摘要：針對打擊恐怖活動所要求的“快速部署、迅速展開、輕巧便攜、地形和天候適應(yīng)性強、功能模塊擴展方便、搭載能力強”等技術(shù)特征，本文提出采用開放式架構(gòu)的模塊化機器人設(shè)計理念，以最終的實用化、商品化和產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)，對排爆機器人的關(guān)鍵技術(shù)做了詳細(xì)研究，并基于這些關(guān)鍵技術(shù)研制出系列化的排爆機器人。

關(guān)鍵詞：反恐排爆機器人 開放式架構(gòu)  模塊化

當(dāng)今恐怖分子為了實現(xiàn)自己的政治目的，多將爆炸恐怖襲擊對象選定為防范能力較弱而人口又較密集的商業(yè)及平民，其性質(zhì)往往極其殘忍，社會影響極大。在這種國際形勢下，反恐已成為國際共識，各國紛紛加大了對反恐的投入。研制出能實用化反恐排爆機器人極為迫切，世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家都十分重視對反恐排爆機器人的研究。

排爆機器人（Explosive Disposal Robot）主要用于代替人到不能去或不適宜去的有爆炸危險等環(huán)境中，在事發(fā)現(xiàn)場進(jìn)行偵察、排除和處理爆炸物等危險品^[1]。有時也對一些恐怖分子及犯罪分子實施有效的攻擊，是反恐專業(yè)隊伍中必不可少的重要裝備^[2]。它應(yīng)具備對突發(fā)事件快速反應(yīng)、機動靈活、部署迅速、全天候、全地形運行的能力，能夠通過遠(yuǎn)程控制與先進(jìn)的識別技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)爆炸物并排除危險，降低士兵人身的危險程度。

1 排爆機器人的幾項關(guān)鍵技術(shù)

國內(nèi)外已經(jīng)有多款排爆機器人產(chǎn)品，并且已經(jīng)實戰(zhàn)應(yīng)用。無論是國外還是國內(nèi)，在排爆機器人技術(shù)設(shè)計上，均融合了行走技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理與控制技術(shù)、通信技術(shù)、執(zhí)行與搭載技術(shù)。

（1）行走技術(shù)

反恐排爆機器人的行走機構(gòu)主要有輪式、履帶式或二者相結(jié)合的輪履式等。輪式行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，滾動摩擦阻力小，機械效率高，適合在較平坦的地面上行走，但由于輪子與地面的附著力不如履帶式機器人，因而越野性能也不如履帶式，特別是爬樓梯、過臺階時就比較困難。英國ABP 公司生產(chǎn)的“山貓”、“土撥鼠”及“野?！钡榷际遣捎眠@種行走機構(gòu)。履帶式行走機構(gòu)的優(yōu)點是越野能力強可以爬樓梯、越過壕溝等各種障礙物。德國TELEROB 公司生產(chǎn)的TEODOR 排爆機器人和可穿越狹窄地域的TELEMAX 小型排爆機器人，我國自主研發(fā)的uBot-EOD等排爆機器人都是采用這種行走機構(gòu)。輪履式行走機構(gòu)可同時裝有輪胎和履帶，當(dāng)機器人在較平坦的環(huán)境移動時，使用輪式，以獲得較快的移動速度，當(dāng)機器人需要爬樓梯等障礙物時，使用履帶式，以提高其越障能力。美國Wolstenholme機器公司生產(chǎn)的MR5排爆機器人就是采用這種行走機構(gòu)^[4]。

為了加快開發(fā)多種不同功能的機器人，有些公司將行走機構(gòu)模塊化，可以快速替換和安裝，如Packbot機器人以及uBot-EOD機器人。

（2）傳感技術(shù)

傳感技術(shù)主要是對機器人自身方位信息以及外部環(huán)境信息的檢測和處理。反恐排爆機器人為了應(yīng)付各種危險情況往往會配備攝相機、晝夜瞄準(zhǔn)具、微光夜視瞄具、雙耳音頻探測器、化學(xué)探測器、微型定位系統(tǒng)、視紅外傳感器、超聲傳感器等。

（3）信息處理與控制

信息處理與控制是以計算機為中心，主要用于提取、識別和分析判斷獲得的關(guān)鍵信息，建立機器人任務(wù)模型，供控制和決策人員選擇?，F(xiàn)有的排爆機器人大多是半自主移動與遙控方式相結(jié)合，機器人在人的監(jiān)視下自主行駛，在遇到困難或者需要執(zhí)行特定任務(wù)時操作人員進(jìn)行遙控操作。如以色列TAAS 有限公司研制的TSR-150 反恐機器人，我國的uBot-EOD系列機器人就能進(jìn)行有限的避障和自主導(dǎo)航。到了90 年代，一些移動機器人逐漸向自主型發(fā)展，即可依靠自身的智能自主導(dǎo)航，躲避障礙物，獨立完成各種排爆任務(wù)^[5]。 機器人研究者需要融合多種傳感器信息，并設(shè)計一些導(dǎo)航算法，以實現(xiàn)機器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的全自主行走。

（4）通信技術(shù)

通信系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成機器人與控制平臺之間的信息傳遞，使得操作人員能夠獲得更多的關(guān)于現(xiàn)場和機器人自身狀態(tài)、動作的信息，從而有效地監(jiān)控機器人，實施遙操作。通信方式由有線發(fā)展到無線，由無線電、雷達(dá)發(fā)展到光纜，傳輸距離也越來越長。當(dāng)前采用最多的是無線加有線的雙重通信方式，通過無線局域網(wǎng)來遙控機器人，在危機情況下借助有線控制方式，以免受到無線干擾而造成任務(wù)失敗。

（5）執(zhí)行與搭載技術(shù)

反恐機器人一般具有排除爆炸物、解救人質(zhì)、消防、搬運、摧毀、射擊等功能，因此要求機器人能裝載多種武器裝備，以便根據(jù)不同的任務(wù)需要進(jìn)行選擇。多自由度機械手是最常用的搭載執(zhí)行機構(gòu)，用它的手爪或夾鉗可將爆炸物的引信或雷管擰下來，并把爆炸物運走。獵槍或霰彈槍，高壓水槍，特殊的冷凍裝置，催淚彈、煙幕彈及發(fā)射器械、沖鋒槍、步槍等單兵反恐防爆武器也可以根據(jù)需要進(jìn)行搭載。

2開放式架構(gòu)和模塊化技術(shù)

作為反恐用的排爆機器人都要求高可靠性、高穩(wěn)定性、易維護性、易配置性，近年來隨著模塊化開放式技術(shù)的發(fā)展，突破了傳統(tǒng)封閉架構(gòu)體系的缺點，更加強調(diào)結(jié)構(gòu)化、易開發(fā)性、易配置性、易擴展性、易交互性、易移植性、易裁剪性和易復(fù)用性。如何在反恐排爆機器人中引入開放式架構(gòu)的模塊化技術(shù)，開始越來越引起國內(nèi)外研究人員的高度關(guān)注。

開放式架構(gòu)機器人的概念主要是針對封閉式架構(gòu)機器人所存在的缺點而提出。從機器人設(shè)計的角度分析，機器人的設(shè)計過程首先要根據(jù)確定的功能需求與作業(yè)環(huán)境設(shè)計機器人的硬件主體，然后根據(jù)硬件配置相應(yīng)的控制軟件。在這種設(shè)計架構(gòu)理念下，所有的硬件控制都交給主控軟件完成，硬件和軟件必須要通盤考慮，完成不同功能的部件之間在軟件上是一種緊密耦合的關(guān)系，在一臺機器人上使用的編程代碼，幾乎不可能在另一臺新開發(fā)的機器人上發(fā)揮作用，如果想開發(fā)新的機器人，就必須從頭開始，移植性和重用性較差，這樣所形成的機器人是一種封閉式架構(gòu)的機器人。這種封閉式機器人由于采用的是專用計算機、專用機器人語言、專用微處理器，結(jié)構(gòu)封閉式，機器人的應(yīng)用上受到了很多限制，無論是硬件還是軟件，兼容性較差，功能和配置上難以擴充和更改。

所謂開放式架構(gòu)的機器人，所包含的概念有軟件與硬件開放兩個層面。其主要的技術(shù)關(guān)鍵為模塊化，即通過模塊化技術(shù)的引入，使不同組件通過統(tǒng)一的硬件和軟件接口，解除機器人各個部件之間的緊密耦合性，可以輕而易舉地重復(fù)使用硬件和軟件的模塊。這種模塊化的特征可以保證機器人不再受制于固化的特定本體參數(shù)，從而可以根據(jù)不同情況適當(dāng)?shù)卣{(diào)整某個或某些參數(shù)，以避免或減少這種性能的降低。模塊化的特征是實現(xiàn)開放式架構(gòu)的基礎(chǔ)，可以保證機器人的性能，便于系統(tǒng)維護與功能模塊更換和擴展，并可以提高機器人對復(fù)雜工作情況的適應(yīng)能力^[6]。

在結(jié)構(gòu)層面上，目前在機器人模塊化方面，國外對可重構(gòu)機器人系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，目前已經(jīng)開發(fā)的模塊化機器人系統(tǒng)或可重構(gòu)機器人系統(tǒng)主要有兩類^[7-15]；一類是動態(tài)可重構(gòu)機器人系統(tǒng)，另一類是靜態(tài)可重構(gòu)機器人系統(tǒng)。在研究內(nèi)容的層面上，在開發(fā)具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機器人控制系統(tǒng)方面，國外的研究主要集中在功能的劃分、功能之間的信息交換規(guī)范以及功能實現(xiàn)的方法上^[16-20]。

經(jīng)過幾年來國內(nèi)機器人行業(yè)研究人員的共同努力，我國機器人的研究水平將從低端產(chǎn)品階段，開始進(jìn)入高端技術(shù)領(lǐng)域的研究。我國的反恐排爆機器人已經(jīng)走出實驗室的研究階段，逐漸走向了產(chǎn)業(yè)化和實用化。我國的學(xué)者也已經(jīng)在此方面進(jìn)行了許多研究^[21]。

3基于開放式架構(gòu)的模塊化排爆機器人的關(guān)鍵技術(shù)研究

針對打擊恐怖活動所要求的“快速部署、迅速展開、輕巧便攜、地形和天候適應(yīng)性強、功能模塊擴展方便、搭載能力強”等技術(shù)特征，基于開放式架構(gòu)，基于模塊化與即插即用技術(shù)的研究成果，我們建立了反恐排爆機器人的四大單元子系統(tǒng)，即適應(yīng)全天候、全地形的機器人移動平臺、多自由度手臂、多自由度監(jiān)控云臺及遠(yuǎn)程操控終端，系統(tǒng)框圖如圖1^[22]。

圖1  反恐排爆機器人系統(tǒng)框圖

其關(guān)鍵技術(shù)在于：

（1）通過智能機器人功能的分布式研究，通過運動單元、驅(qū)動單元、控制單元、信息感知單元的模塊化，構(gòu)建允許第三方參與的開放式機器人架構(gòu)。

（2）實現(xiàn)以即插即用技術(shù)為基礎(chǔ)的硬件技術(shù)、接口技術(shù)、通訊技術(shù)以及軟件技術(shù)，方便后續(xù)擴展的功能模塊與搭載設(shè)備的即插即用，方便用戶根據(jù)自身需求增減功能模塊。

（3）通過分析多傳感器獲取的冗余檢測信息，通過多傳感器信息融合技術(shù)的研究，提高系統(tǒng)在復(fù)雜、動態(tài)、不確定或未知環(huán)境下決策信息的準(zhǔn)確性，從而提高整機系統(tǒng)的安全性與可靠性。

（4）通過多模態(tài)智能人機交互技術(shù)的研究，利用圖像處理、計算機視覺、語音交互、姿態(tài)與位置識別技術(shù)進(jìn)行人機控制界面設(shè)計，提高系統(tǒng)交互功能，實現(xiàn)對反恐排爆機器人的智能化控制。

4 智能排爆機器人性能分析

基于以上關(guān)鍵技術(shù)的研究，我們研制出基于智能傳感器、多模態(tài)智能人機交互、多傳感器信息融合技術(shù)的模塊化反恐排爆機器人。
uBot-EOD系列產(chǎn)品架構(gòu)全開放、模塊互通互連設(shè)計、全天候與全地形運行，有小型、中型和大型排爆機器人（以機器人手臂抓取的負(fù)載力來區(qū)分）三個不同性能的產(chǎn)品，如圖2所示。

(a) 智能小型排爆機器人uBot-EOD A10：3-8kg

(b)  智能中型排爆機器人uBot-EOD A20：6-15kg

(c)  智能大型排爆機器人uBot-EOD A50：15-30kg

圖2 uBot-EOD系列排爆機器人

排爆機器人的機器人移動本體可以采用輪式、履帶式和輪履復(fù)合式行走機構(gòu)，其中小型排爆和中型排爆采用了履帶式機構(gòu)，以適應(yīng)35°以上的樓梯；大型排爆采用了輪履復(fù)合式機構(gòu)，既能攀爬樓梯，又能保證在平地上1.0m/s以上的高速行駛。機械手臂為6個以上自由度，末端執(zhí)行機構(gòu)可以更換不同類型的手爪，方便執(zhí)行不同的任務(wù)。監(jiān)控云臺是2個或3個自由度，主要用于環(huán)境檢測。遠(yuǎn)程操控平臺有便攜手持式OCU及箱式OCU兩種，如圖3所示，方便不同場合下的使用。

(a) 便攜手持式OCU

8英寸液晶屏，1kg重

(b) 箱式OCU

12英寸液晶屏，10kg重

圖3遠(yuǎn)程操控平臺

獨立的功能模塊之間采用標(biāo)準(zhǔn)的接口相互連接，標(biāo)準(zhǔn)接口包含了機械連接和電氣連接。接口包含了電源和通信總線，采用標(biāo)準(zhǔn)接口連接的模塊之間共用電源并通過標(biāo)準(zhǔn)總線通信，不需要任何外部連線，如圖4所示。這樣的設(shè)計實現(xiàn)了機械和電氣的模塊化，方便裝卸多種模塊，比如移動平臺上可以選擇裝多種手臂、水炮槍、武器系統(tǒng)等。

圖4 模塊化系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn)總線連接。

此外，在排爆機器人上安裝多種內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器用于監(jiān)測機器人系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)，包含電壓、電流、位移、溫度、加速度、航向、俯仰角、翻滾角等信息的測量。外部傳感器用于感知外部環(huán)境信息，主要包含紅外、超聲、激光、攝像頭、GPS等。這些傳感器用于機器人的自我安全保護、避障、自主定位和導(dǎo)航、監(jiān)控巡航等功能。

綜上所述，為了進(jìn)一步實現(xiàn)排爆機器人產(chǎn)品在實際應(yīng)用中的高效性能，我們提出采用開放式架構(gòu)的模塊化機器人設(shè)計理念，并以最終的實用化、商品化和產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)，研制出基于開放式架構(gòu)的模塊化反恐排爆機器人?；陂_放式架構(gòu)的模塊化反恐排爆機器人在設(shè)計理念上實現(xiàn)了機械、電子和軟件的模塊化及標(biāo)準(zhǔn)化，極大的降低了開發(fā)成本、縮短了開發(fā)周期、方便產(chǎn)品的更新?lián)Q代，易于實現(xiàn)客戶的定制化，使用時易于快速更換配件快速部署。機器人設(shè)計技術(shù)的突破將推動國內(nèi)高新技術(shù)的發(fā)展，提升我國在高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面的競爭力，并推動我國軍用、警用與反恐用機器人事業(yè)的發(fā)展。