机器人辅助的风险干预、搜索、救援和环境监测外文翻译资料

 2022-08-01 22:04:05

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机器人辅助的风险干预、搜索、救援和环境监测

作者：埃及开罗美国大学的Maki K. Habib*和Yvan Baudoin***。**比利时布鲁塞尔皇家军事学院

E-mail: maki@ieee.org和Yvan.Baudoin@rma.ac.be

摘要:技术已经成为许多长期存在的问题的解决方案，虽然目前的技术可能是有效的，但它还远远不能完全解决与灾难任务和风险干预相关的拥抱、复杂、困难和具有挑战性的任务。我们面临的挑战是如何在这种高度受限和不确定的环境中找到创造性的、可靠的和适用的技术解决方案。此外，有必要通过开发创新的、成本有效的和实用的技术来克服对资源的限制。机器人可以发挥重要的智能和技术作用解决和满足这些任务的需求对机器人的机械结构和灵活性、传感器和传感器融合、自主和半自主控制、规划和导航以及机器智能提出了挑战。本文对灾害的来源和相关任务进行了分类，强调了机器人系统实现任务目标对合适可靠的技术和技术功能的需求。此外，它表明，机器人技术可以用于灾害预防或早期预警，干预和恢复在灾害期间的各种可能的相关任务，同时确保服务质量和人类的安全。其中一些特派团可能包括:排雷、搜救、监测、勘察和风险评估，疏散的援助,受灾探测与评估等

关键词:服务机器人，灾害，搜索和搜索，安全，监视，机器人辅助风险干预，UGV，无人机，USV，空间机器人，医疗机器人

  1. 介绍

灾害可分为自然灾害、人为灾害和人为灾害。自然灾害是不可避免的，几乎不可能完全恢复它所造成的损害。众所周知，自然灾害袭击国家，无论发达国家还是发展中国家，造成巨大破坏，造成人民痛苦，对国民经济造成负面影响。人们通常认为，突发性自然灾害不仅会造成大范围的死亡，还会造成大规模的社会混乱，并导致流行病和饥荒的爆发，使幸存者完全依赖外部援助。然而，要完全避免自然灾害是不可能的，但通过各种技术手段的应用，制定灾害预警战略、防灾备灾、灾害管理，可以把灾害带来的痛苦和潜在的风险降到最低制定灾后重建和灾后重建发展计划，提高灾后恢复能力。早期成功的预警系统收集、解释和传播可靠和及时信息的能力的直接结果(赫尔姆，1996;史密斯,1996;Stenchion, 1997)。常见的自然灾害有地震、洪水、火山爆发、洪水、海啸、飓风、龙卷风、台风、雪崩、热带风暴、森林大火等。这些灾难可能导致建筑物倒塌，造成大量的碎石堆，有毒气体和辐射，土地和泥石流或火山口。特定的灾害可能由于一个地区不同的地理特征而产生(Alexander, 1993年，IFRC, 1998年;UN-ESC, 2005)。在过去的20年里，灾难性的自然灾害已经造成了超过1000亿美元的损失。人为灾难可能包括核电站事故、战争、雷区等。其他危害可能包括环境污染、极端天气、石油泄漏、化学物质、疾病、辐射等。

灾害管理与风险评估是一门应用科学，其目的是通过对灾害的系统观察和分析，改进与预防、减轻、准备、应急和恢复有关的措施。它试图激励社会参与到有意识的灾难管理中去。减灾是一个多部门和多学科的性质，涉及在地方、国家、区域和国际各级的各种相互关联的活动。获取信息对有效管理灾害至关重要(Helm, 1996, Smith,1996;Stenchion, 1997)

灾害管理小组的成员可以包括各国政府和国际组织以及各种级别的当地人员。危机应对包括向现场提供医疗、食物、水、意识、避难所和救援队的后勤保障。可以提供区域、全球、地方和其他资源来帮助那些受影响的人。恢复工作应包括使重要的生命支持系统恢复运作的短期活动和使基础设施系统恢复灾前状态的长期活动。为了应对不可预见的事件，整合的参与者必须制定应急计划，并与其他相关机构和参与者协调他们的计划。

能够很好地适应当地非结构化和未知环境的机器人解决方案可以极大地提高人员的安全性和安全性，以及工作效率、生产力和灵活性。解决和满足机器人力学和机动性方面的需求，传感器和传感器融合，自主或半自主导航和机器智能。信息和通信技术、遥感、卫星通信、GPS和GIStechnologies以及互联网的发展可以极大地帮助规划和实施减灾措施。

  1. 服务机器人

通常是一种非常灵活和复杂的机器，它集成了科学和工程。每一项应用于机器人系统的技术都有其自身的挑战。当没有足够的技术人员可以以合理的价格完成某些任务时，机器人帮助人类的机会就出现了，比如照顾老人。针对婴幼儿和老年人，机器人螯合剂的开发受到了广泛关注。微技术、微处理器、传感器技术、智能材料、信号处理与计算技术、信息与通信技术、导航技术、在学习和决策能力方面的生物灵感导致了新一代被称为servicerobots的机器人的发明。服务机器人是一个通用术语，包括所有不打算用于工业用途的机器人，即机器人。，提供对人类健康有益的服务，以及其他设备(维修、保养、清洁等)，也不是为了使生产合理化。服务机器人的发展和操作为他们提供了宝贵的经验，因为他们形成了一个中间阶段在工业机器人向个人机器人发展的过程中，机器人被认为是未来重要的应用领域。新型机器人的目标是在复杂和危险的环境中实现高水平的智能、功能、灵活性、适应性、机动性、难驾驭性和效率，以完成广泛的工作为人类用户和社会提供各种服务。执行服务的关键先决条件是安全性、机动性和强大的感官感知支持的自主性。这样的机器人应该擅长他们所能做的，并且有能力在更大程度的无结构环境下工作。此外，人机交互在智能个人机器人的不断发展的市场中扮演着重要的角色(Habib, 2006)。

服务机器人操作灵活，具有半自主性，(多模式操作)，而且它们是可移植的。可以区分出三类服务机器人，第一类是在脏的环境中代替人类工作的机器人危险而沉闷的作业，如在高温下、在接触放射性物质的环境中、在真空中、水下、消防、空间、排雷、军事、建筑等，第二类包括与人类一起操作的机器人，以减轻商品或增加功能，如娱乐、康复、帮助老人和严重残疾人、家务等。第三类包括对人进行操作的机器人，如主要用于手术、治疗和诊断的医疗机器人。

具有自由导航能力的服务机器人可以应用于很多领域，比如农业和收割，复原清除建筑、人道主义排雷、娱乐、消防餐馆市场营销、食品行业医疗、采矿、监测、检查和维修、搜索和救援，导游和办公室，核能，交通补给和加油，危险环境，军事，体育，太空，水下等。这些机器人的目标是提供有用的服务，与预期的职责相比，成本合理(Habib, 2006)。

很明显，研制一种能在多种不同任务和环境条件下工作的通用型机器人并不是一项简单的任务。机器人研究需要成功地整合大量不同的技术，而这些技术需要重点开发基于弹性力学andmodular结构、流动性和行为controlarchitecture,人类andinteraction支持功能,同构和异构sensorsintegration和数据融合,不同方面的fastautonomous或半自治导航在无力的和非结构化的环境中,计划,协调,和多机器人合作,无线连接和自然交流人、虚拟现实和实时交互支持机器人服务的规划和物流，以及机器智能、计算智能和先进的信号处理算法和技术。此外，使用许多机器人一起工作，协调他们的运动和动作，将加快进程，通过启用并行任务来提高生产率，增强灵活性和实现更高的服务质量(Habib, 2006;哈比卜,2007;哈比卜2008年20 b)。

  1. 恶劣、苛刻或危险环境用机器人:作用和要求

搜索和救援机器人的研究代表了一种技术挑战，这种技术将造福人类，并提高服务质量。机器人解决方案:适当的模块化机械结构和适应当地非结构化和未知环境的条件，可以大大提高人员的安全和工作效率生产力和灵活性。智能移动机器人系统开始出现在与安全和环境监测相关的应用中:预防灾害，在灾害中进行干预，以确保人类的安全等各种可能的任务。移动机器人救援搜索的应用正在积极地发展工具，以应对在灾难任务和风险干预中支持第一反应设备的系统。这些应用可能包括:使用多个机器人作为一个团队的目的，以支持消防员在灭火;事故、犯罪、救援警察;具有侦察、现场评估、人员探测等功能的灾害机构;支持炸弹探测和处理的安全机构，化学和生物制剂的检测，进入倒塌的建筑物检查和检测幸存者等。此外，值得一提的是，众所周知的EOD和IEDD任务已经委托军事机构负责本地化，引爆装置的巢卵去留，人道主义扫雷运动和检查恐怖主义威胁是利用移动机器人执行任务的典型例子。

受机器人技术在技术、传感器、技术和应用方面的发展启发，国际先进机器人项目(IARP)应运而生。IARP的总体目标是鼓励开发先进的机器人系统，使其能够在恶劣、苛刻或危险的环境中完成困难的工作，从而为世界经济的复苏和发展做出贡献。通过若干专门技术讲习班，IARP工作组:HUDEM(机器人协助扫雷)、SSRR(安全、保安、救援机器人)和RISE(危险干预和环境监测)正集中注意于交流与相关领域的新机器人系统开发和应用相关的信息。

在设计一款高质量的机器人以适应不同的搜索和救援任务时，有几个关键的规格和功能要求需要考虑。其中的一些具体情况和功能是

  1. 机器人应具备探测障碍物、探测周围环境的能力，并能可靠地导航倒塌的建筑物。此外，机器人应该有能力建立可靠的地图和本地化自己在构建的地图
  2. 机器人应在多种模式下运行，如:远程遥控、半自主、自主模式
  3. 机器人自身的故障检测和修复能力
  4. 机器人和人类互相的协调性
  5. 所开发的机器人应该是模块化和可配置的
  6. 机器人应该集成传感器融合技术支持的必要传感器。这使得机器人能够收集有关任务环境、任务本身、被碎片覆盖或困住的结构和受害者的信息，并能够尽快确定他们的健康状态
  7. 机器人应该能够探测音频线索并成功地解释其含义
  8. 机器人应该能够识别、监视和报告任何危急和危险的情况
  9. 所有选择的机构、执行机构和传感器都应该能够在临界条件和未知因素范围内工作
  10. 机器人应具有可靠的宽带实时通信能力，以接收和可靠地向相关目的地传播收集到的信息
  11. 对机器人而言，可靠、高质量的人机交互对机器人的感知、交流、协调与合作具有重要的支持作用
  12. 机器人应该具有学习和处理在机器人的开发过程中可能无法完全理解的任务或任务的一部分的情况的能力
  13. 应保护机器人不受水、化学品、气体、热量和与目标应用相关的影响
  14. 开发的机器人应该是紧凑的。低维护、便携、低成本
  15. 机器人的部署应该是快速的，少一些后勤需求
  16. 机器人应该是健壮的，能忍受噪音和一定程度的技术故障。
  17. 用于监视、安全和任务计划的传感器系统

允许环境监视或与安全相关的任务的最佳执行的系统开发意味着信息工具的设计(Acheroy, 2006)。地球观测遥感系统是一种强有力的观测手段

  1. 经济活动
  2. 安全活动(变更检测、边界实施等)
  3. 环境保护
  4. 减灾(快速全天候洪水评估快速地震损失评估)
  5. 人道主义行动卫星和高空无人或载人飞艇(HAAS)是最合适的测绘工具，但下表(1)总结了它们之间的显著差异。

表1。卫星和HASS之间的关键区别

显然，具有适当数据链路和数据存储的通信系统是实现管理的关键问题发现异常后可能采取的干预措施或危险的环境条件(雷区、森林火灾、地震、洪水、泥石流)。

  1. 选择在恶劣和危险环境下进行机器人开发

为了不同的目的和应用领域，人们开发了各种各样的机器人。主要类别有

  1. 无人机(UAV)
  2. 无人地面车辆(UGV)
  3. 水下车辆(USV)
  4. 空间机器人
  5. 医疗机器人

让我们来看看前四个类别的亮点

5.1。无人机(UAV)

今天高空长航时飞机和飞艇(Hendrickx amp; Lavi, 2006)作为全球观察员无人机(20公里海拔;1周 续航力)、“雄鹰”高空无人机(海拔10公里;墨卡托高空无人机(17公里高空，70小时续航能力，除了正常使用卫星外，考虑到它们的具体优势，即

  1. 能在最佳高度长时间闲荡
  2. 最重要的是正常的空中交通和风力
  3. 地平线上的视线仍然相当可观~ 500公里
  4. 可以继电器操作
  5. 通常比卫星产生更好的数据分辨率
  6. 更接近感兴趣的区域-因此更少的畸变
  7. 固有的重新定位能力
  8. 与卫星绑定在其轨道上相比，回收平台能够替代有效载荷

无人机系统必须遵守严格的认证和适航程序，包括通信、飞行控制和地面站，它们还必须证明与空中交通工具失去通信的安全性、抗干扰能力和正确的故障模式恢复能力;几乎可以肯定的是，我们将需要“明智而避免”的技术。

5.2。无人地面车辆(UGV)

为反恐部队，特别是警察使用的检查和干预移动机器人的开发和生产已经进行了许多年。这些遥控无人驾驶汽车由一个移动平台、传感器、计算机、软件(包括感知、导航模块)、电力系统、传输链路和附加设备组成，具体取决于汽车的用途。

以PIAP(Maslowski, 2006)开发的SR-10 Inspector为例，它配备了可变几何结构的爬虫驱动器(见图2)研发的机器人可以在复杂的地形条件下移动，可以在室内移动，也可以在楼梯上移动，速度最高可达30米甚至超过16千米每小时。

（a）

（b）

图1所示。未来的项目包括(a) ATG StratSat飞艇(20公里高度;1个月续航力)和(b)洛克希德-马丁飞艇(20

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