論設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)器人對(duì)于救援的重要性

摘 要：隨著人類(lèi)科學(xué)技術(shù)的飛速的發(fā)展，許許多多的新興科學(xué)來(lái)到了人們的視野之中。其中，機(jī)器人學(xué)就是這么一種學(xué)科。在工業(yè)，救援，運(yùn)輸，醫(yī)療等多種方面他都有著十分重要的運(yùn)用。移動(dòng)機(jī)器人的分類(lèi)有許多，無(wú)人機(jī)器的應(yīng)用發(fā)展是目前機(jī)器人領(lǐng)域的重點(diǎn)之一，而無(wú)人機(jī)器在人力無(wú)法到達(dá)的搜救領(lǐng)域?qū)?lái)會(huì)起到非常重要的作用。本文是對(duì)目前陸地上（主要是地震災(zāi)難）的搜救設(shè)備進(jìn)行闡述和設(shè)想。

關(guān)鍵詞：無(wú)人搜救機(jī)器設(shè)備；地震；熱像探索技術(shù)；機(jī)械力結(jié)構(gòu)

1 概述

世界各地每年都遭受著無(wú)數(shù)自然或人為災(zāi)害的破壞。災(zāi)后最緊急的事情就 是搜救那些困在廢墟中的幸存者。然而，錯(cuò)綜復(fù)雜，險(xiǎn)象環(huán)生，情況不定的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)給救援人員及幸存者帶來(lái)巨大的威脅阻礙救援工作快速有效地進(jìn)行。目前搜救主要是以人力為主，機(jī)動(dòng)性不高，救援進(jìn)度慢，復(fù)雜性地區(qū)人力難及。以下文章將對(duì)陸地的救援分開(kāi)論述。

2 參考信息綜述

2.1 國(guó)內(nèi)近年的地震案例

北京時(shí)間2008年5月12日14時(shí)27分59.5秒，四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣發(fā)生里氏8.0級(jí)地震，地震造成69227人遇難，374643人受傷，17923人失蹤。

北京時(shí)間2013年4月20日8時(shí)02分四川省雅安市蘆山縣發(fā)生里氏7.0級(jí)地震，地震共計(jì)造成196人死亡，失蹤21人，11470人受傷。

2.2 災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)影響搜救工作的主要因素

世界各地每年都遭受著無(wú)數(shù)自然或人為災(zāi)害的破壞。災(zāi)后最緊急的事情就 是搜救那些困在廢墟中的幸存者。然而，錯(cuò)綜復(fù)雜，險(xiǎn)象環(huán)生，情況不定的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)給救援人員及幸存者帶來(lái)巨大的威脅阻礙救援工作快速有效地進(jìn)行。主要影響：1）空間限制。2）結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。3）危險(xiǎn)物質(zhì)和大火。這些危險(xiǎn)因素給災(zāi)害救援工作帶來(lái)了極大的阻礙，常常使救援付出沉重的代價(jià)。美國(guó)緊急救援辦公室的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，從搜尋到營(yíng)救1名幸存者平均需要10個(gè)救援人員花費(fèi)4個(gè)小時(shí)的時(shí)間，甚至更多。

2.3 設(shè)計(jì)要求

（1）機(jī)械設(shè)計(jì)。根據(jù)使用要求對(duì)機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、力和能量的傳遞方式、各個(gè)零件的材料和形狀尺寸、潤(rùn)滑方法等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計(jì)算并將其轉(zhuǎn)化為具體的描述以作為制造依據(jù)的工作過(guò)程。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按照產(chǎn)品定位的要求，在對(duì)現(xiàn)實(shí)需求及現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行功能調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，對(duì)所定位產(chǎn)品應(yīng)具備的目標(biāo)功能系統(tǒng)進(jìn)行概念性構(gòu)建的創(chuàng)造。利用仿生原理，結(jié)合蜘蛛的形態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人的基本形體結(jié)構(gòu)。

（3）功能設(shè)計(jì)。功能設(shè)計(jì)的任務(wù)是在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)所確定的原理方案，設(shè)計(jì)搜救功能在機(jī)器人的基本構(gòu)圖上，以體現(xiàn)任務(wù)所要求的熱成像功能以及定位信號(hào)傳輸功能。

（4）行走設(shè)計(jì)。1）行走設(shè)計(jì)是大型機(jī)械整機(jī)的支承件，用來(lái)支承整機(jī)的重量，承受機(jī)構(gòu)在作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生作用力，并完成整機(jī)行進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)移和作業(yè)移動(dòng)。2）履帶式輸送車(chē)設(shè)計(jì)，可以將無(wú)人搜救設(shè)備“子母”功能化，可以快速適應(yīng)災(zāi)區(qū)的地形，到達(dá)指定的大范圍區(qū)域后，放下“蜘蛛型”機(jī)器人，進(jìn)入第二階段的工作任務(wù)。

3 蜘蛛機(jī)器人設(shè)計(jì)思路與過(guò)程

3.1 設(shè)計(jì)理念

設(shè)計(jì)研究災(zāi)難搜救行動(dòng)，通過(guò)母機(jī)履帶車(chē)第一時(shí)間空投至災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)，子機(jī)六腳搜尋機(jī)器人進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部進(jìn)行更為深入的探測(cè)，獲取全面準(zhǔn)確的信息，通過(guò)對(duì)幸存者地理位置的標(biāo)識(shí)，進(jìn)行直到搜救。這是一種更為有效的災(zāi)難搜救方式。為搜救爭(zhēng)取更多的時(shí)間，避免盲目的挖掘，導(dǎo)致對(duì)人力物力的浪費(fèi)。節(jié)約時(shí)間和資源的同時(shí)，可以更大更好地提供當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境信息，供給將要進(jìn)入的搜救隊(duì)參考，避免余震等地質(zhì)傷害發(fā)生時(shí)的災(zāi)難。

3.2 基本形態(tài)

考慮到步行移動(dòng)方式的全面性，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)頭腦風(fēng)暴，想到了昆蟲(chóng)。以蜘蛛為例，構(gòu)想出一款“六腳蜘蛛俠”，“蜘蛛能在各種崎嶇地形上爬行，蜘蛛八腳，而無(wú)人式搜救機(jī)器人的行走方式六只腳就足夠了?？紤]到機(jī)器人的體型較小，能源動(dòng)力提供不足，意味著機(jī)器人的活動(dòng)空間是受到限制的，所以可以設(shè)計(jì)“子母式”結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一款履帶車(chē)，可以更好地將搜救機(jī)器人推進(jìn)入災(zāi)難的發(fā)生地。

災(zāi)難發(fā)生時(shí)，道路基本中斷，所以采用整體打包空投的模式，履帶車(chē)的體積不是很大，直升機(jī)或者運(yùn)輸機(jī)可以攜帶多臺(tái)“綜合”的救援車(chē)，到達(dá)指定區(qū)域后，利用降落傘，將設(shè)備空投出去，落地后動(dòng)力開(kāi)始工作，履帶車(chē)可利用終端的平臺(tái)集體操控行走，發(fā)現(xiàn)生命體征后，放置小型“蜘蛛”式機(jī)器人，機(jī)器人可以進(jìn)入到廢墟的空間內(nèi)，立體掃描結(jié)構(gòu)成像，熱源跟蹤標(biāo)注被困人員的坐標(biāo)。上傳給履帶車(chē)，再中轉(zhuǎn)回終端的控制平臺(tái)，記錄生成后，搜救隊(duì)可以利用掌上信息交互平臺(tái)得到相應(yīng)的信息。這樣可以保證信息的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

3.3 結(jié)構(gòu)關(guān)系

通過(guò)動(dòng)物仿生學(xué)，足是昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)器官。昆蟲(chóng)有3對(duì)足，我們相應(yīng)地稱(chēng)為前足、中足和后足。每個(gè)足由基節(jié)、轉(zhuǎn)節(jié)、腿節(jié)、脛節(jié)、跗節(jié)和前跗節(jié)幾部分組成。蜘蛛搜索機(jī)器人的足關(guān)節(jié)通過(guò)牽引裝置連接，可以如同蜘蛛一般自由移動(dòng)。

4 遇險(xiǎn)的表現(xiàn)

當(dāng)機(jī)器人遇到多次崩塌現(xiàn)象，尤其是余震發(fā)生的時(shí)候，“蜘蛛”可以將6只“腳”蜷縮在身體兩側(cè)，形成“餅”狀具有較強(qiáng)的抗壓性。如果被砸斷或者卡住其中1～2只“腳”可采用“壁虎斷尾”的效果，舍棄廢棄的腳，變成4～5足行進(jìn)，不多于2只的情況下，依然可以工作行走。當(dāng)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)周邊有生命體征之后，會(huì)像大頭針一樣停留在原地，只是發(fā)送信號(hào)和圖像，這樣可以節(jié)省更多的電力，支持到后續(xù)救援到達(dá)。

5 總結(jié)

綜合災(zāi)難的發(fā)生過(guò)程，設(shè)計(jì)一款無(wú)人的救援機(jī)器，可以節(jié)省人力和達(dá)到快速救援的目的。這樣可以更加安全，減少余震多搜救人員造成再次傷害。熱成像原理可以將需要救援的人員標(biāo)注在地形圖中，甚至更加詳細(xì)的提供當(dāng)前的地質(zhì)和建筑廢墟構(gòu)造，解決如何下手救援的盲目性，更有效和快速的救援，可以減少災(zāi)難后死亡的人數(shù)，讓更多的人生存下來(lái)。后階段的設(shè)計(jì)可以考慮攜帶救生設(shè)備，這樣可以使廢墟中的人員有給養(yǎng)，延長(zhǎng)救援時(shí)間。

作者簡(jiǎn)介：李慶君（1982—），男，遼寧蓋州人，碩士，無(wú)錫太湖學(xué)院助教，主要研究方向：產(chǎn)品設(shè)計(jì)類(lèi)。