效發現可見或不可見的廢墟內埋壓人員及生命體征，最大限度地提升場景感知和生命搜索作業效率。

2.3" 安全性能

安全是衡量機器人性能的最重要指標之一。廢墟搜救機器人的安全性主要體現在本體安全、操作安全和人機交互安全等三個方面。本體安全異常是指機器人由于自身軟硬件故障，可能引發的飛車、失控等不利狀況[4]。操作安全異常是指操作失誤導致機器人與廢墟環境發生摩擦、碰撞，進而損壞機器人本體。人機交互安全是指由于機器人本體故障或操作不當而產生的危害被困人員人身安全的事故，如機器人漏電、機器人與被困人員意外碰撞等。

研究機器人本體控制的安全防護技術是防止機器人出現本體異常的重要手段，主要從自身軟硬件出發，包括多路冗余控制技術、機器人運行監測技術、軟件容錯技術等。

自主運動控制技術也是提升廢墟搜救機器人安全性和效率的關鍵。在廢墟環境下，具備自主運動的機器人不但能夠高效完成搜救任務，擴大搜救范圍，還能有效避免操作員因操作不當造成機器人本體故障或威脅被困人員安全的行為。

3 廢墟搜救機器人的發展趨勢

3.1" 機器人向輕量化方向發展

由于災害現場的能源限制和機器人便攜化、機動化和現場快速部署的實際需求，未來的廢墟搜救機器人將向輕量化方向發展[5]，這一趨勢具有低能耗的特點，即在保證運轉功率和使用時長的基礎上，所消耗的能量最少[6-7]。為此，應采用體積小、轉化率高、可就地取材的新型能源，如太陽能、風能等，以應對災害現場能源緊缺的挑戰。

3.2" 機器人向智能化方向發展

受限于當前技術條件，國內外現有的廢墟搜救機器人大多需要人工操作。隨著人工智能（AI）技術的發展，未來的廢墟搜救機器人將向智能化方向發展，這意味著機器人將擁有自主搜救的能力，未來的廢墟搜救機器人能夠自主規劃搜救路徑、分析研判搜救目標并執行救援任務，這樣將極大提高救援效率，擴大救援范圍，而且降低了人力成本，避免了人為操作失誤的風險。

3.3" 機器人向協同化方向發展

不同類型的廢墟搜救機器人具有不同特點、功能，能夠執行不同的救援任務，廢墟環境的復雜性和救援任務的多樣性需要各種不同類型的搜救機器人協同作戰。因此，未來的廢墟搜救機器人應向協同化方向發展，通過多機器人協同救援的方式，實現資源優化配置，對于提高救援效率具有重要意義。

4 結束語

由于地震、泥石流等自然災害發生后極易形成大面積廢墟，如何在惡劣的災后環境中實現高效、安全的救援，成為亟待解決的問題。廢墟搜救機器人作為一種先進的、有效的應急救援工具，可以代替救援人員深入危險的廢墟環境現場，執行搜救幸存者的任務。本文介紹了廢墟搜救機器人的發展現狀，重點圍繞廢墟搜救機器人的移動性能、作業性能和安全性能，剖析了該領域亟須攻克的核心技術，并展望其未來的發展趨勢。

參考文獻

[1]汶川特大地震四川抗震救災志.汶川特大地震四川抗震救災志[M].成都：四川人民出版社，2017．

[2]新華網.甘肅積石山地震48小時救援追蹤[EB/OL].http：//www.news.cn/2023-12/20/c_1130038420.htm

[3]王迪.輪式應急搜救機器人自主建圖與導航技術研究[D].廊坊：華北科技學院，2022.

[4]萬燕英，伍祁林.工業機器人安全防護技術綜述[J].機電工程技術，2021，50（9）：121-123+173.

[5]張新，徐建華，陳彤，等.面向重大自然災害的救援裝備研究現狀及發展趨勢[J].科學技術與工程，2021，21（25）：10552-10565.

[6]董炳艷，張自強，徐蘭軍，等.智能應急救援裝備研究現狀與發展趨勢[J].機械工程學報，2020，56（11）：1-25.

[7]羅大蔚.消防機器人在滅火救援中的應用價值及其優化應用[J].今日消防，2023，8（11）：29-31.