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警用与反恐机器人的现状与发展趋势


警用和反恐机器人是特种机器人的重要应用方向,无论是侦查突击,还是防爆拆解,都离不开它们的身影。我国警用机器人经过近30年的研究取得了丰硕的成果,发挥了重要的作用。随着近年来信息技术,控制技术的不断革新,世界警用机器人也得到了快速的发展。

1、国内外的研究现状

60年代初,发达国家就开展了警用机器人的研究,研制出多种型号机器人。“9·11”事件以后,各国加强了反恐和排爆机器人的研究,其中,美国、英国、法国、德国、以色列、加拿大、日本等国家处于领先地位,像跳跃机器人、排爆机器人都是非常有特色的。

我国在研制警用机器人方面起步较晚,在国家“863”等研究项目的支持下,有了长足的发展,某些技术已经达到国际先进水平。目前国内恐怖形势严峻,涉爆案件增多,严重影响着国家经济建设、安全稳定和人民生命财产的安全。因此,对警用机器人的需求量不断增大。

2、特点和存在的问题

目前,国内警用机器人除低空小型飞行和水下机器人外,按照移动载体主要分为履带式、轮式和轮履复合式三种。

按照功能主要分为侦察、排除爆炸物及危险品、消防、攻击机器人和多功能机器人等。

侦察机器人主要用于侦察、巡逻、预警等;排爆机器人主要是代替人进入危险环境,完成排除爆炸物、危险品处理销毁等任务;攻击机器人实际上是一种小型地面移动作战平台。

2.1 侦察机器人特点和存在问题

侦查机器人应具有体积小、重量轻、快速敏捷、可靠性强、操作灵活和图像清晰等特点,是警用机器人的研究重点。目前在结构设计、材料应用等方面还存在一定缺陷,影响了可靠性和环境适应性,工艺水平和量产数量是制约其发展的因素。

2.1.1 地面移动探测机器人

北京航空航天大学研制的便携式地面侦察机器人,具有一定的灵活性和抗震、防水能力,在复杂地形有较好的通过能力,具有自主/半自主式工作方式,摄像机可拍摄360°全景图像。

2.1.2 爬壁机器人

哈尔滨工业大学研制的爬壁机器人,主要用于楼宇的侦察。通过负压吸附原理进行攀爬到达指定窗口,利用搭载的摄像传输设备,将室内情况传输给作战人员。特点是噪音小,连续工作时间长。

2.1.3 抛投式侦察机器人

最早抛投的像一个球一样,把它抛投出去可以自动扶正,然后进行侦查,后来北京理工大学和其他一些单位做成两个轮行走的抛投式机器人,目前应用的比较稍多一些。

2.1.4 车底检查机器人

该机器人安有四个轮,配有广角镜头,可巡查车底下有没有异常物,比如爆炸物等,其应用也比较多。

2.2 排爆机器人特点和存在问题

排爆机器人根据抓举的重量可分大、中、小三种类型。主要特点是利用多自由度机械臂抓取各种危险品并进行处置、销毁。另可配爆炸物销毁器等。目前视觉系统效果差,影响了其灵活性、准确性和抓举速度。

2.2.1“灵蜥”系列反恐排爆机器人

该系列反恐排爆机器人是由中国科学院沈阳自动化研究所与广州卫富机器人有限公司共同研制开发的。主要包括“灵蜥-a”、“灵蜥-b”、“灵蜥-h”、“灵蜥-hw”等。 目前装配量很大。

灵晰系列机器人,采用轮-腿-履带复合型移动机构和四自由度机械手(可抓取、剪断和铲取)进行工作。在关节履带移动机构、控制系统等方面具有与国外产品不同的特点,可翻越0.45m高的障碍,能通过小于43°的斜坡和楼梯,最大直线运动速度为40m/min。

2.2.2jw-903排爆机器人

该机器人由北京京金吾高科技有限公司研究制造。机械臂共分三级,伸展高度3m,另外,机械臂最低可水平伸入车辆底部抓取物品。

2.2.3 leobot-eod小型排爆机器人

leobot-eod小型排爆机器人由上海中为智能有限公司研制,重量不大于35kg,可单人携行和操作。其速度0-2m/s,自由度12个,其中机械臂自由度6个,确保抓取任何方位的爆炸物;可在各种不同环境中工作,能上下30°的斜坡和楼梯,持续工作2小时;机械手臂可抓取不小于3kg的爆炸物。

2.3 攻击机器人特点和存在问题

攻击机器人常以轮、履、腿足或其他组合形式实现地面移动,通过遥控或半自主方式进行观瞄和射击。实现其稳定性、可靠性、准确性、环境适应性是攻击机器人不断研究和探索的重点。

履带式轻型攻击机器人由机械运载、导航定位、控制、无线通讯、传感与侦察、武器及伺服控制、电源供电、遥操作控制终端等分系统组成。可搭载各种轻武器,伺服电机控制武器的水平、俯仰转动,摄像机与武器同轴安装,通过带十字分划的复合视频瞄准目标。

2.4其他机器人

主要包括飞行侦察机器人、水下机器人、排险机器人、消防机器人等用于特定条件下的机器人。飞行侦察机器人和水下机器人由沈阳自动化所研制,河北工业大学研究的化学堵漏、救援机器人、核电站检修机器人;上海消防所研究的消防机器人;山东大学研制的井下机器人等。

3、要把握的几个问题

3.1 建好平台

研究各种警用机器人,首先要解决好行走问题,使之能适应各种复杂环境。我们曾利用模拟的沙地、水地、坡度、台阶、拐弯、楼道、机舱等一整套场景,对各类警用机器人进行测试,汇总得出一个通过性能评估指标,这一评估办法可望发展成为一个量化标准。

3.2 实现智能

机器人应该具备立体视觉;自动寻的与判读地形、识别和分析目标;能半自主抓取物品,支臂能完成空间的直线拟合运动;有多种侦察手段和通信设备;可高速行驶(行走)、越障能力强;可更换工具、支臂灵巧、爪手可感知夹力;有自检与故障报警功能;动力持久、连续工作时间长。

3.3 不断完善

排爆机器人没有广泛应用之前,排除爆炸物大都是靠人去完成,人处在极其危险的环境中,有不少公安人员因此受伤甚至献出宝贵的生命。只有通过实际应用,机器人才能不断完善和发展。

3.4 拓展应用

机器人除了侦察、排爆以外还有其它急需的领域,如用于水下作业的水下机器人,用于空中作业的空中机器人,用于地面作业的救援机器人等,这些机器人从国外引进,一是价格昂贵、二是不便于维修,目前我国已逐步开展了相关研究。

3.5 注重产权

我国警用机器人在性能、功能、可靠性等方面有一定差距,不能完全满足任务需要,但是也有一些别人没有做到的,我们做到的,所以保护好我们的产权。

4、未来发展方向

4.1研究现状

目前机器人的重点研究方向包括:

1)排爆机器人机械臂需增加自由度,以适应藏匿于狭窄空间的爆炸物的排除;

2)提高在室内机器人自身准确位置及与爆炸物之间的准确距离;

3)提高侦查机器人图像传输系统的清晰度、传输距离和抗干扰能力;

4)提高机器人的智能化和可靠性。

4.2 未来发展趋势

1)虚拟现实与网络技术。

遥现技术是人的感觉器官在远端的延伸。人的感觉能通过虚拟现实的i/o设备得到增强,操作员在远距离操纵真实的设备时能产生一种“临场感”。另一方面,人们利用网络技术可以对机器人进行远距离操控。

2)结构、功能模块化技术。

机器人的重组技术,是指一个机械系统由一种或几种结构、功能不同的模块构成,不同数量模块的不同组合可以改变结构的形状、大小及功能,以适应不同工作的需求,完成不同的任务。

3)多机器人相互协同技术。

相互协调的多个机器人系统的能力远大于各个单机器人系统的功能之和。它还可以通过共享资源弥补单个机器人能力的不足,完成单机器人系统无法完成的复杂任务。

制造多个简单机器人比单个复杂机器人更容易、成本更低,多机器人系统体系结构与协作机制、信息交互以及冲突消除等方面将是多机器人系统的另一研究方向。

4)仿生技术。

传统的设计原则已经不能满足机器人在非结构化、未知环境下作业的要求, 要解决的主要问题之一是运动方式的实现。 需要用新的理念, 寻找灵活稳定、适应性强的运动模式。仿生学的发展,研究动物的运动方式和机理可以大大提高机器人的高适应性和运动稳定性。

5、结语

坚持以科技创新为动力,以任务定手段,以手段定装备,以国情定发展,走自主创新的道路。随着信息技术的发展,远程操控和局部自主移动又有了新的突破;随着新设计理念和新技术、新材料、新工艺的高度融合,可靠性适应性也提高到了一个新的阶段,国家的不断支持和民间资本的大量投入,必将促进我国警用机器人的快速发展。


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