第1章 排爆机器人发展现状及关键技术

1.1 排爆机器人研究现状

排爆机器人是指代替人到不能去或不适宜去的有爆炸危险等环境中，直接在事发现场进行侦察、排除和处理爆炸物及其他危险品，也可对持枪、持械等一些恐怖分子实施有效攻击的机器人。排爆机器人的研制始于20世纪60年代，随着国际上反恐形势日趋严峻和反恐斗争的深入，特别是“911”恐怖袭击事件以来，国内外的一些大公司、大学及科研院所，如美国的Remotec、iRobot，英国的P.W.Allen、ABP，德国的Telerob，加拿大的Pedsco，我国中科院沈阳自动化研究所、北京航空航天大学、上海交通大学、华南理工大学等，也都先后从事相关系统和技术的研究，并取得了卓有成效的进展。

1.1.1 国内外的研究现状

1.国外的研究现状

在国外，排爆机器人的研究起步较早，发展迅速，技术日益成熟，并已进入实用阶段，英、美、德、法、加拿大等西方国家已广泛在军警部门装备使用。

由英国军用车辆研究所和皇家陆军军械部队研制、英国Morfax公司生产的“手推车”（Wheelbarrow）举世闻名，已向50多个国家的军警部门销售了500多台，目前发展有多种型号，如MK7、MK8、SuperM（超级手推车）等，其中，SuperM排爆机器人是一种可在恶劣环境下工作的遥控车（图1-1），该车重204kg，长1.2m，宽0.69m，完全展开时最大高度1.32m，摄像机可在距地面65mm处工作，因此它可用来检查可疑车辆底部；它采用橡胶履带，最大速度为2km/h，有一整套的无线电控制系统及彩色电视摄像机、一支猎枪和两个爆炸物排除装置。

英国P.W.Allen公司生产的Defender是一款大型排爆机器人（图1-2），它的一些先进功能能够满足正在发展的反恐需求，例如，处理核生化装置、分布式电子结构、扩展的光谱射频遥感测量装置，可通过线缆操控，也可通过无线SSRF遥控，采用全向天线，控制半径达到2km，车体采用模块化结构，主要部件使用强度高、质量轻的钛，大范围的配置并采用标准配件，结实耐用、维修简单、通用性好、可靠性高[1]。

“搜索者”（Hunter）也是英国研制的轮履结合的排爆机器人。它有一个独特的辅助驱动系统，能迅速选用履带越过障碍物，也可用轮子在平整的道路上以较高的速度行驶。其伸缩臂的活动半径达4m，最大仰角87°，能举起100kg的重物，其手爪可旋转360°，手爪夹持力达54kg，数字式脉码调制无线电通信由微处理器控制，当出现无线电干扰时，将通信系统转换到预先编好程序的自动防止故障的状态，直到干扰停止，信号质量恢复为止。它可安装一个或两个臂，臂上装有半自动猎枪，可与激光目标指示器配合，在45m远处命中直径为2.5cm的小目标。

美国Remotec公司开发的Andros系列排爆机器人中，Andros F6A是一款功能强大的经典排爆机器人（图1-3）。自身质量159kg，最高速度达5.6km/h，无级调速，能爬45°的斜坡或台阶，最大攀高或越沟达46cm，水平伸展距离122cm，垂直伸展距离213cm，完全伸展时抓举能力达11kg，伸展46cm时抓举能力达46kg，其控制方式有无线电、有线电缆和光缆三种[1]。

德国Telerob公司2002年研制的TEODOR排爆侦察机器人（图1-4），长130cm，宽68cm，高110cm，质量360kg，速度达3km/h，最大抓举能力达100kg，夹持力为60kg。

加拿大Pedsco公司生产的RMI-9WT排爆机器人是其生产的系列化排爆机器人中最大的一种型号（图1-5），广泛应用于搜查、排爆、监控及对放射性物质的排除等危险环境。其主要特点有：6轮驱动配履带，攀爬能力强，移动灵活；4个彩色摄像机，图像最大可放大128倍，另加配高灵敏度、低照度红外摄像机；3种可选抓取器，即标准型、可旋转型、超大型；双水炮带闪烁激光瞄准器可连续打击目标，并且水炮枪控制器带自动延时功能，能有效保证操作人员安全；通过手控或智能遥控现场拍摄可疑物图像，并可选配各种延伸杆[1]；它还配有一友装有激光瞄准器的5连发霰弹枪，曾在纽约有过击毙4名歹徒的成功范例。另外，该公司生产的RMI-10是一款中型排爆机器人，为4轮驱动配履带。

法国Cybernetix公司研制的TSR200排爆机器人（图1-6）[1]，重265kg，长1.2m，高1m，橡胶履带，最大行驶速度65m/min，能爬行40°的斜坡和30°的侧坡，并可跨越1.2m的壕沟，其液压操作臂长2.4m、6个自由度，操作臂完全展开时，可举起12kg重物，在臂处于折叠位时，可举起70kg的物体。TSR200采用电缆（控制距离200m）和无线电控制（控制距离300m）。该机器人现已装备在法国的陆军、空军和警察部队中使用。

2.国内的研究现状

相对国外，我国对排爆机器人的研究起步较晚，目前，国内在该领域进行研究的主要有中国科学院沈阳自动化研究所、上海交通大学、北京航空航天大学，以及华南理工大学等。

中国科学院沈阳自动化研究所先后研制了“灵蜥-A”，“灵蜥-B”（图1-7），“灵蜥-H”等反恐防爆机器人。其中，“灵蜥-H”是其与广州卫富机器人公司研制的反恐防爆机器人，自重200kg，最大直线运动速度2.40km/h，可通过小于40°斜坡或楼梯，三段履带设计让机器人平稳地上下楼梯，可跨越400mm高的障碍；装备有爆炸物销毁器、连发霰弹枪、催泪弹等武器；6自由度机械手最大伸展时抓重5kg，最大作业高度达2.2m；还装备了自动收线装置、便捷操纵盒、高效电池等；具有有缆操作（控制距离100m）和无缆操作（控制距离300m）两种控制方式，可根据需要进行切换。2005年8月通过国家“863”验收的排爆机器人，采用6自由度可伸缩式关节手臂联动机构，开发有爆炸物转运箱，可提高爆炸物转移速度；车底爆炸物检测机器人采用两节等长履带腿复合型移动机构，有很强的地形适应能力；其控制系统采用PC/104计算机及基于其总线的四轴联动运动控制卡。

上海交通大学是我国最早从事机器人技术研发的高校之一，2002年以来开始排爆机器人的研制。

Super-DII型排爆机器人是“863”计划项目，由上海交通大学与北京中泰通公司联合研制，2004年6月在北京参加了第二届国际警用装备博览会。最近研发的Spuer-III中型排爆机器人（图1-8），整机重250kg，长1.6m，宽0.84m，高1.3m，行走速度2.4km/h；可跨越350mm高的障碍物或壕沟，爬30°～40°斜坡或楼梯，同时可将整体机身抬高350mm；手臂伸展全长1.75m，由6自由度的3臂杆结构组成，全长手臂抓取质量约15kg；大中小臂自由度运动范围为0～210°，腰转水平运动±90°，手爪开合距离240mm，腕转±360°；另外还配备了国内外最大威力爆炸物销毁器、水弹、穿孔弹等攻击弹种[2]。

北京金吾高科技有限公司研制了JW901B和JW902排爆机器人，具有多功能腕臂、大爪手（可张开50cm）、多路视频传输系统可切换画面、排爆工作存储系统、挂接摧毁器和X光机等部件（图1-9）。

2005年，北京航空航天大学机器人研究所与北京瑞琦伟业科技开发有限公司合作开发了RT3-EDO小型模块化排爆机器人和RAPTOR中型排爆机器人，在便携性、模块化和动力驱动等关键技术问题上具有鲜明特色（图1-10）。

华南理工大学排爆机器人研究室在广东省公安厅的支持下，研制了I型、II型两台排爆机器人样机MRC-5（图1-11），其控制系统具有鲜明特色，除了遥控功能以外，它能够在视觉系统的引导下计算可疑目标物的三维坐标，并控制手爪自动抓取可疑目标物[3]。

在表1-1中汇总了国内外典型排爆机器人的归属国家、型号、尺寸及技术指标。

1.1.2 排爆机器人的关键技术

1.移动机构

移动机构作为排爆机器人的移动载体，必须具有如下特点：一定的移动速度和低能耗；良好的姿态稳定性和高运动精度；能适应各种地理环境，一定的爬坡和越障能力。现有的排爆机器人移动机构主要有：轮式、履带式、轮履结合式。轮式机器人作为目前最常见的移动机构，具有结构简单、质量轻、滚动摩擦阻力小、机械效率高等特点，但由于轮子与地面的附着力不如履带式，因而越野性能不如履带式，特别是爬楼梯、爬台阶、越壕沟的能力较差；履带式机器缺点是质量大，能耗大；轮履结合式机器人融合轮式机构的高速高性能和履带式机构的地形适应能力强的优点，其缺点是结构相对复杂，控制较为困难[2]。

2.基于计算机视觉的定位和抓取控制技术

排爆机器人最终排爆功能的实现，取决于其精确的定位和抓取控制。现有排爆机器人的视觉系统大多只作为一个监视系统，其操作控制方式由操作者根据从现场CCD返回的图像，通过操作面板上的手柄或键盘来遥控机器人。这种视频监视系统通过操作者的眼睛、大脑和手形成一个大的控制闭环，整个系统的控制精度和效率不可避免地要受到操作者精神状态、熟练程度的影响。因此，在原有视觉监视系统基础上增加视觉反馈信息尤为重要，这种视觉信息的集成也将为排爆机器人的半自动化和自动化打下技术基础，并对操作对象的安全、稳定及准确操作具有重要意义[3-7]。

3.导航、定位和路径规划技术

对排爆机器人来说，使用地图匹配、陆标和味觉等导航方式存在局限性，传统的路径规划和跟踪方法也不能发挥作用，必须研究新的导航方法。如研究利用楼道墙壁边沿的路径跟踪导航；在机器人的视觉反馈图像上指定一扇门或窗户，命令机器人向门或窗户运动，即基于图像匹配的视觉跟踪导航；或在视觉图像上指定几个点，要求机器人依次走过这些路径点，即视觉伺服的路径点跟踪导航等[8]。

4.通信系统和控制方式

排爆机器人的通信系统负责完成前方与后方之间双向信息交流，包括数据通信、视频信号、音频信号的通信，其视频、音频信号由微波设备进行无线传输，控制指令由有线或无线遥控系统完成。目前，排爆机器人的控制方式主要有有线控制、无线遥控、自主式控制。有线控制可靠性高，但控制电缆很容易被现场的障碍物缠绕甚至割断；无线遥控式控制操作方便，机器人行动灵活，但控制信号易受到楼道等的屏蔽或外来信号的干扰；而自主式控制排爆机器人具有多种感知功能如视觉反馈、障碍物识别等，可进行复杂的逻辑推理、规划和决策，在作业环境中自主行动，具有很高的智能性[9]。

5.多传感器信息融合技术

排爆机器人的作业环境与作业对象是变化的甚至是预先完全未知的——通常所说的非结构化环境，能否对其所处环境进行切合实际的感知、识别和建模也是排爆机器人研制中的一个关键，采用多传感器信息融合技术来解决这个问题[10]。

排爆机器人通常集成有多种传感器，如视觉传感器、力觉传感器、超声波测距、红外线测距、激光测距等。每种传感器的灵敏度和可靠性不同，且大都只适用于特定场合，如CCD摄像机主要是感知非接触全局几何信息，它的灵敏度取决于光照情况和其他一些环境因素，力觉传感器等接触式传感器更适用于感知接触力等局部信息，其可靠程度不取决于环境条件，将多种类型的传感器信息进行融合可在不同环境下得到更高的可靠性。研究针对具体环境、具体应用的基于传感器融合技术的环境识别和建模方法，研究利用传感器融合信息的智能运动控制技术，如基于多传感器信息融合的、能够在各种形式的楼梯和光照条件下自主爬楼梯技术[11-12]。

1.1.3 排爆机器人的发展趋势

由于排爆机器人一般工作在非结构化的未知环境，因此，研究具有局部自主能力的、可以通过人机交互方式进行遥操作的半自主排爆机器人将是今后发展的重要方向。半自主排爆机器人就是具有局部自主环境建模、自主检障和避障、局部自主导航移动等能力的机器人，它能够自主地完成操作员规划好的任务，而复杂环境分析、任务规划、全局路径选择等工作则由操作员完成，通过操作员与机器人的协同来完成所指定的任务。

1.标准化、模块化

目前，各种机器人研制还处于各自为政的状态，各个研究机构所采用的部件规格不一，要促进机器人的发展，必须像20世纪70年代PC产业的发展一样，采用标准化部件。而采用模块化的结构，可以提高系统的可靠性和增强系统的可扩展性。由于各模块功能单一、复杂性低、实现容易，通过增减模块可以改变系统的功能，容易形成系列化产品。重视机器人研制的技术通用化、结构模块化，强调研发的技术继承性，降低研究风险，节约研制经费，提高机器人的作用可靠性；搞好机器人产品的系列化。

机器人作为一个机电产品，要想真正实现产业化，必须实施软硬件分离，并且将其软硬件模块化、标准化，每一块都可以作为一个产品，就像汽车的零部件。标准化包括硬件的标准化和软件的标准化，硬件的标准化包括接口的标准化和功能模块的标准化；软件的标准化首先是一个通用管理平台，其次是通信协议的标准化和各种驱动软件模块的标准化[11]。

2.控制系统智能化

排爆机器人作为一种地面移动机器人，经过多年的研究和发展，已取得了很多成果。早期研制的排爆机器人大多是遥控式，移动平台和机械手都是由操作员来进行操作和控制的，如“手推车”排爆机器人。20世纪80年代后期，由于新的控制方法、控制结构和控制思想的出现，研究人员开始研究具有一定自主能力的移动机器人，它可在操作人员的监视下自主行驶，在遇到困难时操作人员可以进行遥控干预，如以色列研制的TSR-150机器人，它能进行有限的障碍导航。到了20世纪90年代，一些移动机器人逐渐向自主型发展，即依靠自身的智能自主导航、躲避障碍物，独立完成各种排爆任务[13-14]。

全自主排爆机器人近期还难以实现，能做到的是自主加遥控的半自主方式。因为地面环境复杂，虽然GPS、电子罗盘等可给机器人定位，但在地面行驶时必须对地面环境进行建模和处理，才能决定如何行动。只有计算机视觉技术解决了复杂环境处理问题，全自主排爆机器人才有可能实现[15]。

3.通信系统网络化

通信系统是排爆机器人控制系统的关键模块之一 [15-16]。国外在移动机器人网络控制方面的研究取得了一定进展，出现了网上远程控制的实例。Patrick等的遥操作机器人项目中，用户可以通过互联网用浏览器控制一台移动机器人在迷宫中运行[17]；Luo和Chen集成本地智能化自主导航远程通信开发出的移动机器人，用户可通过互联网对其进行远程导航控制[18]。建立基于Internet的机器人遥操作，可使操作人员远离具有危险性的排爆机器人作业环境，避免造成人身伤害。

排爆机器人的研究内容广泛，包括移动机构、精确定位技术、智能控制技术、多传感器信息融合技术、导航和定位技术等方面。它既借鉴移动机器人的理论和方法，又拓宽新的研究领域，具有相当高的研究和应用前景。在当今社会，研究有自己特色的排爆机器人，无疑具有巨大的社会效益和经济效益。

目前，世界上许多国家都在开展排爆机器人的研究工作，并已取得了重要成果。但排爆机器人的研究应先易后难，边研制边推广，循序渐进，不断提高。在排爆机器人的研制中首先不应过分追求技术的先进性，而应把针对有限目标的实际应用放在首位。其次，排爆机器人系统的优势决定了机器人能广泛地应用到一切可能对人员生命、健康构成威胁的场所，如军事应用、宇宙探索、处理化学危险品泄漏等。