灾难应急搜索和救援机器人(SearchAndRescueRobot)是自然灾害、事故等突发事件发生时，代替搜救人员进↙入现场执行搜救探测任务的移动机器人。该类¤机器人可以远程操控或采用自主的方式深入到复杂、危险、不确定的灾害现场，探测未知环境信息，搜索和营救被困者。搜救机器人是机器人技术朝实用化发展的一个重要分支和新的研究领域，具有重要的社会▓价值。

　　搜救机器人可以应用于许多救援场合，比如地震、泥石流、台风、洪水、矿难、消防、危险物排︼除、野外勘察等。当⌒灾难或事故发生后，现场环境复杂恶劣，充满未知和不确定性的因素，严重威胁搜救人员的生命⌒安全，给搜救工作的部署和实施带来严峻考验。而灾」难发生后的48小时是实施营救的关键时间，否则超过48小时被困者生还▼的可能性就变得很小。因此搜救机器人的研究具有重要的实用价值和社会意义，近年来受到了美国、日本、澳大利亚、中国等国家的高度重视。

　　本课题的研究目标，是研发一种以主从式遥操作为主并具备一定自∩主能力的稳定、可靠的煤矿井下移动探测ω机器人平台，该平◤台的主要任务定位为煤矿井下危险区域的环境探测，包ㄨ括环境温度、气体组成与含量(CO，CH4，O2，H2S等)探测，以及现场视频及音频的采集与实时上传;对于〗这些危险区域我们定位于有限目标环境的有限参数探测，因为煤矿事∮故种类繁多，情况复杂，我们不可能指◢望通过一两种复杂的机构适应所有的井下环境，特别是对于像↓冒顶、塌方等极度复杂的环境或者透水等特殊环境的探测，必须采用专用的★机构与技术来解决;因此，本平台主要针对如瓦斯突出、局部火灾、爆炸或坍ω塌，而具有可进入条件的灾害环境进行探测。另外，作◥为一款搜救机器人平台本系统预留了可以加载如机械臂等末端执行机构的接口，从而为完成更加复杂和更有效的救援工作提供必要的技术支撑，也可以为该平台在其他搜索与救援领域(如地震、泥石流、火灾等其他灾难现场)的应ζ用提供重要的技术储备。

　　2搜救机器人研究进展

　　应急灾难搜索→和救援机器人的研究起步于20世纪80年代，经过1995年的美国俄克拉荷马州爆炸案以及日本神户大ぷ地震，搜救机器人才逐渐被作为机器人学的人道主义应用研究被重视起来。

　　随后的十几年时间里搜◎救机器人的技术不断发展，但仍多数停留在实验室阶段，参加实际救援行动并发挥重要作用的实☉例很少→。搜救机器人第一次大规模参与到现场救援的应☉用案例发生在美国911事件后，当时有Talon、Solem、PACKBOT、VGTV、MicroTracs、SPAWARUrbot等六种军方和研究所的机器人参与了救援工作，如图1所示。在这次救援№任务中，机器人系统的主要任务包括:在废墟中搜】索可能有幸存者的空间，并监控现场的结构变化，防止发生倒塌危及现∩场救援人员。搜救工作主要分为两个阶段，在第一阶段的的工作中,机器人并不是过度深入废墟现场,而是在人不便于接近的地方起到辅助作用。第二阶段的工作重点是清理现场建筑残骸,并为分析世贸中心塔楼Ψ倒塌的原因提供依据。在※这一阶段中，随∴着操作人员熟练程度的增加以及现场积累的经验，机器人系统＠ 的优越性逐渐表现出来。机器人通过深入现场近距离侦察、摄像,从而确定残存墙体的稳定性和发生倒◥塌的可能性;同时，机器人通过自身携带的不同类型探测器,测量一氧★化碳、硫化氢、挥发性有机物的浓度和现场温度,形成现场环↙境危险情况的基础数据。

　　通过十几名不同专业、不同领域的专家进行现场分〖析，并研究、指导现场的救援工作,大大加快了工作进度,并保证了人员的安全,体现了明显的优势。同时，在此次救援过程中也发现了机器█人系统的一些问题，如防▽水能力、耐热能力、防震及其他抗恶劣环境能力的不足，以及机器人自身状态感知及环境描述方法的不足。总之，这次救援任务是人类历史上由救援机器人参与的规模最大、也是较为成功的一次救援，在这次「救援过程中，工程技术人员和现场专家积累了大量的机器人系统进行灾∑　难救援工作的宝贵经验，对今后搜救机器人的研究来说是︻一笔巨大的财富。

　　此后美国、日本、澳大利亚等国的搜救机器人开始逐渐参与实际灾害≡救援行动，通过与灾害应急部门的紧密合作，不断积累实际救灾经验∑，改进搜救机器人的性能，以提高机器人对搜救环境的适应㊣　能力。

　　经过几年的研究和改进，搜救机器人☆再次用于美国加州小镇拉•肯奇塔泥石流和“卡特里娜”飓风灾害的搜救过程。拉•肯奇塔泥石流灾害造成大量的房屋坍塌和煤气泄漏，Inuktun公司专门为救灾应用∮设计改进的机器人VGTV-Xtreme被派往现场，但由于履带脱落使搜救机器人△无法继续执行任务。同年在美国历史上最严重的自然灾害“卡特里娜”飓风袭击后的救援中，VGTV-Xtreme发挥了重大作用。另外国际上为促进搜救机器人研究的进展，也设有专门的搜救机器人大ω赛RoboCupRescue。

　　我国的搜〖救机器人研究起步较晚，但最近〖几年发展较快，引起越来越多研究机构的关注。例如哈尔滨工业大学、上海交通大学、沈阳自动化研究所、广东卫富公司等都研制了各自的搜救机器人系统，中国矿业大学与清华●大学等几家机构也研制了用于煤矿井下救援的移动机器人∞平台。但目前国内的搜救机器人大多仍处于原理样机的研究上，或局限在室外危∑险物排除这种应用案例的应用上，尚未有机器人参与到矿难、地震、建筑物坍塌等实际灾难现场救援的报道。在2010年4月2日王家岭透水事故发生的过程╳中，中国科学院沈阳自动化研究所研制的水下机器人曾被带到现场，试图参与透水现场的探测任务，虽然最终没有采用，但也不失为一次有益的尝试，为透水事故探测救援积累了宝贵的经验。

　　3煤矿井下搜救机器人关键技术

　　在设计救灾机器人时,应从系统总体◆要求出发,考虑救灾机器人的环境适应性,协调各分系统的技术√关联,开展顶层设计,研究◥综合集成关键技术.在设计救灾机器人过程中应充分注重关键技术。

　　3.1运动机构

　　运动机构作为移动机器人的移♀动载体，直接影响到机器人的通过性和地形适应能力。煤矿搜救☆机器人的运动平台应尽可能适应※多种复杂的井下地形条件，如废墟、泥地、沙地、台阶、陡坡、壕沟等，即具有较强的【地形适应能力;除此之外，还要具有一定的运动速度和良好的运动学【稳定性，尽可能减少倾覆或翻滚的可能[]。目前的搜救机器人运动机构种类较多，如轮式、履带式、蛇形移动机构等，不同的运动平台决★定了各自的运动能力。轮式机器人速度快、效率高，但越障能力较◥差，复杂地形适应能力有限;履带式越障能力强，但存在速度慢、运动效率较低的缺点;蛇形机器人可以钻进狭小的空间，利用头部安装的摄像头传回图像信息，但也卐存在速度慢、机构复杂等缺点;足式机◤器人，如四足、六足等具有适应地形能力强的特点,能越过大的壕沟和≡台阶,但目前大部分足式机构存在速度慢、效率较低的特点;轮腿复合式机器人↘具有履带机器人的地形适应能力和轮式机器人的运动速度，但也存在结构相对复杂体积↘较为庞大等缺点;此外受到自然界生物的启发，各种特殊的仿生机构机器人∑　也展现了美好的前景[]。

　　综合▆考虑煤矿井下的地形环境和事故发生后可能存在的实际情况，采用具有较强地形适应能力的带辅助臂的复合履带方式是一种相对理想的运动机构，该方式㊣在具有较强地形适应能力的同时，可以『保持较小的体积，能够穿过相对》狭窄的空间。

　　除了上述需要考虑的因素之外，运动平台的设计必须可靠，以应对复杂的环境。比如煤矿搜救机器人设计时必须重点考虑防爆、防水、耐高温等。履带机器人也容易发生履带出轨脱落，导致机器人△寸步难行。除了灵活的运动能力和可靠性设计外，搜救ㄨ机器人还应考虑便携性。为了应对突发的矿难事故，提高搜◢救效率，搜救机器人应该具有较强的机动能力，必须在第一时间投放现场。搜索←完一个目标地点，能尽快转移到下一搜救地点。体积过★于庞大，除了具有更高的能耗和大大减小了平台通过能力ω　之外，其运输过程也会给救援工□　作带来困难。

　　3.2感知系统

　　搜救机器人的主要功能包括搜索探测与救援，但目前世界各国搜救机器人的研究还大多集中于环⌒境探测和幸存者搜寻的功能上。由于环境极度复杂，受困人员本身面临的困难复杂多样，对人ξ员的救援工作目前还是一件非常困难的事情，因此，环ζ　境探测与人员搜索任务是目前搜救机器人的主要功能，其搜索与探测能力主要取决于其自身携带的传感器的类型与应用情况。作为搜救机器人的感知系统，传感器必须具备信息采集、信息存储与分析以及信息传输等功能,同时要求其◎具有较小尺寸、足够的分辨率和响应时间，以及很好的稳定性和可靠♂性等特点。

　　对环境的探测主要目的首先是让搜救人员实时准确的了解事故后井下的综合环境〒情况，评估井下环境对幸存人员及搜救人员生命及健康的影响，考虑指派救护队员下井完成救援任务的︾可行性∴，以及为制定科学高效的救援方案提供必要的、可靠的井¤下环境参数信息。这就需要对井下的温度、气体组成情况如氧含量、有毒气体含量、可燃气体含量，以及井下的地☆形及地质结构的情况进行探测。其次，在进行环境探测的同时，当机器人深入事故『现场后，应该具有对幸存人员进行搜索定位及人员情况的初步【探测能力。最后，为保证机器人能够安全、有效的完成探测任务卐，机器人应该具有其自身情况及所处环境的感知∞能力，如机器人本体的√姿态、温度、电池电量等本体参数，以々及环境中的障碍物、火区、水区等危险环境和机器人所处的位置等信息。

　　目前对于部分↘环境探测与感知的传感器是比较成熟的，如温度感知、氧〓含量传感器、可燃气体探测器、有毒气体探测︽器等，这些传感※器体积小巧、探测精度高、集成度好，基本能够满足井下环境探测的需█求;对于井下地形与地质结构的探测主要依靠视觉系统或与视觉系统相配合使用的距离、位置等传感器如声纳探测器、激光测距仪等↘;对人员的搜索定位有生命探测仪、热成像仪等设备;机器人自身状态的感知主要依靠里程计、惯性系统以▆及姿态传感器等感知单元，完成机器人位置及姿态的感知以及为导航及运动控制提▼供必要的数据。

　　此外，井下环境特别是事故后的井下环境情况复杂，极有可能出现浓烟、灰尘等■恶劣情况，在这种环境下很多传感器特别是视觉系统会受到严〇重的影响。而远红外探测器具有很好的穿透烟雾进行探测的能力←，并且可以同时获得被测物体表面的辐射温度，因此采用远红外成像仪进行复杂环境的探测既可以作为可▲见光视觉系统的补充，又可以通过对一些特殊物体表面辐射温度的测量实现目标的识别，如人体、着火点、水域等。

　　其他的特殊情况也可能导致不同的传感←器失效①，因此采用多种传感器进行探测并对多种信息进←行融合处理是有效的解决方案。多传感器的信息融合是把不同位置的多个同类型或不同类型的传感器提供的局部环境的不完整信息加以综合，消除信息之间的冗余和矛盾，以形成对环境相对完●整和一致的描述，提高智能决策的速度和准确性。多传感器融合的常用方法╲有：加权平均法、贝叶【斯估计、卡尔】曼滤波、神经网络和模糊推理法以及带置信因子的产生式规则。

　　3.3可视化人机交互与遥操】作

　　为了使井下机器人更加灵活的工作，需要使操作№者具有一个简单方便而功能齐全的操作平台，这个平台除了用于对机器人的操作外，还能够对采集的各种信息以及机器人本体的姿态和位置信息进行直观的显示，通过各种不同的方式保证机器人的可靠运行。

　　3.4机器人防爆及控制系统抗恶劣环境技术

　　由于机器人工作在井下，而且更多地是在含有瓦斯等易燃、易爆气体的区域进行检测工作，因此防爆设计必不可少且尤为重要。控制系统不仅要进行本安设计，还要进行热设计，防水、防酸雾、防灰尘等三防设计，抗震动和抗冲击设计及抗干扰设计等抗恶劣环境设计。

　　现场的尘土ξ　、烟雾和散落的废墟都会增加救灾机器人执行任务的难度.同时,现场的高温也不利于机器人的使用,甚至可能︾出现履带或轮胎被高温熔化并发生燃烧等现象.因此,在设计过程中应注意√机器人的防尘能力和耐热性,还要考虑它的防水、防爆、防腐蚀、防电磁〗干扰、抗热辐射等功能.此外,复杂的现场环境还对机器人的『控制线提出了新的要求,锋利的金※属残片或其它残骸对控制线产生了威胁,所以在选择控制线时必须考虑它的坚固性。

　　3.5机器人井下自主导航定位及运动◇控制技术

　　救灾机器人在执行任务过程中,应当避免︾危险的环境和防止产生更多的危险,这就要求机器人必须具有导航能力;其次,为了向救々灾中心提供幸存者的位置,机器人必须能够确定自身位置,完成任务后回★到救灾中心,这要求机器人具有定位和路径规划能力.救灾机器人的导航方式可分为:基于环境信息的地图模型匹配导航、基于各种导航信号的陆标导航、视觉导航和味觉导航等。定位能确定机器人在二维工作环境中相对于全局坐标的位∏置,可分为惯性定█位、陆标定位和声音定位等.路径规划是根据机器人所感知到的工作环境信息,按照某一性能指标搜索一条从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰撞∮路径,并且实现所需清扫∮区域的合理完全路径覆盖,可分为两种类型:环境信息完全掌握的全局路径规划和环境信息完全未知或部分未知的局部路径规划.此外,GPS能对全球表面任何地点及近地空间提供实时高精度的三维位置、三维速度和时间信◤息。救灾机器人可采用卫星定位系统与电子地图结合的ㄨ方式,随时提供救灾机器人的方位,实现机器人定位的可视化.

　　位置信息是井下探测机器人必不可少的信息之一，无论是幸存人员信息，还是巷道破坏程度信息以及局部气态环▅境信息，都需要一个相对精确的具体位置信息作参考。尽管操作人员可以↓通过前方影像数据在一定程度上进行大体位置判断，但这样的定位←是无精度可谈的，况且在火灾等现场中，由于烟雾等原△因，根本无法通过视觉图像进行定位。因此，采用多种传感器进行融合，对机器人当前的位〇置进行测量和计算，是十分必要的工作。