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附录A 译文
搜救机器人的研究现状，关键性能及未来发展
摘要：频繁的自然灾害和人为灾难威胁着公民的安全，并引起了更多的关注。灾害环境下的救援任务对救援队来说是非常复杂和危险的。搜救机器人不仅可以提高救援行动的效率，而且可以减少救援人员的伤亡。机器人可以帮助救援队，甚至替换救援人员执行危险任务，所以搜救机器人将在救援行动中发挥越来越重要的作用。对日本、美国、中国等国家搜救机器人的研究现状进行了调查。根据目前的研究、经验和应用经验，搜索救援机器人的五个关键性能是生存性、移动性、传感性、可通信性和可操作性。多技术融合和多智能体智能网络被认为是未来搜救机器人发展的要求。防灾减灾救灾是国家公共安全的重要组成部分。它们对公民及其财产的安全也至关重要。搜救机器人技术是国家发展的迫切需要、战略和核心技术，将对国民经济和安全具有重要的战略意义。
1 导言
近年来，地震、火灾和洪水等频繁发生的自然灾害，恐怖主义和武装冲突等人为危险，炭疽、严重急性呼吸综合征(SARS)、禽流感等生化病毒、核泄漏等有毒物质和放射性物质对人民的安全造成了极大的威胁。它们也引起了广泛关注。虽然人们提高了对各种灾害的警觉和反应能力，但对破坏性灾害的充分准备仍然较少。许多人仍然死于不专业和时间压力的救援行动。机器人研究的一个新领域和挑战是如何有效地融合机器人技术、救援技术和灾害科学等多学科知识，从而开发用于搜索和救援行动的智能机器人。
根据灾害发生的时间，灾害救援行动可分为灾前救援行动、灾后救援行动和灾后救援行动三个阶段。灾前救援行动主要针对事前已知的灾害。救援行动包括防灾和消除灾害，疏散和转移物资。灾害救援行动是针对火灾、洪水、气体和放射性物质等时间消耗的灾害，主要包括抗击灾害，灾后救援指事后采取搜救行动；
短期灾害，如地震和突然爆炸。上述三个阶段之间没有明确的界限。然而，各阶段的救援行动都存在两个问题：环境的复杂性和不可预测的危险。以城市环境为例，城市人口和城市人口密度迅速增加，使得高层建筑、地下工程、大型商业设施和文化/娱乐设施也迅速建成。以上这些都使救援行动过于复杂，无法处理。例如在一些极其危险的灾难中，包括爆炸中的火灾、易燃、易爆和有毒气体；
地震后容易倒塌的建筑工地等。救援人员渴望知道内部情况，当他们不能进行深入的侦察。在这种情况下，搜救机器人可以提高救援操作和医疗的效率，以减少伤亡。他们不仅可以在救援行动中帮助救援队，还可以在搜救任务中替换救援人员。一般来说，机器人在灾害救援行动中可以发挥越来越重要的作用。
2 搜救机器人的最新研究
近年来，尤其是在“ 9.11”袭击之后，世界上许多国家开始开发各种反爆炸/反恐机器人，以及根据其国家安全战略来进行灾难保护和救济的搜救机器人。同时，由于搜救机器人具有很多潜在的应用领域和广阔的市场，因此一些公司也参与了搜救机器人的研究与开发。此外，国际机器人大赛机器人世界杯（RoboCup）发起了一个特殊的救援竞赛“ RoboCup Rescue”，该竞赛为救援机器人的理论和模拟技术提供了测试平台。当前，搜索和救援机器人的技术正在从理论和实验研究发展到应用。2005年，IEEE安全和救援机器人国际研讨会(IEEESSRR p05)于2005年6月在神户举行，会议中预计机器人技术将为下一年的减灾提供有效的解决方案，并成为社会基础设施不可或缺的组成部分之一。与会者来自16个不同的国家或地区。由于技术水平、地理政治因素、灾害类型、废墟和机器人任务的差异，他们对救援机器人的研究是不同的、全面的和多样化的。在下面的章节中，我们将分别介绍日本、美国、中国和其他国家搜索救援机器人的研究现状。
2.1 日本
作为一个拥有丰富核能和频繁地震的国家，日本实施了一个相对全面的项目来研究和开发搜索和救援机器人。在1995年阪神阿瓦吉（神户）地震后，日本形成了完整的灾害救援保护体系。日本教育、体育、文化、科学和技术部于2002年启动了一个国家项目，即“城市地区减震特别项目”（DDT项目）。该项目的一部分（开发用于灾害响应的先进机器人和信息系统）旨在开发用于灾难响应的先进机器人和信息系统。该项目包括30个小组，为期5年，参加者包括大学，公司和国家研究所。研究主题包括环境灾害中观测机器人系统，传感器技术，人机界面技术和系统集成。政府为该项目在川崎建立了一个公共试验场，并组织了国际救援系统研究所。国际救援系统研究所的“救灾战略”是这个项目的核心部分。他们计划中的主要工作是对机器人、智能传感器、便携式终端设备和人机界面进行研究；开发智能信息收集系统；以及通过网络传输、编译和概括信息。
东京理工学院的Hirose教授是救援机器人研究的先驱之一。他在实验室开发了许多机器人，如“ACM”、“GENBU”、“SORYU”和其他系列原型。从仿生学和超级机械系统的角度来看，他与同事和学生一起，为仿生学及其在搜救行动中的应用做出了巨大贡献。图1显示了Hirose实验室开发的救援机器人的各个部分。考虑到最重要的是将生命定位在碎片中，并且机器人必须在狭窄的空间内，因此他们开发了SOURYU系列。在带有水管的消防现场，他们开发了名为GENBU-I，GENBU-II和GENBU-III的水驱动多轮机器人，它们利用高压水作为动力来移动和分配水。东京工业大学Kamegawa教授 还提出了一个新的救援机器人平台。如图2所示，机器人由多条轨道组成，可以进入狭窄的空间。通过相邻单元之间的主动关节或被动关节，它擅长越过障碍物并适应地面。在京都大学科学家开发了一种四段式救援机器人“ MOIRA”，它具有四个侧面配备的轨道。如图3所示，该机器人使用每四个电机同时并分别驱动四个轨道，这使其很容易在废墟中穿梭而不会翻倒。该机器人有望用于废墟中的检查作业。前者是履带式车辆，而后者则采用柔性从动关节。图4显示了Tabata等人开发的变形机器人“ CUBIC-R”。 围绕着轨道，该机器人可以处于类似立方的收缩模型中，并且可以转变为其他各种模型。图5显示了Matsuno等人开发的信息收集机器人“ MA-1”，来自电子通信大学。图6是Nagatani等人开发的救援移动机器人“ RESDOG”，来自冈山大学。在机器人的底部悬架中，多个被动三角形轨道提供了出色的地形适应性。图7显示了神户大学高森教授开发的实用移动搜索机器人（UMRS）系列救援机器人。预计这些机器人将用于废墟中的检作业。前者是履带式车辆，而后者则采用
图 1
图 2
图 3
图 4
图 5
图 6
柔性从动关节。
图8显示了日本原子能机构为在原子核辐射场所使用而开发的操作机器人RESQ系列和RaBOT。通过远程控制，RESQ系列机器人有指定的任务，如收集早期信息(RESQ-A)、收集详细信息(RESQ-B)和收集样本(RESQ-C)。RABOT由日本原子能机构、中核研究所和核聚变技术共同开发，具有较高的机动性，可以很容易地上下楼梯。千叶大学的Nonami等人对地雷探测机器人和空中无人飞机进行了广泛的研究。如图9所示，地雷探测机器人前面的探测系统具有很高的灵敏度。图中的空中搜救机器人由地面操作员无线控制。
图 7
图 8
图 9
在日本，一些大公司也参与了救援机器人的研究和开发。他们通常与研究机构或大学合作，其中企业为研究所提供研究试验场地所需的资金支持。同时它们也是产品和市场之间的桥梁。图10显示了东芝、三菱重工、Tmsuk和其他公司开发的五个机器人。东芝公司开发的SMERT-M是一种用于有限空间现场检测和清除危险材料的机器人，它可以携带5公斤重量物品。MARS-A是日立公司开发的可变形机器人，它可以切换阀门，样品材料并举起5 kg。 SWAN由三菱公司开发，具有高度的地形适应性，它可以移动中等大小的物体，并能处理约10公斤的重量。 MENHIR由Nissho Iwai为放射性环境开发，凭借强壮的手腕，机器人可以承载25–80公斤。 Enryu T-52由位于北九州市的机器人制造商Tmsuk Co.，Ltd.开发。它可以在地震等大规模灾难后清除沉重的碎片尺寸是2.4 m x 3.5 m x 3.45 m。它安装在由柴油发动机提供动力的履带上，在驾驶员坐在机器人前部受保护的机舱内的引导下，它可以以3 kph的速度突突。Enryu最引人注目的功能是其两个巨大的液压操作臂，带有可移动的钢制握把。它们每个都可以拉伸到5 m，可以举起500公斤。
图 10
2.2 美国
在9.11攻击之后，搜救机器人技术在美国引起了越来越多的关注。在9.11攻击时的救援行动被认为是搜索和救援机器人的第一个应用。约翰·布里奇中校机器人辅助搜索救援中心(CRASAR)主任）要求一组机器人专家和供应商协助世界贸易中心(WTC)灾难现场的搜索工作。纽约市应急管理办公室直接要求CRASAR作出反应。在几个小时的恐怖袭击之后，CRASAR迅速应对了灾难。这是第一个已知的机器人应用于救援。八种救援机器人如图所示。
图 11
如图11所示，如图11（a）-（c）所示，Inuktun的一些类型的机器人分别是Micro VGTV，Micro Trace和Mini Trace。他们主要用于废墟 ，因为体积小，重量轻。其中，在受限的空间中，Micro VGTV和Micro Traces被证明比Mini Trace更有效。 Foster-Miller公司还使用了三种机器人：图11中所示的Talon，SOLEM和Urbot。由于具有更好的传感器和承载能力，它们比Inuktun的机器人更大，因为它们具有NASA的军事背景。 SOLEM被用于废墟中。 Talon和Urbot用于内部建筑物的检查。 iRobot在救援行动中还使用了两种类型的机器人：Packbot和ATRV。履带式Packbot具有出色的牵引力和自我调节能力。大型ATRV具有大型轮式移动平台。
在美国，许多大学研究中心、国家研究所和公司也对搜救机器人进行研究。在机器人辅助搜索和救援中心(CRASAR)，一个非营利的研究中心，总部设在佛罗里达大学，由罗宾·墨菲·CRASAR领导，已经开发了许多机器人技术，以协助搜索和救援。如图12所示，救援机器人Bujold配备了医疗传感器。跟踪机器人具有较高的移动性
和优良的检测能力。同时，机器人可以收集信息
图 12
如幸存者、物质信息和环境信息，然后在外面传送。图12(b)中的SCOUT机器人由Stoeter等人开发，来自明尼苏达大学。它具有简单的传感器模块、运动单元和专用的操作工具，可用于多机器人的并行信息采集。机器人外侧有柔性保护轮。还有两个检查/运动臂，其物理结构是非常巧妙的设计，如图所示。图12由Larson等人开发，和前者在同一所大学。图(d)中的多传感器救援机器人由Helmick等人开发，来自加州理工学院。它具有快速爬楼梯能力，简单易控。图12(E)提供了一个具有象鼻的救援移动机器人，就像Wolf等人开发的机械手，来自卡内基梅隆大学。移动机器人具有移动平台，可以大大增加机器人的移动性和探索空间机械手。图12（f）显示了Shen等人开发的模块化可重构救援机器人CONRO。来自南加州大学[17]。它可以根据需要将其配置更改为不同的配置，包括蛇形，六足或圆形。图12（g）是Haith等人开发的三维运动蛇状机器人。它在非结构化环境下具有很高的移动性。图12（h）是Yim等人设计的模块化可重构机器人PolyBot。来自PARC研究中心。它可以流畅地更改其配置以适应不同的地形。图13所示的Urbie系列由JPL，iROBT，CMU和USC通过Mobile Robot程序共同开发。在DARPA高级技术办公室，该计划已邀请JPL的机器视觉小组领导其感知城市机器人的设计和实施。 Urbie的最初目的是在城市地形中进行机动军事侦察；因此，它的许多功能也将使其对警察，紧急情况和救援人员有用。机器人具有履带，车轮和腿部的混合结构，坚固耐用，非常适合恶劣的环境，它的自主性使Urbie可以在许多不同的应用中使用。这样的机器人可以调查受辐射，生物战或化学泄漏污染的城市环境。它们还可以用于地震灾区建筑物和其他灾区的搜索和救援化学泄漏污染的城市环境。
图 13
在美国，搜寻和救援UVA或直升机也吸引了研究人员的极大关注。 CMU的图14（a）中所示的视觉引导机器人直升机可以快速，系统地搜索非常大的区域，以定位事故或自然灾害的受害者。可以在非常危险的条件下牺牲他们，以挽救生命。主要的例子包括在森林大火附近飞行，寻找滞留的人，在受污染的地区进行搜索，并确定核反应堆事故后的潜在放射性泄漏。图14（b）中所示的AR Yamaha Rmax是NASA Ames研究中心的自主无人机，它为从安全和军事行动到科学信息收集和土地管理。图14（c）所示的救援直升机来自“空中搜索救援”。该协会是专门为慈善，人道主义和教育目的而成立的组织，更具体地说，它是一家合格的多救援灾难和失踪人员组织，在涉及执法，消防，紧急医疗的情况下提供救生搜索，救援和恢复以及一般服务，例如经过特殊训练的犬类搜查犬，水下水肺恢复团队，使用ATV的地面搜索，直升机，飞机，并且不对服务进行任何补偿，我们所有的非付费董事会和志愿者都全天候提供紧急服务救援和恢复服务。
图 14
2.3 中国
在中国，机器人科学家意识到自20世纪70年代以来研究和开发搜索和救援机器人的重要性。在中国，机器人科学家意识到自1970年代以来研发搜救机器人的重要性。许多大学和学院都把重点放在水下救援机器人，无人飞行器和无人飞行器等各个
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