国外典型核化侦察机器人探析

2016-01-31邵晟宇曹树亚杨柳

机器人技术与应用 2015年1期

关键词：机器人应用

邵晟宇曹树亚杨柳

（防化研究院，北京，102205）

国外典型核化侦察机器人探析

邵晟宇曹树亚杨柳

（防化研究院，北京，102205）

摘要本文摘选5款国外典型的核化侦察机器人技术信息，研讨地面无人平台结构参数、上装任务载荷、应用情况等，以期为更系统全面地掌握该类侦察机器人发展动态提供直接的数据支撑。

关键词：机器人，核化侦察，应用

核化侦察机器人是指无人驾驶的、依靠自主导航或者遥控操作，装载各种核化报警设备和其余辅助设备，能够独立执行核沾染、化学染毒等侦察任务的地面自动车辆。近年来，核化侦察机器人受到各国的高度重视，经费投资大幅增加，装备数量持续增长，任务领域进一步扩展，并且其军事效能在伊拉克和阿富汗战争中得到充分体现，取得了丰富的实战经验和技术优势。以下列出国外典型的5款核化侦察机器人加以详细介绍。

1　Talon有害物质探测机器人（Talon® HazMat）

Talon有害物质探测机器人是美国Foster Miller公司生产的Talon机器人家族系列产品之一，具有重量轻、坚固、快速、承载能力强等优点，其平台可以兼容相关的电子硬件、武器和传感器阵列。

Talon® HazMat机器人在机械臂折叠时高约42.7cm，机械臂展开时高130cm，宽57cm，长86.4cm，机械臂向下可探至底盘以下60cm。整个系统质量根据不同任务配置约在52kg-71kg之间，有效载荷达45kg，牵引质量高达680kg。在行进速度方面，该机器人时速达到了8.3km/h，能够跟上步兵机动速度，它还可以攀爬43°的斜坡，并可在40cm厚的积雪中正常行驶。Talon® HazMat机器人的动力由模块化锂电池提供，电池输出36V，电能容量750W.h，可持续使用4.5h。

任务载荷方面：爆炸物处理时，Talon® HazMat机器人利用自身携带3套具有自动数字变焦功能的视频传感器，既使在黑暗环境中从较远距离也可以观察爆炸物细节信息，通过多自由度机械手臂的夹钳将爆炸物的引信或雷管拧断，并把爆炸物运走。核化侦察作业时，通过上装的Smiths APD2000化学毒剂探测器和联合化学战剂检测器（JCAD）能够检测常规的化学毒剂，检测时间不大于30s；通过上装的Canberra AN/UDR-13辐射监测仪可探测γ剂量率和β表面活度。在污染事故现场检测时，通过平台配置的MultiRAE气体探测仪可检测工业有毒有害气体，如CO、H2S、SO2、NO、NH3等；同时该机器人机械臂夹钳上固定的FirstDefender拉曼化学物质鉴定仪也可以在现场对炸药、有毒工业化学品、毒品等在内的未知固体、液体进行快速识别鉴定。[1]

2004年，美军首次在驻阿富汗部队中装备Talon® HazMat机器人，主要实施战场侦察及致命化学物质、放射性物质的探测任务，目前它在伊拉克和阿富汗战场已经完成了2万多次任务。Talon® HazMat机器人及其任务载荷平台如图1所示。

图1　Talon有害物质探测机器人及其任务载荷平台

2　化生放核无人地面车辆（CUGV）

美国国防部高级研究计划局组织的化学、生物、放射性、核（Chemical Biological Radiological and Nuclear，CBRN，简

称“化生放核”）地面无人侦察技术演示项目旨在解决在有限到达区域、受限地带和城市军事作战行动中实施表面或点源CBRN侦察的探测能力缺陷。此项目的第一目标是运用紫外激光拉曼光谱检测技术研制出能够机动探测、识别表面液态、固态化学毒剂的联合污染表面探测器（JCSD）；第二目标则是将JCSD集成到地面无人平台上，重点从人控侦察车装备转向无人平台，此称之为CBRN无人地面车辆（CUGV）。检测人员可以安全停留在侦察车等集防系统内，指挥CUGV对有限空间实施无人化生放核侦察，这提高了地面侦察和敏感地点评估方面的实施能力，同时使人员远离潜在危险环境。[2]

CBRN无人地面车辆最终选用了美国iRobot公司研制的Packbot 510机器人作为地面无人平台。“Packbot”意指“背包机器人”，是一种小型便携式地面无人车辆，是世界上经受考验最多、最成功的机器人之一，其最新型510的HazMat功能机器人是专门针对有毒有害物质探测而研发的，如图2所示。Packbot 510主体结构采用履带式底盘，并带有两节可拆卸式前置履带，这对提高底盘的越障能力、增大主履带的拖拽力都很有帮助；动力系统为小型静音电动马达，车载电池模块为两块镍铬可充电电池，位于履带间的空隙处，连续使用时间为6小时。Packbot 510安装了CHARS传感器组，即“化学武器、危险气体及放射性传感器组”，它分别由LCD-3.2个人化学检测器、MultiRAE危险气体探测仪和AN/UDR-14放射性传感器组成，配置安装在机械臂上用以核、生、化危险物质的侦测和可疑物品的搜寻。[3]

图2　iRobot Packbot 510地面无人车辆

2007年4月，美国陆军太平洋司令部对CUGV进行了联合军用评估，得到一致认可，2009年开始装备美军。

3　Andros F6A型机器人

Andros机器人家族享誉世界，它们由美国Northrop Grumman Remotec公司研制，主要用于执行爆炸物处理、核化危险物质探测、侦察监测等任务。[4]

F6A型属于Andros机器人系列的小型版，是机器人业界最通用的平台。F6A机器人的速度最快可达5.6km/h，体积为132cm×44.5cm×112cm，重159kg，其机械臂完全伸长可达142cm，且前方手抓能做360°连续旋转，张开幅度达30cm。F6A型机器人驱动采用连接式移动履带，能够跨越常见障碍、崎岖路面以及上下45°斜坡。

F6A机器人可携带各种操作任务载荷，包括4部摄像机（武器摄像机、检测炸弹摄像机、移动摄像机、后杆摄像机）、昼夜瞄准具、微光夜视仪、核化探测器、可疑物品采样器、霰弹枪、催泪弹发射支架、卫星定位系统等先进设备。机器人载荷均采用模块化设计，可以方便地在机器人主机上增加各种配件，特别是放射性、化学物品探测组件与机械手上的快速拆装支架相连，能够检测多种常见的化学战剂。[5]

到目前为止，已经有超过1000个F6A型Andros机器人被广泛应用于美国陆军、海军、空军、海军陆战队、美国联邦调查局及许多地区的警局和行政司法部门，2008年的北京奥运会上我国使用了F6A型Andros机器人，圆满完成安全、保卫的工作，如图3所示。

图3　Andros F6A型机器人

4　Matilda机器人

Matilda机器人，全称为梅瑟联盟战术综合轻装部署组件，是由梅瑟联盟建造的价格低于25000美元的侦察机器人，如图4所示。该机器人能执行各种遥控任务，包括防爆处置、后勤补给、战术侦察、道路清除、监视以及核化探测等。

Matilda机器人梯形车身前高后低，平台尺寸76cm× 53cm×30cm，两侧有履带驱动，包括光滑履带、多用途履带、冰雪用履带三种，平台兼容装备“城市勇士模块”（用于障碍物清除）和“侦察模块”（用于侦察监视），随车还可配备爆炸物传感器、核生化探测仪、机械手臂、

摄像机、红外照明系统和光纤控制器等工作设备。

Matilda机器人总重约28kg，可以由1-2人携带，也可以装进汽车的后备箱中。该机器人负载能力很强，可以拖动单个受伤士兵。可供选择的附件包括一辆载重180kg的小型四轮拖车、一个操作臂以及一套遥控可分离的突破用机械装置，如图5所示。其中，小型四轮拖车能负重70kg，突破用机械装置用于将爆炸载荷附加到门或墙上。

图4　Matilda机器人

Matilda机器人最大行进速度为1m/s，一次连续行驶可达4～6个小时。机器人平台的轮子和底盘可以拆卸，便于运输，即使履带损毁，操控人员可以在5分钟之内实现快速换装，同时也可以在1分钟内增加或卸下包括核生化传感器组件在内的有效载荷。平台上听觉和视觉传感器的有效探测范围在270m左右，连续运行时间2小时，能够单独完成监视侦察任务或是直接参与战斗。

据悉，至今大约有50套Matilda机器人已经交付给美国陆军，美国防部反恐技术办公室为其空军订购了20 套Matilda机器人系统，维吉尼亚州警察局也采购了这种系统，主要用于远距离侦察、检查、评估和取样。Matilda机器人在战场上的成功表现，使人们对地面无人系统的信任与日俱增，并转化为对军用侦察机器人的更大需求。[6]

图5　MATILDA机器人可牵引四轮拖车

5　Oscar NBC无人地面车辆

探测核化物质的机器人通常大而笨拙，而德国Telerob公司研发的Oscar NBC地面无人车辆却是例外，其紧凑的体积足以装进各种车辆，甚至可以通过飞机机舱的通道。如图6所示，该机器人全伸展长度达260cm，重70kg，可编程机械手能吊起重达5kg的货物，且自带工具中心点控制功能。在其机械臂上携带一个完整的工具包来探测化学、生物和放射性危害物质，其灵巧程度可使用镊子、棉签、勺子和其他设备来收集样品，并储存在随机器人携带的5个样品罐里。另外，整合在一起的12个核化传感器能直接将检测数据发送到操控终端。Oscar NBC地面无人车辆另一个主要的特性是装载了斜面传感器系统，保证它在遇到斜坡或不平整的表面时能够保持平衡，成为一个稳定的检测平台。[7]