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、地形和天候適應性強,、功能模塊擴展方便、搭載能力強”等技術特征,，本文提出采用開放式架構的模塊化機器人設計理念,，以最終的實用化、商品化和產(chǎn)業(yè)化為目標,，對排爆機器人的關鍵技術做了詳細研究,，并基于這些關鍵技術研制出系列化的排爆機器人。

關鍵詞：反恐排爆機器人 開放式架構  模塊化

當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],。它應具備對突發(fā)事件快速反應、機動靈活,、部署迅速,、全天候、全地形運行的能力,，能夠通過遠程控制與先進的識別技術,，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鍵技術

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)應用,。無論是國外還是國內(nèi)，在排爆機器人技術設計上,，均融合了行走技術、傳感器技術,、信息處理與控制技術,、通信技術、執(zhí)行與搭載技術,。

（1）行走技術

反恐排爆機器人的行走機構主要有輪式,、履帶式或二者相結合的輪履式等。輪式行走機構結構簡單,，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。履帶式行走機構的優(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,。輪履式行走機構可同時裝有輪胎和履帶,，當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^[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

傳感技術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付各種危險情況往往會配備攝相機,、晝夜瞄準具、微光夜視瞄具,、雙耳音頻探測器,、化學探測器、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鍵信息，建立機器人任務模型,，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)行特定任務時操作人員進行遙控操作,。如以色列TAAS 有限公司研制的TSR-150 反恐機器人，我國的uBot-EOD系列機器人就能進行有限的避障和自主導航,。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航,，躲避障礙物,，獨立完成各種排爆任務^[5]。 機器人研究者需要融合多種傳感器信息,，并設計一些導航算法,，以實現(xiàn)機器人在非結構化環(huán)境中的全自主行走。

（4）通信技術

通信系統(tǒng)的主要任務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,、雷達發(fā)展到光纜,，傳輸距離也越來越長。當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失敗。

（5）執(zhí)行與搭載技術

反恐機器人一般具有排除爆炸物,、解救人質,、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)不同的任務需要進行選擇,。多自由度機械手是最常用的搭載執(zhí)行機構，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)需要進行搭載,。

2開放式架構和模塊化技術

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的發(fā)展,，突破了傳統(tǒng)封閉架構體系的缺點，更加強調結構化,、易開發(fā)性、易配置性,、易擴展性、易交互性,、易移植性,、易裁剪性和易復用性,。如何在反恐排爆機器人中引入開放式架構的模塊化技術,，開始越來越引起國內(nèi)外研究人員的高度關注,。

開放式架構機器人的概念主要是針對封閉式架構機器人所存在的缺點而提出。從機器人設計的角度分析,，機器人的設計過程首先要根據(jù)確定的功能需求與作業(yè)環(huán)境設計機器人的硬件主體,，然后根據(jù)硬件配置相應的控制軟件。在這種設計架構理念下,，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,，結構封閉式，機器人的應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,。其主要的技術關鍵為模塊化，即通過模塊化技術的引入,，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?shù)卣{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)開放式架構的基礎,，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雜工作情況的適應能力^[6],。

在結構層面上，目前在機器人模塊化方面,，國外對可重構機器人系統(tǒng)已經(jīng)進行了大量的研究,，目前已經(jīng)開發(fā)的模塊化機器人系統(tǒng)或可重構機器人系統(tǒng)主要有兩類^[7-15],；一類是動態(tài)可重構機器人系統(tǒng),，另一類是靜態(tài)可重構機器人系統(tǒng),。在研究內(nèi)容的層面上,，在開發(fā)具有開放式結構的模塊化,、標準化機器人控制系統(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,，開始進入高端技術領域的研究,。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,。我國的學者也已經(jīng)在此方面進行了許多研究^[21]。

3基于開放式架構的模塊化排爆機器人的關鍵技術研究

針對打擊恐怖活動所要求的“快速部署,、迅速展開、輕巧便攜,、地形和天候適應性強,、功能模塊擴展方便,、搭載能力強”等技術特征，基于開放式架構，基于模塊化與即插即用技術的研究成果,，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

其關鍵技術在于：

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

（2）實現(xiàn)以即插即用技術為基礎的硬件技術、接口技術,、通訊技術以及軟件技術，方便后續(xù)擴展的功能模塊與搭載設備的即插即用,，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的研究,，提高系統(tǒng)在復雜、動態(tài)、不確定或未知環(huán)境下決策信息的準確性,，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)與位置識別技術進行人機控制界面設計，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

基于以上關鍵技術的研究,，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的模塊化反恐排爆機器人。
uBot-EOD系列產(chǎn)品架構全開放,、模塊互通互連設計,、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,、履帶式和輪履復合式行走機構，其中小型排爆和中型排爆采用了履帶式機構,，以適應35°以上的樓梯,；大型排爆采用了輪履復合式機構,，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)行機構可以更換不同類型的手爪,，方便執(zhí)行不同的任務。監(jiān)控云臺是2個或3個自由度,，主要用于環(huán)境檢測,。遠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遠程操控平臺

獨立的功能模塊之間采用標準的接口相互連接,，標準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,，采用標準接口連接的模塊之間共用電源并通過標準總線通信，不需要任何外部連線,，如圖4所示,。這樣的設計實現(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),，標準接口標準總線連接。

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、自主定位和導航,、監(jiān)控巡航等功能,。

綜上所述，為了進一步實現(xiàn)排爆機器人產(chǎn)品在實際應用中的高效性能,，我們提出采用開放式架構的模塊化機器人設計理念,，并以最終的實用化、商品化和產(chǎn)業(yè)化為目標,，研制出基于開放式架構的模塊化反恐排爆機器人,。基于開放式架構的模塊化反恐排爆機器人在設計理念上實現(xiàn)了機械,、電子和軟件的模塊化及標準化,，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,。機器人設計技術的突破將推動國內(nèi)高新技術的發(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,。