【正文】 經(jīng)歷了近 50 年的發(fā)展已逐步走向成熟。其中直到上世紀(jì) 60 年代中期，隨著機構(gòu)理論和數(shù)控伺服技術(shù)的發(fā)展才正式進入實用化。上世紀(jì) 70 年代后期至今，隨著計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、傳感器技術(shù)和人工智能技術(shù)迅速發(fā)展，機器人技術(shù)也隨之進入高速發(fā)展階段，并成為集機械、電子、控制和計算機技術(shù)的一項綜合技術(shù) [2]。工業(yè)機器人在經(jīng)歷了誕生 —成長 —成熟期后，已成為制造工業(yè)中不可缺少的核心裝備，世界上約有 75 萬臺（數(shù)據(jù)截止到 2020 年12 月）工業(yè)機器人正在與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在各條戰(zhàn)線上 [3]。特種機器人作為機器人大家族的后起之 秀，由于其用途廣泛而后來居上之勢，如仿人形機器人、農(nóng)業(yè)機器人、水下機器人、服務(wù)機器人、醫(yī)療機器人、軍用及安防機器人、娛樂機器人等等，它們正在以極快的速度壯大著自己的隊伍，并不斷追求著技術(shù)革新和實用化。 如今機器人的發(fā)展已經(jīng)接近了 “壯年”。 縱觀人類科技史，一切的高新技術(shù)幾乎無一例外的首先應(yīng)用在戰(zhàn)場上，并且大多這樣的技術(shù)的設(shè)計、研發(fā)初衷就是軍事應(yīng)用，機器人也不例外，例如 機器人的 “發(fā)明 祖先 ”中國 人， 三國時期諸葛亮設(shè)計制作的 木牛流馬 ，并用其運送軍糧，支援前方 戰(zhàn)斗人員， 漢朝 先祖 發(fā)明的指南車等 ?，F(xiàn)代軍用機器人早在第 二次世界大戰(zhàn)期間就由德國人研制出來，掃雷及反坦克用爆破機器人，期間美國人還研制出遙控飛行器機器人，也就是現(xiàn)代無人機的原始型。這些早期現(xiàn)代機器人武器裝備隨著全世界計算機技術(shù)、大規(guī)模集成電路、傳感器技術(shù)等“硬件”基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，加之人工智能、視覺系統(tǒng)學(xué)、結(jié)構(gòu)及運動學(xué)等“軟件”理論，正在以火箭般的飛速發(fā)展壯大著，并且其研發(fā)、實用制造已經(jīng)提到了各國國防議事日程中 [4]。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 2 第二次世界大戰(zhàn)過后，現(xiàn)代高新技術(shù)軍用及安防類機器人的研發(fā)首先從歐洲及北美開始，最大，發(fā)展最好的時美國，其首先研制出各類無人機、水下及地面軍用機器人 ，隨后在美俄軍事對抗賽中，率先實現(xiàn)了將機器人送向太空，進入火星地標(biāo)進行科考。隨后軍用及安防類機器人得到了重視，由于其表現(xiàn)出來的諸多優(yōu)勢。首先，機器人可以代替人員完成那些并不那么復(fù)雜的工程及任務(wù)，將人員從繁忙的工作及任務(wù)中解脫出來，以從事更多重要而復(fù)雜的任務(wù)，加快作業(yè)進度，更優(yōu)質(zhì)的完成任務(wù)。其次，機器人有其人類無法比擬的承受能力，其沒有疲勞感，對許多人類無法忍受的作業(yè)環(huán)境具有天然的免疫，如高溫、高寒、重壓及自然環(huán)境可以對人類的影響（蚊蟲叮咬、缺氧、劇毒等）等。此外由于世界可以的發(fā)展，武器及破壞裝置的出現(xiàn)，使人 員在戰(zhàn)爭、沖突等條件下生存幾率大大下降，付出的代價越來越大，由于機器人沒有心理因素的影響，并且自身并無生命特征，在此類條件下是最好的人員替代品。也因此有人將軍用及安防類機器人稱為是軍事及安防領(lǐng)域的新革命 [5]。 排爆機器人作為地面軍用機器人是較早一批進入實戰(zhàn)軍事領(lǐng)域的機器人之一，目前已經(jīng)在眾多國家軍隊中得到廣泛應(yīng)用，并且隨著恐怖主義襲擊、暴力事件的日益增多和破壞性的增強，排爆機器人也大量在安防部門中大量配置。在近些年的眾多局部現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，基于“零死亡”的作戰(zhàn)理想思想下，各發(fā)達國家都在戰(zhàn)場上大量使用機器人戰(zhàn)士 ，其中以美國排爆機器人的使用為主，例如美國大量的 Talon 型排爆機器人就在 2020 年參與了波斯尼亞地區(qū)的軍事行動，在此期間有效地降低了己方的人員傷亡 [6]。在更早一些的軍事學(xué)行動中，如英國上世紀(jì) 60 年代，用其研制的著名的排爆機器人“手推車”在英阿馬島上進行爆炸物清理，幾乎杜絕了人員傷亡事件在排爆部隊中的出現(xiàn)。不僅在戰(zhàn)場上排爆機器人得到了廣泛應(yīng)用，在近十幾年的社會活動安防領(lǐng)域上人們看到了其巨大的作用，例如德國的 MV494 型遙控排爆機器人及英國“手推車”改進型“土撥鼠”及“野牛”等大量投放在非洲及中東地區(qū)進行維 和行動 [7]。包括 2020 年的我國北京奧運會和 2020 年的廣州亞運會的哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 3 安保工作中都大量配備了排爆機器人，配合各類探測裝置，保證大型活動的安全。 由于政治、經(jīng)濟、宗教、民族等錯綜復(fù)雜的關(guān)系，國際及地區(qū)性恐怖主義已成為各國及地區(qū)政府最為頭疼的問題之一。例如印尼巴厘島爆炸事件、西班牙馬德里爆炸案、倫敦地鐵連環(huán)爆炸案、俄軍醫(yī)院爆炸事件、阿富汗恐怖爆炸活動等等都是影響全世界的惡性事件。據(jù)美國官方統(tǒng)計， 1968 年國際上的恐怖主義事件僅有 120 起，到 1984 年增至 652 起。 1983 年的 500 起恐怖活動中，由 262 起是爆炸 事件 [8]。尤其在最近 29 年，隨著世界經(jīng)濟的不穩(wěn)定發(fā)展及能源問題的出現(xiàn)，恐怖爆炸事件此起彼伏，除了傳統(tǒng)的恐怖活動集中地區(qū)，如中東、阿富汗、等遠東地區(qū)，美國、英國、日本、俄羅斯、南亞及我國等地區(qū)也接連不斷的發(fā)生惡性恐怖組織活動。隨著這些國家及地區(qū)性恐怖活動的增多，恐怖爆炸事件愈演愈烈，規(guī)模及破壞程度愈大。反恐已成為當(dāng)今世界各國政府最為關(guān)注和頭疼的安全問題之一 [9]。除了恐怖組織，在金錢、政治及變態(tài)心理的誘惑下，邪教等新興安全威脅也進入了爆炸事件的主要參與者行列。 排爆機器人將進一步進入大眾的視野及生活中，其也 將成為軍事及安防作戰(zhàn)裝備中一件利器，大量裝配。其研究及設(shè)計將成為熱點。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 排爆機器人，是排爆人員用于處置或銷毀爆炸可疑物的專用器材之一，可避免不必要的人員傷亡。已成為軍用及安防機器人家族中的特殊成成員，國際上英文將其命名為 EOD Robot（ Explosive ordnance disposal robot，即爆炸物處理機器人）。主要用于代替排爆人員搬運、轉(zhuǎn)移爆炸可疑物品及其它有害危險品；代替排爆人員使用爆炸物銷毀器銷毀炸彈；代替現(xiàn)場安檢人員實地勘察，實時傳輸現(xiàn)場圖像；可配備散彈槍等攻 擊性武器對犯罪分子、恐怖分子進行攻擊；可配備探測器材檢查危險場所及危險物品并且對可能危險環(huán)境及犯罪現(xiàn)場進行勘察 [10]。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 4 被稱為“無畏勇士”的排爆機器人屬于特種非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的地面移動機器人范圍內(nèi)，其研究較為復(fù)雜，所以其研究的開展主要集中在，科技發(fā)達國家中。其中以世界第一大國美國、傳統(tǒng)歐洲科技強國、中東武器研發(fā)強國以色列等研究成果最為突出，并且大多已形成相應(yīng)系列產(chǎn)品，投放實際應(yīng)用。 圖 英國“手推車（ Wheelbarrow）”爆炸物處理機器人 圖 英國“超級手 推車（ SuperWheelbarrow）”爆炸物處理機器人 英國可以說是最早開始研發(fā)排爆機器人的國家之一，早在上世紀(jì) 60 年代就推出了最為著名的“手推車”（ Wheelbarrow）和“超級手推車”（ Super Wheelbarrow）排爆機器人，見圖 和圖 ，直到 2020 年左右已經(jīng)累計對哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 全世界個國家銷售了 800 余臺。“超級手推車”是在“手推車”的基礎(chǔ)上在原有電視監(jiān)視器、引爆器、各類轉(zhuǎn)臂、夾具、鋼索等工具上，增加了電磁耦合器，并對后者結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化。該車重達 204kg，長 ，寬 ，最大高 度 ，最大速度 55m/min[11]。 圖 法國 TSR200 排爆機器人 由法國 Cyberics 公司研制并投放使用的較有名的排爆機器人 TRS200（黃蜂警戒車）排爆機器人，該機型已經(jīng)被法國國內(nèi)空軍、陸軍、警察署、機場等批量購買。法國還在小型排爆機器人上有所成就， Alsetex 公司研制的MC 800 型機器人，整機尺寸為長 108cm，寬 54cm，高 54cm，自重僅為 55kg，電量充足時可以連續(xù)工作 3h[12]。 美國 Northrop Grumman 的子公司 Remotec 公司的安德魯斯（ Andros）系列排爆機器人是最受各國青睞的系列產(chǎn)品，也是產(chǎn)品系列和型號較多，較完善的產(chǎn)品。其現(xiàn)有主要型號有 Andros F6A、 Wheelbarrow MK8 Plus II、Wheelbarrow Super M、 Andros Wolverine、 Swordfish and Marlin cutting systems等。 FosterMiller 公司在阿富汗戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭期間成為美國執(zhí)行排爆任務(wù)機器人最大的機器人供應(yīng)商，其最為成熟型號為 Talon 排爆機器人，其不但可以執(zhí)行排爆任務(wù)還 可以直接裝配搭載武器參與反恐作戰(zhàn)。是具有爆炸物處理、偵查、警戒、探測、威懾、防御、救援等功能性的綜合性排爆機器人，哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 36kg 的自重極其適合單兵攜帶，可以再全地形及全天候環(huán)境中進行作業(yè) [13]。美國現(xiàn)在還有很多大學(xué)參與排爆機器人的研發(fā)工作，其中以麻省理工大學(xué)機器人中心為核心，已經(jīng)發(fā)展出了全世界最為全面的軍警通用型機器人。 此外，國外排爆機器人產(chǎn)品頗多，還有加拿大 Pedsco 公司的 RM110 排爆機器人、德國 Telerod 公司的 MV494 排爆機器人、德國 Unimex Handels公司的 Minirob 排爆機器人、 英國 公司的 Defender 排爆機器人等，其中大部分已經(jīng)在實踐中經(jīng)受了嚴(yán)酷的考驗，證明了其卓越的技術(shù)水平，和廣泛的應(yīng)用范圍，并大量裝配到了軍警部隊和重要場所主管單位中。 在這些發(fā)達國家，排爆機器人產(chǎn)品進過幾十年的發(fā)展和實踐，其功能及技術(shù)對于現(xiàn)有需求已經(jīng)達到了較為完善的程度。排爆機器人已經(jīng)可以確切劃分的產(chǎn)品有三代，第一代產(chǎn)品為基于人工完全控制和協(xié)助的排爆機器人；第二代為具有視覺何感知系統(tǒng)，可進行信息處理的半自主排爆機器人；第三代為具有高度智能化的完全自主控制的排爆機器人。前兩代已經(jīng)實現(xiàn)，第三代產(chǎn)品是個國家正在積極研發(fā)的一代產(chǎn)品，其主要技術(shù)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、 AI 智能識別系統(tǒng)、多信息媒介通識性技術(shù)等 [14] [9]。并且隨著全球科技的發(fā)展，發(fā)展中國家也參與到了這類機器人的研發(fā)中，例如韓國、印度、新加坡等，在各類武器裝備展覽會中成為了搶眼的明星。在科技和軍事強國經(jīng)過多年的基礎(chǔ)研究和實戰(zhàn)經(jīng)驗，已經(jīng)已經(jīng)發(fā)展出系列化、規(guī)模化、模塊化、通用性、互換性的排爆機器人。使得排爆機器人拓展出適合不同任務(wù)的類別，大大縮短了研發(fā)時間，并且減少了投資額度。 相對于國外的研究成果，和實戰(zhàn)經(jīng)驗，國內(nèi)由于發(fā)展較晚，相應(yīng)的技術(shù)較國外 較為落后，但是通過近些年的科研攻關(guān)，已經(jīng)初具規(guī)模。一些科研院所與生產(chǎn)廠家的積極合作，已經(jīng)相繼研制出了一些產(chǎn)品系列，并投入國內(nèi)市場。 直到 2020 年我國才自行研制出第一代反恐防爆機器人“反恐一號”，是國家“十五” 863 計劃機器人技術(shù)主題的反恐防爆機器人唯一課題成果 [15]。由中國中科院沈陽自動化研究所所研制的“靈晰 B”排爆機器人，在第十屆哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 全運會期間初露頭角。由此型號衍變出來的一些特別型號例如“靈晰 HW”軍事系列。除此之外國內(nèi)較為成熟產(chǎn)品有北京中泰和上海交通大學(xué)機器人研究所研制的 SuperD 排爆機器人、北 京博創(chuàng)科技集團首臺自主知識產(chǎn)權(quán)反恐排爆機器人“ RaptorⅡ”、中國航天科工集團公司自主研制的“雪豹 10”排爆機器人、北京金吾宏德高科技有限公司研發(fā)的 JW901 及 JW902 排爆機器人等 [16]。其中不乏參加過多次中國人民解放軍軍事演習(xí)、北京奧運會等，已經(jīng)裝配到軍警系統(tǒng)中的優(yōu)秀機器人戰(zhàn)士 [17]。 圖 我國研制的“靈晰 B”及“靈晰 HW”爆炸物處理機器人 圖 北京博創(chuàng)科技集團首臺自主知識產(chǎn)權(quán)反恐排爆機器人“ RaptorⅡ” 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 與國外軍事和科技大 國相比，我國排爆機器人還處于嘗試階段，雖對其較有興趣，但基礎(chǔ)研究的投入不足，相關(guān)運動學(xué)理論、機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計等較為落后。并且研究機構(gòu)、生產(chǎn)廠家較少，沒有形成產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品過于單一，沒有形成系列，造成通用性較差。在已有產(chǎn)品中，小型化、多功能并且適合行軍攜帶型準(zhǔn)軍事排爆機器人一片空白，使得在軍事上的應(yīng)用較小。國內(nèi)對該類產(chǎn)品的研發(fā)應(yīng)該遵循多借鑒，厚鉆研的方式，吸收全球范圍內(nèi)的先進經(jīng)驗，消化吸收，積極投入到基礎(chǔ)研究中，將技術(shù)基礎(chǔ)打好，結(jié)合創(chuàng)新思路研發(fā)出具有高性能、自主知識產(chǎn)權(quán)，并且適合我國地理、氣候、使用習(xí)慣的廉價排爆機器 人 [18]。 研究意義和內(nèi)容 研究意義 多功能、小型化、模塊化排爆機器人將成為排爆機器人本體的發(fā)展方向[19]。單一地對研發(fā)每一個機器人，為了實現(xiàn)功能獨立設(shè)計，會造成其通用性的缺失，不易于產(chǎn)品的升級及改造，而且會大大增加不必要的人力、資金和時間的耗費，所以多功能和模塊化將成為研發(fā)過程中的重要要求?，F(xiàn)代戰(zhàn)場將向巷戰(zhàn)方向發(fā)展，而且恐怖爆炸事件等也多發(fā)在城市間，單兵可攜帶、小型化排爆機器人是必然趨勢，可以最大程度上節(jié)省從接受任務(wù)到事發(fā)現(xiàn)場的時間，同時還可以提高其靈活性。 設(shè)計一種通用可攜帶小型 移動平臺，搭載各類可更換的組部件，實現(xiàn)不同功能，針對排爆機器人包括機械手臂、武器平臺等組部件，以實現(xiàn)爆炸可疑物的檢查、拆除和武力攻擊等能力。這類研發(fā)將對國防現(xiàn)代化具有推進意義，也對機器人研究具有深遠意義。 研究內(nèi)容 本文對基于小型化和多功能的排爆機器人本體進行了分析和設(shè)計，該機器人是基于一種小型化多環(huán)境適應(yīng)移動平臺為載體的多功能排爆機器人，可哈爾濱工程大學(xué)本科生