地震、山體滑坡，中國救災機器人如何拯救生命

作者| 汪澤，清華大學機械工程系博士研究生

近年來，中國地震災害頻發。地震後廢墟結構極不穩定，餘震不斷，同時伴隨著建築坍塌等危險，每次地震特別是強震之後，救援工作總是最為關鍵也最為艱巨。

而在狹小的廢墟空間中，救援隊員進去有危險，挖掘機之類的大型機械難有用武之地，另外若是受災地區存在涉核、涉化設施，救援的危險性更是不言而喻，這時就需要一些特種救援機器人來進行輔助救援。

（一）機器人參與救援能做什麼？

過去很長的一段時間內，地震發生後的很多危險的工作主要靠救援人員進行，這導致了許多無謂的犧牲，而救災機器人為災難救援帶來了一支有力的援助力量，從多方面輔助救援。

遙感測繪、險情偵查

地震後，了解受災地區的地形、偵查災害發生現場的狀況是最迫切、最實用的情報支持，利用精於測繪的機器人深入危險災區可以快速繪製出精確的地形圖，執行伴有危險、危害同時又枯燥的偵查任務，幫助救援人員迅速了解受災情況。

路線規劃、通訊中繼

在這種特大自然災害發生後，環境及建築遭到破壞，要實現高效有針對性的救援，在最快時間內救出最多的人員，規劃救援路線就成了一個非常迫切的需求。利用機器人引導、挑選最通暢的路線實施救援，無疑可以為救援工作提供巨大的幫助。

而地震災害往往會造成基礎通訊的中斷，傳統的諸如衛星電話等或設備較笨重，或數據量有限，很難滿足災區通訊的需要，如果能夠利用機器人做通訊中繼，在一定範圍內成本和靈活性上都會比傳統方式好很多。

運輸投擲、搜救逃生

在救援人員救援前或救援行動中，機器人可以進行一些食物、飲用水、醫療用品的運輸，在危險環境中，機器人還可以運載救生物資進入，甚至在機器人的載荷足夠大的時候，可以直接從救援人員無法進入的廢墟中運送災民。

通過上面的介紹可以看出，機器人的參與對於地震救援能夠起到事半功倍的作用。正是認識到這一點，中國近年來非常重視救災機器人的研製，並且目前已經研製出幾款曾在地震救災工作中大顯身手的國產機器人。

（二）旋翼飛行器：可拍攝並實時傳回災區圖像

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（中國研發的自主型旋翼無人機）

旋翼飛行器，也就是我們常說的無人機，在地震救援工作中扮演著「千里眼」的角色，這種飛行器可以充分發揮小巧、輕便、低空飛行等優勢，克服地形、氣候、氣流等大型飛機較難應付的困難，及時獲取災區路況、災後被毀建築物分布情況，通過懸停方式對震後危樓進行生命跡象搜索，利用機載攝像裝置拍攝並實時傳回高解析度影像和圖片，為救援隊進行有針對性的調度和部署提供決策信息。

在2013年4月的四川雅安地震中，中國自主研製的自主型旋翼無人機系統首次得到應用。該無人機最大任務載荷40千克，最大巡航距離120千米，可在3000米高空飛行，最大巡航時間1.5小時，抗風能力不小於6級。

（2013年雅安地震中參與救援的飛行器）

這款機器人的優勢有兩點：

1、垂直自主起落，較長時間定點懸停

飛行自動導航、控制系統是飛機全系統中的核心技術，它的好壞將決定整個飛機在空中飛行的穩定性、機動性和操控性，具有技術門檻高、難度大、周期長的特點，全球只有極少數的幾個國家擁有這項技術。

中國自主研製的自主型旋翼無人機在研製過程中，通過飛行機器人動力學在線建模、魯棒控制器建立、飛行試驗驗證等方法研究了大範圍複雜環境下的自主飛行控制技術，為了完成飛行任務，研究團隊研製了具有人性化介面的地面站系統，該系統集成了多項設備及子系統，可實現飛行狀態的實時監控。地面站系統採用攜帶型移動箱設計，方便整個系統移動，並可以實現全天候應用，最終使得這款無人機能夠實現垂直自主起飛降落，並且可較長時間定點懸停。

2、超低空飛行，對塌方區進行自動識別

團隊通過地表物體運動特徵分析、坍塌建築物特徵的實時抽取與外形特徵的在線建模、坍塌建築物的整合聚類處理、應用時空追蹤演算法的建築物驗證整理等方法研究了地震災害信息自動識別與處理技術，使得這款自主型旋翼無人機能夠進行超低空飛行，獲取震後災區大範圍詳細影像資料，並能夠對坍塌區域進行自動識別。

（三）可變形廢墟搜救機器人：能夠探測被困者心跳

除了要獲得震區空中信息，地面上的廢墟也是搜救工作的重點。為了適應坍塌廢墟的崎嶇環境，中國還研製了一款可變形廢墟搜救機器人。

（可變形廢墟搜救機器人）

這種履帶型的「小車」是面向地震災後倖存者搜索與輔助救援應用的特種機器人，它可以攜帶任務載荷（如各種感測器、救災工具等），由狹窄入口進入廢墟並在倒塌建築物內部運動與探測，解決了救災人員無法有效進入廢墟進行搜救的問題。

擁有獨立驅動履帶，可變換3種工作形態

這款機器人繼承了履帶式結構便於行動、地形環境適應能力強的特點，但和一般的履帶車（如挖掘機、推土機）相比，它在結構設計上最大的優勢在於該機器人擁有3條獨立驅動的履帶，根據應用環境和任務的不同，三條履帶的位置關係會發生變化，使得機器人可變換成直線型，三角型，並排型3種不同的構型。

不同的構型具有不同的應用環境及運動特性，如直線構型具有鏈式結構特點，適合穿越縫隙，洞穴等狹小空間及跨越溝壑；三角構型結構對稱，穩定性好，適合跨越障礙，爬越陡坡；並排構型結構緊湊，抗傾翻能力強，適合於沼澤、沙漠等鬆軟地面運動等應用場合。

（處於不同構型的機器人）

3種不同的構型使得這款可變形機器人相比一般的履帶車具有更強的地形適應能力，便於在災後廢墟的複雜地形地勢下進行工作。

配備紅外夜視攝像頭、拾音器，可進行廢墟內影像採集與識別

該機器人自重18千克，最大負重5千克，為了便於進行廢墟內部探索，該機器人集成了紅外夜視攝像頭、拾音器等實用搜索任務載荷，可實現廢墟內部的圖像、聲音信息的採集與識別。

此外，它還可以攜帶小型機械臂，氧氣管，流體食物管來進行輔助救援。

（四）蛇形機器人：複雜環境搜救、為被困人員運送食物

上面提到的可變形機器人，雖然可以通過變形的方式提高對於地形環境的適應能力，但對於一些極端狹小的空間，仍然無能為力。這種情況下就需要蛇形機器人出馬。

（蛇形機器人）

16個關節，3種步法，可實現三維空間運動及圖像採集傳輸

中國自主研發的蛇形機器人具有16個關節，長144厘米，最大運動速度0.4米/秒，具有三維空間運動能力及GPS定位和無線通訊功能，可以實現現場圖像採集及無線傳輸。

通過16個關節，這種蛇形機器人可以實現三維空間的運動，而且它可以自動識別地面環境特徵，並據此自動採用不同步法（類似蛇的蜿蜒、側動、伸縮）在硬地面、沙地、軟土中行進。

（蛇形機器人3種運動步法）

蜿蜒：爬行時，「蛇體」在地面上作水平波狀彎曲，使彎曲處的後邊施力於粗糙的地面上，由地面的反作用力推動蛇體前進。這種運動步法中，由於蛇形機器人和地面的接觸點不是固定的某個區域，可以適應複雜的地形環境，不會出現無法前進的情況。

側動：蛇形機器人的每個關節能夠模擬蛇身上的特殊骨骼和鱗片，完成一種類似轉動的運動，使身體可以側向移動。在這種運動方式下，機器人也可以完成一系列翻滾動作，位於「蛇頭」處的關節通過這種轉動也可以有效調節攝像頭等設備的方位和姿態。

伸縮：蛇形機器人身前部抬起儘力前伸，接觸到支持的物體時，其身後部即跟著縮向前去，然後再抬起身體前部向前伸得到支持物，後部再縮向前去，這樣交替伸縮，就能不斷地向前爬行，以這種方式可以有效克服障礙物的影響，而且可以短時間內提升運動速度。

而正是為了實現這三種不同的步法，才需要那麼多關節協同作用。

蛇形機器人的主要作用是在極端狹小的空間內，實現災情的探測以及為廢墟中的被困人員運送食物。

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