基于廢墟結(jié)構(gòu)特征的災(zāi)后救援機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

孟凱寧，舒畇溦，杜成群

基于廢墟結(jié)構(gòu)特征的災(zāi)后救援機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

孟凱寧1，舒畇溦1，杜成群2

（1.西華大學(xué)，成都 610039；2.蒲江縣中德中小企業(yè)合作區(qū)，成都 611633）

針對(duì)地震災(zāi)后廢墟結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行調(diào)研和分析，提出一種能夠在復(fù)雜廢墟結(jié)構(gòu)中高效工作的救援機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。首先通過(guò)對(duì)廢墟的類型、結(jié)構(gòu)特征、受力情況、內(nèi)部空間等因素進(jìn)行調(diào)研分析，提出對(duì)應(yīng)的救援策略與廢墟結(jié)構(gòu)安全評(píng)估法則，總結(jié)現(xiàn)有設(shè)備在復(fù)雜廢墟結(jié)構(gòu)中存在的問(wèn)題，以此構(gòu)建災(zāi)后救援機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)要素；再通過(guò)TRIZ理論建立救援設(shè)備功能模型圖并確定技術(shù)矛盾；最后結(jié)合阿奇舒勒矩陣得出數(shù)條發(fā)明原理，利用創(chuàng)新設(shè)計(jì)要素對(duì)其依次進(jìn)行評(píng)估并篩選出需要利用的創(chuàng)新原理，以指導(dǎo)救援機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)。針對(duì)災(zāi)后廢墟結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究分析，能夠有效指導(dǎo)救援類產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并為相關(guān)研究提供參考。

工業(yè)設(shè)計(jì)；廢墟結(jié)構(gòu)特征；救援策略；TRIZ-阿奇舒勒矩陣；彈跳跨障；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地震、泥石流、塌方等自然災(zāi)害長(zhǎng)期以來(lái)在我國(guó)頻頻發(fā)生，根據(jù)國(guó)際救援組織在近年救援行動(dòng)中得到的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，死亡的受害者中有七成是災(zāi)害直接導(dǎo)致的，其余三成是由于沒有及時(shí)救援而導(dǎo)致的[1]。由于災(zāi)后地區(qū)內(nèi)部的坍塌物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在災(zāi)后救援中，存在許多風(fēng)險(xiǎn)因素，例如坍塌物的再度坍塌、輻射、核泄漏等，對(duì)于救援人員的心理、體力都存在極大干擾[2]。人們逐漸意識(shí)到災(zāi)后救援的重要性，紛紛對(duì)災(zāi)后救援進(jìn)行研究，并試著追求地震救援設(shè)備的突破與創(chuàng)新[3-4]。已有學(xué)者通過(guò)學(xué)習(xí)災(zāi)后救援知識(shí)并運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，比如賀娜[5]利用運(yùn)動(dòng)仿真和靜態(tài)學(xué)模擬中的螺旋與轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，提出的一款頂撐式救援機(jī)器人設(shè)計(jì)；盧孔寶等[6]運(yùn)用機(jī)械臂的多關(guān)節(jié)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，對(duì)救援機(jī)器人進(jìn)行優(yōu)化；顧鵬[7]利用機(jī)器人自適應(yīng)變形履帶，設(shè)計(jì)了一款地震信息采集機(jī)器人。此類研究均取得了良好的效果，但大部分救援設(shè)備體積較大且采用輪動(dòng)式，無(wú)法切實(shí)適用于災(zāi)后復(fù)雜的廢墟環(huán)境。本研究從災(zāi)后廢墟復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行調(diào)研分析與評(píng)估，以此優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)備，提高救援效率。

1 研究背景

1.1 災(zāi)后救援的重要性

地震災(zāi)害的發(fā)生不僅對(duì)居民生活環(huán)境造成破壞，同時(shí)也帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡，災(zāi)后搶救至關(guān)重要，受困者的生存率會(huì)隨著救援時(shí)間的增加而降低；而面對(duì)復(fù)雜的廢墟結(jié)構(gòu)，如何使用智能救援設(shè)備快速且安全地進(jìn)入震區(qū)內(nèi)部進(jìn)行生命探索，防止對(duì)傷員造成二次傷害，在增加救援效率的同時(shí)保證救援人員的安全性，成為了解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

1.2 現(xiàn)有智能救援產(chǎn)品分析

智能救援設(shè)備在現(xiàn)有市場(chǎng)中主要被劃分為進(jìn)行生命痕跡探索的手持儀器和輪動(dòng)式小型裝備、進(jìn)行醫(yī)療運(yùn)輸和災(zāi)區(qū)解剖的大型裝備、用于勘測(cè)地形的飛行設(shè)備或地貌勘測(cè)設(shè)備，以及一些特殊設(shè)備，例如輔助進(jìn)行生命探測(cè)的仿生機(jī)器人、測(cè)距與圖像感知設(shè)備、二氧化碳濃度檢測(cè)設(shè)備、探測(cè)呼吸與體溫的機(jī)器。從功能、優(yōu)點(diǎn)、不足等方面對(duì)現(xiàn)有災(zāi)后救援產(chǎn)品展開分析，具體見表1。

表1 現(xiàn)有智能救援產(chǎn)品分析

Tab.1 Analysis of existing smart rescue products

2 廢墟結(jié)構(gòu)特征調(diào)研分析

2.1 典型廢墟的結(jié)構(gòu)與生存空間特點(diǎn)

在地震災(zāi)害中，大量建筑物的坍塌是造成人員傷亡的主要因素，而災(zāi)后廢墟時(shí)常伴隨著二次災(zāi)害與二次坍塌，例如供電系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)的破壞會(huì)導(dǎo)致觸電、爆炸、火災(zāi)、水災(zāi)、放射性氣體泛濫等災(zāi)害發(fā)生；因此，廢墟結(jié)構(gòu)狀態(tài)會(huì)對(duì)設(shè)備工作、人員安全狀態(tài)產(chǎn)生極大影響，不同的廢墟結(jié)構(gòu)特征需要采取不同的救援方案，利用智能救援設(shè)備提高救援效率，離不開對(duì)地震廢墟結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行系統(tǒng)性的調(diào)研分析。

通過(guò)實(shí)地考察青川地震遺址公園、映秀地震遺址和文獻(xiàn)資料收集[8-10]，可利用建筑物整體坍塌程度將廢墟類型劃分為局部坍塌、薄弱層坍塌、完全坍塌、傾斜型四類：

1）局部坍塌。建筑物橫向或縱向的部分結(jié)構(gòu)單元受到破壞，與其余物件形成部分支撐關(guān)系，容易對(duì)其余單元造成變形和破壞，穩(wěn)定性較差，容易二次坍塌，但內(nèi)部生存空間較多。

2）薄弱層坍塌。建筑物底層、中間層或頂層的核心結(jié)構(gòu)受到破壞，坍塌不徹底易造成二次坍塌，穩(wěn)定較高且生存空間較多。

3）完全坍塌。建筑物縱向構(gòu)件幾乎全部受到破壞，各層橫向部件疊合，生存空間少，但穩(wěn)定性高，二次坍塌的可能性較低。

4）傾斜型。建筑物部分橫向、縱向的部分結(jié)構(gòu)單元受到拉扯或破壞而變形，導(dǎo)致地基受重不均，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定且生存空間較多。

從物件坍塌方式、結(jié)構(gòu)特征、受力方式、生存空間特點(diǎn)等方面進(jìn)行研究分析后，可對(duì)建筑物的坍塌類型繼續(xù)細(xì)分，例如A字坍塌、V字坍塌等，并繪制出每種坍塌類型特征圖，具體見表2。

表2 廢墟結(jié)構(gòu)特征分析

Tab.2 Analysis of the structural characteristics of the ruins

2.2 不同廢墟結(jié)構(gòu)的救援策略

通過(guò)對(duì)各類典型廢墟結(jié)構(gòu)的特征與生存空間的分析，總結(jié)得出不同廢墟類型對(duì)應(yīng)的救援策略，具體見表3。

2.3 廢墟結(jié)構(gòu)安全評(píng)估法則

應(yīng)急救援的安全評(píng)估工作尤其重要，目前大多是依靠專家經(jīng)驗(yàn)，但這種方式主觀性較強(qiáng)；通過(guò)上述分析，并從《GB18208.2-2001地震現(xiàn)場(chǎng)工作第二部分：建筑物安全鑒定》中提取相關(guān)知識(shí)，可對(duì)救援安全有影響的因素進(jìn)行總結(jié)，利用影響因子數(shù)值建立廢墟結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的評(píng)估準(zhǔn)則，具體見表4。

通過(guò)對(duì)廢墟結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算影響因子總和得出安全指數(shù)，將救援安全性分為三個(gè)等級(jí)，各等級(jí)對(duì)應(yīng)的廢墟結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)見表5；安全指數(shù)越大，廢墟結(jié)構(gòu)越危險(xiǎn)。通過(guò)該評(píng)估方法有效衡量廢墟狀態(tài)，有利于迅速采取相對(duì)應(yīng)的應(yīng)急救援措施與防范措施，提高救援效率。

表3 不同廢墟結(jié)構(gòu)下的救援策略

Tab.3 Rescue strategies under different ruin structures

表4 廢墟結(jié)構(gòu)安全等級(jí)評(píng)估表

Tab.4 Ruin structure safety rating form

表5 廢墟結(jié)構(gòu)安全等級(jí)判定表

Tab.5 Ruin structure safety level judgment table

2.4 現(xiàn)有救援設(shè)備在復(fù)雜廢墟中工作面臨的問(wèn)題

基于上述廢墟結(jié)構(gòu)特征的調(diào)研分析，當(dāng)廢墟結(jié)構(gòu)安全等級(jí)≥2且安全指數(shù)>4.3時(shí)，面臨廢墟內(nèi)部的A形坍塌、V形坍塌，懸臂坍塌、支撐坍塌等復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，利用智能設(shè)備進(jìn)行災(zāi)后應(yīng)急救援中主要存在以下問(wèn)題：

1）大型設(shè)備機(jī)動(dòng)性差。廢墟內(nèi)各受損物件受力不均衡、內(nèi)部環(huán)境參差不齊；例如在懸臂、支撐坍塌的廢墟結(jié)構(gòu)下，如地形勘測(cè)設(shè)備、生命探測(cè)設(shè)備、醫(yī)療運(yùn)輸設(shè)備、災(zāi)區(qū)解剖設(shè)備等無(wú)法快速、安全地進(jìn)入廢墟內(nèi)部進(jìn)行工作，且在復(fù)雜廢墟中工作范圍小，部分大型智能設(shè)備易損壞且只能依靠飛機(jī)協(xié)助進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，因此降低了救援效率。

2）小型設(shè)備功能單一。如手持類生命探測(cè)儀、液壓鉗、毒氣探測(cè)儀等小型設(shè)備人工配合需求性高、功能單一，人無(wú)法進(jìn)入的狹小空間設(shè)備也無(wú)法工作，這會(huì)給救援人員造成負(fù)擔(dān)，降低救援效率。

3）搜救人員可攜帶重量有限。高低錯(cuò)落的廢墟結(jié)構(gòu)需要大量的救援設(shè)備投入工作，但人體可承受的重量有限，為防止被建筑物件的二次坍塌所困，救援人員會(huì)盡量輕裝上陣，只攜帶一些必要工具，減少自身體力消耗，增加自由移動(dòng)速率，但攜帶少量的救援設(shè)備會(huì)造成無(wú)法準(zhǔn)確定位受困人員、建筑物件解剖緩慢等后果，從而降低救援效率。

4）無(wú)法保證搜救安全性。當(dāng)救援人員在廢墟縫隙、內(nèi)部進(jìn)行救援時(shí)，災(zāi)區(qū)受到突發(fā)性余震影響及物件損壞會(huì)二次坍塌，而現(xiàn)有針對(duì)此情況的防護(hù)類設(shè)備較少，無(wú)法保證救援人員和受困人員的安全性。

2.5 救援機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)要素構(gòu)建

針對(duì)以上四個(gè)主要問(wèn)題構(gòu)建出廢墟結(jié)構(gòu)特征下的救援機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)要素：

1）全地形適應(yīng)性。針對(duì)大型設(shè)備在復(fù)雜廢墟結(jié)構(gòu)中機(jī)動(dòng)性差的問(wèn)題，設(shè)備能否迅速進(jìn)入廢墟內(nèi)部、適應(yīng)并通過(guò)全地形極其重要，其中設(shè)備的體積大小與行進(jìn)裝置是關(guān)鍵。行進(jìn)裝置主要分為履帶裝置和輪胎裝置兩種，前者通過(guò)能力、負(fù)重性、爬坡能力強(qiáng)，但行駛速度慢、重量大、減震性差、對(duì)地面穩(wěn)定程度要求高；后者速度快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、減震性好，但負(fù)重性差；裝置的具體選擇需要根據(jù)具體用途和場(chǎng)地確定。

2）功能多樣性。針對(duì)小型設(shè)備在復(fù)雜廢墟結(jié)構(gòu)中功能單一的問(wèn)題，救援機(jī)器人應(yīng)具備多功能，但并非簡(jiǎn)單地進(jìn)行功能疊加，而是工具、結(jié)構(gòu)、功能的分析整合與創(chuàng)新。

3）機(jī)身輕量性。針對(duì)救援人員在復(fù)雜廢墟結(jié)構(gòu)中可攜帶重量有限的問(wèn)題，提出設(shè)備輕量化設(shè)計(jì)原則。質(zhì)量較大的救援機(jī)器人無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜的廢墟環(huán)境，同時(shí)容易引發(fā)二次坍塌，輕量化設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)在于消耗低、續(xù)航強(qiáng)、能給救援人員減輕負(fù)擔(dān)；其中材料是關(guān)鍵，例如高強(qiáng)度鋼鐵、鋁合金、碳纖維、玻璃纖維、橡膠等新材料可以滿足設(shè)備的輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)保證設(shè)備的堅(jiān)固性。

4）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。針對(duì)救援人員的安全性問(wèn)題，設(shè)備穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)是避免二次坍塌的重要因素。穩(wěn)定且輕巧的設(shè)備結(jié)構(gòu)可以使產(chǎn)品在正常工作的過(guò)程中盡量不對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，保證廢墟內(nèi)部的人員安全。

3 利用TRIZ理論確定救援機(jī)器人創(chuàng)新原理

3.1 TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型與功能組件分析

本研究通過(guò)整合上述創(chuàng)新設(shè)計(jì)要素，并結(jié)合TRIZ理論來(lái)確定產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理。大概過(guò)程為：首先針對(duì)上述復(fù)雜廢墟中存在的問(wèn)題，選用生命探測(cè)類智能救援機(jī)器人作為設(shè)計(jì)對(duì)象，利用功能模型圖對(duì)救援設(shè)備中各組件的交互關(guān)系進(jìn)行分析，確定技術(shù)矛盾并得出數(shù)條發(fā)明原理[11]，再利用創(chuàng)新設(shè)計(jì)要素對(duì)發(fā)明原理進(jìn)行評(píng)估與篩選，最后得出創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型見圖1。

現(xiàn)有生命探測(cè)類智能救援設(shè)備的主要問(wèn)題是：能夠應(yīng)用紅外探測(cè)、雷達(dá)探測(cè)技術(shù)有效檢測(cè)生命痕跡，但復(fù)雜的廢墟內(nèi)部結(jié)構(gòu)、較大程度的人工輔助、功能單一且機(jī)動(dòng)性差、在廢墟內(nèi)部高度錯(cuò)落的環(huán)境下易損壞，這一系列的問(wèn)題會(huì)阻礙救援工作，降低救援效率。功能組件分析是針對(duì)產(chǎn)品功能組件進(jìn)行的一種系統(tǒng)性分析過(guò)程，該方法原理為將產(chǎn)品的功能組件拆分為獨(dú)立單元，分析組件之間的交互作用[12]，并從中找到技術(shù)矛盾與解決問(wèn)題的切入點(diǎn)。生命探測(cè)救援設(shè)備的功能組件被分為超系統(tǒng)組件、系統(tǒng)組件等元素，其功能模型圖見圖2。

圖1 TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型

圖2 救援設(shè)備的功能模型圖

3.2 確定創(chuàng)新原理

根據(jù)功能組件分析的結(jié)果確定技術(shù)矛盾，并利用39個(gè)通用工程參數(shù)尋找出最貼合救援設(shè)備研究的參數(shù)[13]：災(zāi)后救援設(shè)備需要提高在復(fù)雜廢墟結(jié)構(gòu)中的工作能力，并且盡可能降低成本或者保持較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)工藝；而現(xiàn)有設(shè)備的優(yōu)化需求最接近通用工程參數(shù)中的“結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性”和“適用性及多用性”，分別位于通用工程參數(shù)中的13行和35行，屬于要改善的參數(shù)；同時(shí)，由于增加的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使產(chǎn)品復(fù)雜化，因而產(chǎn)品制造工藝、成本和重量屬于惡化參數(shù)，最接近通用工程參數(shù)中的“運(yùn)動(dòng)物體的重量”和“可制造性”，分別位于矩陣中的01列和32列。

根據(jù)TRIZ-阿奇舒勒矩陣確定這兩列與彼此對(duì)應(yīng)兩行所交叉對(duì)應(yīng)的單元（見表6），得到各組發(fā)明原理。利用創(chuàng)新設(shè)計(jì)要素將各條發(fā)明原理依次進(jìn)行評(píng)估（見表7），優(yōu)選出1號(hào)（分離法）、15號(hào)（動(dòng)態(tài)法）和35號(hào)（性能轉(zhuǎn)換法）為創(chuàng)新原理；最后選擇以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，提出一種以彈跳跨障為工作原理的救援機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

表6 各參數(shù)在矩陣中交叉對(duì)應(yīng)的單元

Tab.6 Cross corresponding units of each parameter in the matrix

表7 對(duì)各發(fā)明原理進(jìn)行評(píng)估與優(yōu)選

Tab.7 Evaluation and optimization of the principles of each invention

4 災(zāi)后救援機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

4.1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)要素在產(chǎn)品創(chuàng)新中的應(yīng)用

生命探測(cè)類的救援機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)符合基于廢墟結(jié)構(gòu)特征的創(chuàng)新設(shè)計(jì)要素，以及由TRIZ理論所構(gòu)建出的發(fā)明原理，因此根據(jù)上述研究結(jié)果，對(duì)彈跳式救援機(jī)器人的功能、材料、尺寸、外觀進(jìn)行定義與闡述：

1）全地形適應(yīng)性。救援機(jī)器人的形狀應(yīng)圓潤(rùn)，尺寸應(yīng)較小，具有平滑的曲線，救援機(jī)器人的外觀造型見圖3。面對(duì)復(fù)雜的廢墟坍塌結(jié)構(gòu)，為提高設(shè)備在廢墟內(nèi)部的機(jī)動(dòng)性，本研究提出以“彈跳”的方式跨越障礙物；當(dāng)面對(duì)局部坍塌中的懸掛部件、破碎的支撐物件、高低錯(cuò)落的砌體結(jié)構(gòu)與鋼筋進(jìn)行生命探測(cè)，而常規(guī)設(shè)備和救援人員無(wú)法直接通過(guò)時(shí)，此設(shè)備能夠利用其小巧的體積通過(guò)救援通道迅速進(jìn)入廢墟內(nèi)部的狹小空間進(jìn)行生命探測(cè)，通過(guò)“彈跳”的方式跨越障礙，解決了現(xiàn)有大型設(shè)備機(jī)動(dòng)性差、無(wú)法迅速進(jìn)入廢墟內(nèi)部的問(wèn)題。

2）功能多樣性。救援機(jī)器人可進(jìn)行生命探測(cè)與定位、實(shí)時(shí)勘測(cè)地形并反饋數(shù)據(jù)，以及攜帶少量急救藥品，同時(shí)設(shè)備的人工配合需求程度低，可獨(dú)立進(jìn)行高效救援。

3）機(jī)身輕量性。為防止設(shè)備在高度錯(cuò)落的地形中損壞或引發(fā)二次坍塌，救援機(jī)器人需要使用耐用且輕便的材料來(lái)降低救援人員在工作中的重量負(fù)擔(dān)，減少設(shè)備工作中的機(jī)械振動(dòng)，降低二次坍塌和人員二次傷亡的風(fēng)險(xiǎn)，因此，選用鋁合金和塑料用作救援機(jī)器人的主要材料。鋁合金密度低、強(qiáng)度高，具有良好的可塑性；塑料具有很強(qiáng)的耐腐蝕性和易加工性，以及耐用、防水、輕便等優(yōu)點(diǎn)。由于鋁合金不易形成曲率過(guò)大的形態(tài)，因此設(shè)備主體的材料為塑料，主體兩側(cè)的連桿為鋁合金，輪胎為橡膠制成，彈跳機(jī)構(gòu)內(nèi)的各零部件由塑料、鋼、硅膠等材料制成。

4）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要分為三個(gè)模塊：驅(qū)動(dòng)模塊、生命探測(cè)模塊、彈跳裝置模塊，三個(gè)模塊獨(dú)立程度較高且在工作中互不影響，穩(wěn)定性高且方便拆卸，符合TRIZ—分割原則特征；彈跳裝置結(jié)構(gòu)在工作中的動(dòng)態(tài)變化符合TRIZ—?jiǎng)討B(tài)變化原則與性能轉(zhuǎn)換原則。

5）基本尺寸。根據(jù)從青川地震遺址公園、映秀地震遺址收集的數(shù)據(jù)得知，在500 mm以下的范圍內(nèi)，障礙物最低面與地面形成的高度差平均值約為220 mm，因此，救援機(jī)器人的整體高度應(yīng)控制在220 mm以下。同時(shí)，機(jī)身采用雙蓄電池模式，設(shè)備采用12伏LC- R124.5的蓄電池，電池尺寸為90 mm×70 mm× 98 mm，考慮到應(yīng)急藥品內(nèi)部存放的空間問(wèn)題，救援機(jī)器人的尺寸擬定為300 mm×210 mm×210 mm。

圖3 彈跳式救援小車的外觀造型設(shè)計(jì)

圖4 救援機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

為更清楚地說(shuō)明設(shè)備結(jié)構(gòu)、功能原理、使用流程，下面對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行附圖并作簡(jiǎn)單介紹說(shuō)明，產(chǎn)品外殼與內(nèi)部功能組件具體見圖4—5。圖中標(biāo)記分別為：1-外殼、2-行進(jìn)輪、3-彈跳裝置、4-內(nèi)部?jī)?chǔ)存結(jié)構(gòu)、5-傳動(dòng)桿、6-生命探測(cè)儀；31-主連接板、32-橫桿、33-主氣缸、34-彈簧、35-次連接板、36-次氣缸、37-凹槽、38-擋板、51-電池、52-傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。殼體前的生命探測(cè)儀用于探索受困者的位置信息，并實(shí)時(shí)傳送給救援人員；殼體內(nèi)設(shè)有存儲(chǔ)空間，可攜帶少量急救藥品；構(gòu)成彈力機(jī)構(gòu)的組件包括氣缸、彈簧、橫桿等結(jié)構(gòu)，彈力機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組件具體見圖5b。

在設(shè)備工作時(shí)，殼體前端的生命探測(cè)儀進(jìn)行探測(cè)與數(shù)據(jù)反饋，當(dāng)遇到障礙物或無(wú)法正常通過(guò)的地形時(shí)，次氣缸活塞桿向外推出，將連接板推至外側(cè)擋板，主氣缸隨之啟動(dòng)并收縮帶動(dòng)橫桿回伸，壓縮彈簧后釋放，彈簧與地面碰撞反作用于小車，小車彈起（G車< F彈≤3G車，G車≈15 N，彈跳沖擊力較小且與地面接觸面小，但需避免在脆弱零散的部件上工作）。下落過(guò)程中次氣缸活塞桿收回，連接板被拉至內(nèi)側(cè)擋板處，設(shè)備下落至與地面接觸時(shí)只有車輪接觸地面，殼體和彈力機(jī)構(gòu)都不會(huì)與地面碰撞（車輪尺寸＞機(jī)體尺寸），從而保護(hù)設(shè)備內(nèi)部核心結(jié)構(gòu)。該設(shè)備機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，采用輪動(dòng)及彈跳的方式進(jìn)行工作，可用于多種廢墟環(huán)境。根據(jù)產(chǎn)品各部分結(jié)構(gòu)與功能之間的聯(lián)系將其圖像化，便于理解救援機(jī)器人的使用流程和內(nèi)部原理，具體見圖6。

圖5 救援機(jī)器人去掉上半殼體的俯視結(jié)構(gòu)與彈力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 彈跳式救援機(jī)器人的模塊組成

4.3 救援機(jī)器人在不同廢墟結(jié)構(gòu)特征中的應(yīng)用

根據(jù)廢墟結(jié)構(gòu)特征對(duì)設(shè)備的工作方式進(jìn)行簡(jiǎn)述，具體見表8。

表8 設(shè)備在不同廢墟結(jié)構(gòu)中的工作方式

Tab.8 How the equipment works in different ruin structures

綜上所述，在廢墟安全等級(jí)≥2且安全指數(shù)>4.3時(shí)，該設(shè)備可以通過(guò)救援通道迅速進(jìn)入廢墟內(nèi)部，在不破壞廢墟結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)入大型設(shè)備與人無(wú)法進(jìn)入的狹小空間，克服復(fù)雜地形進(jìn)行生命探測(cè)，其輕便耐用的材料、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)在保證自身工作效率的同時(shí)，降低二次坍塌和傷害的概率，以此提高救援效率。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科技與社會(huì)的進(jìn)步，救援設(shè)備的研發(fā)也越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性，其在國(guó)內(nèi)外將持續(xù)具有廣闊的發(fā)展前景。本文通過(guò)對(duì)廢墟結(jié)構(gòu)特征的系統(tǒng)性調(diào)研分析，提出創(chuàng)新設(shè)計(jì)要素，利用TRIZ理論，指導(dǎo)地震救援設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)；結(jié)合災(zāi)區(qū)特征、用戶需求、機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確定義，設(shè)計(jì)實(shí)踐結(jié)果表明，該研究方法能夠有效指導(dǎo)地震災(zāi)害救援設(shè)備進(jìn)行功能創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，為相關(guān)產(chǎn)品甚至其他種類產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了有效參考。

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Design and Research of Post-disaster Rescue Robot Based on Structural Features of Ruins

MENG Kai-ning1, SHU Yun-wei1, DU Cheng-qun2

(1.Xihua University, Chengdu 610039, China; 2.Pujiang Sino-German SME Cooperation Zone, Chengdu 611633, China)

This paper aims to investigate and analyze the structural characteristics of the ruins after the earthquake, and propose a design scheme for rescue robots that can work efficiently in complex ruin structures. First, by investigating and analyzing factors such as the type of ruins, structural characteristics, stress conditions, internal space, etc., the corresponding rescue strategy and ruin structure safety assessment rules are proposed, and the problems existing in the work of the existing equipment in the complex ruin structure are summarized to construct innovative design elements for post- disaster rescue robots; then TRIZ theory was used to establish a functional model diagram of rescue equipment and determine technical contradictions; finally, through combining the Altshuller matrix, several invention principles were derived, and innovative design elements were used to evaluate them in turn and filter out the essentials to guide the innovative design of rescue robots. In conclusion, the systematic research and analysis of structural characteristics of the ruins after disasters can effectively guide the innovative design of rescue products and improve the efficiency of innovative design.

industrial design; structural characteristics of the ruins; rescue strategy; TRIZ-Achshuler matrix; bounce over obstacles; structural design

TB472

A

1001-3563(2022)24-0180-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.24.020

2022–07–28

四川省社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地彝族文化研究中心項(xiàng)目（YZWH2203）；四川省社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地四川旅游發(fā)展研究中心項(xiàng)目（LY22-36）；西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（YCJJ2021019）；四川省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地?cái)?shù)字文化與傳媒研究中心項(xiàng)目（CDCM202208）；四川省社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地羌學(xué)研究中心項(xiàng)目（2022QXYB003）；四川省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地四川張大千研究中心項(xiàng)目（ZDQ2022-16）

孟凱寧（1977—），男，教授，主要研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)、生態(tài)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新方法與應(yīng)用等。

舒畇溦（1998—），男，碩士生，主攻工業(yè)設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：馬夢(mèng)遙