摘要：針對(duì)打擊恐怖活動(dòng)所要求的“快速部署,、迅速展開(kāi)、輕巧便攜、地形和天候適應(yīng)性強(qiáng),、功能模塊擴(kuò)展方便,、搭載能力強(qiáng)”等技術(shù)特征,，本文提出采用開(kāi)放式架構(gòu)的模塊化機(jī)器人設(shè)計(jì)理念,，以最終的實(shí)用化、商品化和產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo),，對(duì)排爆機(jī)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(jī)器人。

關(guān)鍵詞：反恐排爆機(jī)器人 開(kāi)放式架構(gòu)  模塊化

當(dāng)今恐怖分子為了實(shí)現(xiàn)自己的政治目的,，多將爆炸恐怖襲擊對(duì)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(huì)影響極大,。在這種國(guó)際形勢(shì)下,，反恐已成為國(guó)際共識(shí)，各國(guó)紛紛加大了對(duì)反恐的投入,。研制出能實(shí)用化反恐排爆機(jī)器人極為迫切,，世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家都十分重視對(duì)反恐排爆機(jī)器人的研究。

排爆機(jī)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(xiǎn)等環(huán)境中,，在事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行偵察、排除和處理爆炸物等危險(xiǎn)品^[1],。有時(shí)也對(duì)一些恐怖分子及犯罪分子實(shí)施有效的攻擊,，是反恐專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍中必不可少的重要裝備^[2]。它應(yīng)具備對(duì)突發(fā)事件快速反應(yīng),、機(jī)動(dòng)靈活,、部署迅速、全天候,、全地形運(yùn)行的能力,，能夠通過(guò)遠(yuǎn)程控制與先進(jìn)的識(shí)別技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)爆炸物并排除危險(xiǎn),，降低士兵人身的危險(xiǎn)程度,。

1 排爆機(jī)器人的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多款排爆機(jī)器人產(chǎn)品，并且已經(jīng)實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用,。無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi),，在排爆機(jī)器人技術(shù)設(shè)計(jì)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(jī)器人的行走機(jī)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(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，重量輕,，滾動(dòng)摩擦阻力小，機(jī)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(jī)器人，因而越野性能也不如履帶式,，特別是爬樓梯,、過(guò)臺(tái)階時(shí)就比較困難。英國(guó)ABP 公司生產(chǎn)的“山貓”,、“土撥鼠”及“野?！钡榷际遣捎眠@種行走機(jī)構(gòu)。履帶式行走機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是越野能力強(qiáng)可以爬樓梯,、越過(guò)壕溝等各種障礙物,。德國(guó)TELEROB 公司生產(chǎn)的TEODOR 排爆機(jī)器人和可穿越狹窄地域的TELEMAX 小型排爆機(jī)器人，我國(guó)自主研發(fā)的uBot-EOD等排爆機(jī)器人都是采用這種行走機(jī)構(gòu),。輪履式行走機(jī)構(gòu)可同時(shí)裝有輪胎和履帶,，當(dāng)機(jī)器人在較平坦的環(huán)境移動(dòng)時(shí)，使用輪式,，以獲得較快的移動(dòng)速度,，當(dāng)機(jī)器人需要爬樓梯等障礙物時(shí)，使用履帶式,，以提高其越障能力,。美國(guó)Wolstenholme機(jī)器公司生產(chǎn)的MR5排爆機(jī)器人就是采用這種行走機(jī)構(gòu)^[4]。

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

（2）傳感技術(shù)

傳感技術(shù)主要是對(duì)機(jī)器人自身方位信息以及外部環(huán)境信息的檢測(cè)和處理,。反恐排爆機(jī)器人為了應(yīng)付各種危險(xiǎn)情況往往會(huì)配備攝相機(jī)、晝夜瞄準(zhǔn)具,、微光夜視瞄具,、雙耳音頻探測(cè)器、化學(xué)探測(cè)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(jì)算機(jī)為中心,，主要用于提取,、識(shí)別和分析判斷獲得的關(guān)鍵信息，建立機(jī)器人任務(wù)模型,，供控制和決策人員選擇?，F(xiàn)有的排爆機(jī)器人大多是半自主移動(dòng)與遙控方式相結(jié)合,，機(jī)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(shí)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(jī)器人,，我國(guó)的uBot-EOD系列機(jī)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(dòng)機(jī)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(dú)立完成各種排爆任務(wù)^[5],。 機(jī)器人研究者需要融合多種傳感器信息，并設(shè)計(jì)一些導(dǎo)航算法,，以實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)器人與控制平臺(tái)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(chǎng)和機(jī)器人自身狀態(tài),、動(dòng)作的信息,，從而有效地監(jiān)控機(jī)器人，實(shí)施遙操作,。通信方式由有線發(fā)展到無(wú)線,，由無(wú)線電,、雷達(dá)發(fā)展到光纜,，傳輸距離也越來(lái)越長(zhǎng)。當(dāng)前采用最多的是無(wú)線加有線的雙重通信方式,，通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)來(lái)遙控機(jī)器人,，在危機(jī)情況下借助有線控制方式，以免受到無(wú)線干擾而造成任務(wù)失敗,。

（5）執(zhí)行與搭載技術(shù)

反恐機(jī)器人一般具有排除爆炸物,、解救人質(zhì)、消防,、搬運(yùn),、摧毀,、射擊等功能，因此要求機(jī)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(jī)械手是最常用的搭載執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用它的手爪或夾鉗可將爆炸物的引信或雷管擰下來(lái),，并把爆炸物運(yùn)走,。獵槍或霰彈槍?zhuān)邏核畼專(zhuān)厥獾睦鋬鲅b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(kāi)放式架構(gòu)和模塊化技術(shù)

作為反恐用的排爆機(jī)器人都要求高可靠性,、高穩(wěn)定性、易維護(hù)性,、易配置性,，近年來(lái)隨著模塊化開(kāi)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(diǎn),，更加強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)化,、易開(kāi)發(fā)性、易配置性,、易擴(kuò)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(jī)器人中引入開(kāi)放式架構(gòu)的模塊化技術(shù)，開(kāi)始越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外研究人員的高度關(guān)注,。

開(kāi)放式架構(gòu)機(jī)器人的概念主要是針對(duì)封閉式架構(gòu)機(jī)器人所存在的缺點(diǎn)而提出,。從機(jī)器人設(shè)計(jì)的角度分析，機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程首先要根據(jù)確定的功能需求與作業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)機(jī)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(jì)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(pán)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(tái)機(jī)器人上使用的編程代碼,，幾乎不可能在另一臺(tái)新開(kāi)發(fā)的機(jī)器人上發(fā)揮作用,，如果想開(kāi)發(fā)新的機(jī)器人，就必須從頭開(kāi)始,，移植性和重用性較差,，這樣所形成的機(jī)器人是一種封閉式架構(gòu)的機(jī)器人,。這種封閉式機(jī)器人由于采用的是專(zhuān)用計(jì)算機(jī)、專(zhuān)用機(jī)器人語(yǔ)言,、專(zhuān)用微處理器,，結(jié)構(gòu)封閉式，機(jī)器人的應(yīng)用上受到了很多限制,，無(wú)論是硬件還是軟件,，兼容性較差，功能和配置上難以擴(kuò)充和更改,。

所謂開(kāi)放式架構(gòu)的機(jī)器人,，所包含的概念有軟件與硬件開(kāi)放兩個(gè)層面。其主要的技術(shù)關(guān)鍵為模塊化,，即通過(guò)模塊化技術(shù)的引入,，使不同組件通過(guò)統(tǒng)一的硬件和軟件接口，解除機(jī)器人各個(gè)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(jī)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(gè)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(shí)現(xiàn)開(kāi)放式架構(gòu)的基礎(chǔ)，可以保證機(jī)器人的性能,，便于系統(tǒng)維護(hù)與功能模塊更換和擴(kuò)展,，并可以提高機(jī)器人對(duì)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(jī)器人模塊化方面,，國(guó)外對(duì)可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)的模塊化機(jī)器人系統(tǒng)或可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)主要有兩類(lèi)^[7-15],；一類(lèi)是動(dòng)態(tài)可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng),，另一類(lèi)是靜態(tài)可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)。在研究?jī)?nèi)容的層面上,，在開(kāi)發(fā)具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的模塊化,、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制系統(tǒng)方面，國(guó)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(shí)現(xiàn)的方法上^[16-20],。

經(jīng)過(guò)幾年來(lái)國(guó)內(nèi)機(jī)器人行業(yè)研究人員的共同努力,，我國(guó)機(jī)器人的研究水平將從低端產(chǎn)品階段,，開(kāi)始進(jìn)入高端技術(shù)領(lǐng)域的研究。我國(guó)的反恐排爆機(jī)器人已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室的研究階段,，逐漸走向了產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化,。我國(guó)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(kāi)放式架構(gòu)的模塊化排爆機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)研究

針對(duì)打擊恐怖活動(dòng)所要求的“快速部署、迅速展開(kāi),、輕巧便攜,、地形和天候適應(yīng)性強(qiáng)、功能模塊擴(kuò)展方便,、搭載能力強(qiáng)”等技術(shù)特征,，基于開(kāi)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(jī)器人的四大單元子系統(tǒng),，即適應(yīng)全天候、全地形的機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái),、多自由度手臂,、多自由度監(jiān)控云臺(tái)及遠(yuǎn)程操控終端，系統(tǒng)框圖如圖1^[22],。

圖1  反恐排爆機(jī)器人系統(tǒng)框圖

其關(guān)鍵技術(shù)在于：

（1）通過(guò)智能機(jī)器人功能的分布式研究,，通過(guò)運(yùn)動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)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(kāi)放式機(jī)器人架構(gòu),。

（2）實(shí)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(kuò)展的功能模塊與搭載設(shè)備的即插即用,，方便用戶(hù)根據(jù)自身需求增減功能模塊。

（3）通過(guò)分析多傳感器獲取的冗余檢測(cè)信息,，通過(guò)多傳感器信息融合技術(shù)的研究,，提高系統(tǒng)在復(fù)雜、動(dòng)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(jī)系統(tǒng)的安全性與可靠性。

（4）通過(guò)多模態(tài)智能人機(jī)交互技術(shù)的研究,，利用圖像處理,、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、語(yǔ)音交互,、姿態(tài)與位置識(shí)別技術(shù)進(jìn)行人機(jī)控制界面設(shè)計(jì),，提高系統(tǒng)交互功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)反恐排爆機(jī)器人的智能化控制。

4 智能排爆機(jī)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(jī)交互、多傳感器信息融合技術(shù)的模塊化反恐排爆機(jī)器人,。
uBot-EOD系列產(chǎn)品架構(gòu)全開(kāi)放,、模塊互通互連設(shè)計(jì)、全天候與全地形運(yùn)行,，有小型,、中型和大型排爆機(jī)器人（以機(jī)器人手臂抓取的負(fù)載力來(lái)區(qū)分）三個(gè)不同性能的產(chǎn)品，如圖2所示,。

(a) 智能小型排爆機(jī)器人uBot-EOD A10：3-8kg

(b)  智能中型排爆機(jī)器人uBot-EOD A20：6-15kg

(c)  智能大型排爆機(jī)器人uBot-EOD A50：15-30kg

圖2 uBot-EOD系列排爆機(jī)器人

排爆機(jī)器人的機(jī)器人移動(dòng)本體可以采用輪式,、履帶式和輪履復(fù)合式行走機(jī)構(gòu)，其中小型排爆和中型排爆采用了履帶式機(jī)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(jī)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(jī)械手臂為6個(gè)以上自由度，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以更換不同類(lèi)型的手爪,，方便執(zhí)行不同的任務(wù),。監(jiān)控云臺(tái)是2個(gè)或3個(gè)自由度，主要用于環(huán)境檢測(cè),。遠(yuǎn)程操控平臺(tái)有便攜手持式OCU及箱式OCU兩種,，如圖3所示，方便不同場(chǎng)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(tái)

獨(dú)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(jī)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(guò)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(jì)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械和電氣的模塊化,，方便裝卸多種模塊,，比如移動(dòng)平臺(tái)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(jī)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(cè)機(jī)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(cè)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(jī)器人的自我安全保護(hù),、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(shí)現(xiàn)排爆機(jī)器人產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的高效性能，我們提出采用開(kāi)放式架構(gòu)的模塊化機(jī)器人設(shè)計(jì)理念,，并以最終的實(shí)用化,、商品化和產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)，研制出基于開(kāi)放式架構(gòu)的模塊化反恐排爆機(jī)器人,?；陂_(kāi)放式架構(gòu)的模塊化反恐排爆機(jī)器人在設(shè)計(jì)理念上實(shí)現(xiàn)了機(jī)械、電子和軟件的模塊化及標(biāo)準(zhǔn)化,，極大的降低了開(kāi)發(fā)成本,、縮短了開(kāi)發(fā)周期、方便產(chǎn)品的更新?lián)Q代,，易于實(shí)現(xiàn)客戶(hù)的定制化,，使用時(shí)易于快速更換配件快速部署。機(jī)器人設(shè)計(jì)技術(shù)的突破將推動(dòng)國(guó)內(nèi)高新技術(shù)的發(fā)展,，提升我國(guó)在高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面的競(jìng)爭(zhēng)力,，并推動(dòng)我國(guó)軍用、警用與反恐用機(jī)器人事業(yè)的發(fā)展。