基于服務(wù)設(shè)計理念的智能機器人道路救援模式研究

李洲榮，錢雅楠，谷雨

基于服務(wù)設(shè)計理念的智能機器人道路救援模式研究

李洲榮1,2，錢雅楠1，谷雨2

（1.重慶工程學(xué)院，重慶 400056；2.重慶迪科汽車科技集團有限公司，重慶 400051）

針對占道車輛進行快速救援的問題，提出了一種新的道路救援解決方案。研究從服務(wù)設(shè)計視角探索高效道路救援新方案，并利用成熟的科學(xué)技術(shù)手段實現(xiàn)道路救援功能，同時在道路救援過程中讓汽車使用者共同參與，在有效緩解道路擁堵的同時提升用戶受援體驗感。研究過程主要以服務(wù)設(shè)計視角審視道路救援現(xiàn)狀，提出問題并歸納服務(wù)藍圖，在痛點與觸點交互中聚焦到救援機器人創(chuàng)新設(shè)計，通過需求、功能、應(yīng)用場景等分析得到救援機器人概念設(shè)計方案。最終通過本研究提出的道路救援服務(wù)設(shè)想，以智能道路救援機器人為載體，為道路救援服務(wù)發(fā)展提供理論參考。

服務(wù)設(shè)計；道路救援；救援模式；智能機器人

截至2021年末，中國機動車保已超過3.95億輛，其中汽車保有量達到3.02億輛；隨著汽車保有量的不斷提高，機動車駕駛員數(shù)量也達到4.8億人，其中普通汽車駕駛員約4.4億人。由于汽車數(shù)量的激增、汽車質(zhì)量參差不齊、駕駛員駕駛技術(shù)水平良莠不齊等原因，致使每年由于汽車自身故障或交通事故等原因需要道路救援次數(shù)約占汽車保有量10%左右[1]。車輛拋錨會占用道路導(dǎo)致交通阻塞，尤其在交通高峰時期甚至?xí)?dǎo)致部分道路交通癱瘓。那么，如何高效地提升道路救援服務(wù)、保持道路暢通就成為值得研究的一項課題。本研究從服務(wù)設(shè)計角度進行思考，分析道路堵塞及救援服務(wù)緩慢的原因，通過基于產(chǎn)品創(chuàng)新的服務(wù)設(shè)計研究，探索通過智能救援機器人來提供救援服務(wù)的模式，為相關(guān)研究和實踐提供一些參考[2-3]。

1 道路救援服務(wù)現(xiàn)狀及問題

1.1 道路擁堵的原因

對現(xiàn)有道路擁堵情況的分析，可見道路擁堵是人－汽車－道路三者之間相互作用、影響的結(jié)果，是三者間的矛盾體現(xiàn)[4-5]，如圖1所示。

圖1 “人－車－路”關(guān)系圖

1.2 傳統(tǒng)道路救援模式

汽車道路救援是指為行駛過程中的車輛因故障或事故拋錨提供的一種服務(wù)，其中拖車救援屬于道路救援的一項重要服務(wù)[6]。車輛占道堵塞交通的原因：一是發(fā)生交通事故阻礙交通或救援的行為，當(dāng)車輛發(fā)生交通事故時車停在原地待保險公司和交警部門現(xiàn)場勘查劃分清事故責(zé)任后再離開，期間由于車輛占據(jù)正常道路，將造成道路擁堵使交通變得緩慢；二是車輛因故障拋錨無法行駛，需要使用救援拖車進行拖移，在救援拖車達到之前汽車只能停留在道路上。根據(jù)道路救援統(tǒng)計，從救援拖車到達現(xiàn)場直至拖移車輛完成救援理想耗時約10 min[7]，但實際情況往往是救援拖車因道路擁堵無法快速到達救援點，救援常需要幾十分鐘甚至數(shù)小時，傳統(tǒng)道路救援模式流程如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)道路救援模式流程圖

綜上，傳統(tǒng)道路救援服務(wù)中存在五個待解決的問題如下：第一，車輛因事故需要救援時，用戶需要自行與多方聯(lián)系，操作繁瑣且容易產(chǎn)生誤差，救援準(zhǔn)確度低；第二，當(dāng)救援拖車距離施救點較遠時，需花費較長的時間才能到達救援點，救援效率低；第三，一旦通往救援點的交通堵塞，救援拖車到達救援點的時間可能無限期延后，使救援及時性不能保證；第四，當(dāng)某一區(qū)域內(nèi)救援資源不足，不能及時滿足救援需求時，救援任務(wù)可能會暫時性擱置，這使得救援服務(wù)具有不穩(wěn)定性；第五，現(xiàn)場取證與救援沒有統(tǒng)一協(xié)調(diào)，救援任務(wù)可能因現(xiàn)場保護的需要無法及時開展，延誤救援時機。因此，新的救援服務(wù)要從操作便利性、救援高效性、救援及時性、救援服務(wù)的穩(wěn)定性和救援服務(wù)資源充分利性用這五個方面進行思考，逐一解決以上問題。

2 智能機器人道路救援服務(wù)模式

2.1 智能機器人道路救援服務(wù)定位

在新的救援服務(wù)中，要求用戶能通過簡便操作即可完成救援請求，并能準(zhǔn)確發(fā)送定位等重要信息，再依托具有現(xiàn)場記錄取證功能的新型救援設(shè)備實施救援。新救援設(shè)備應(yīng)不受交通擁堵影響，能及時實施救援，且救援行為與現(xiàn)場取證能同時進行，大幅提高道路救援效率[8]。具體要求如下：

第一、在道路救援服務(wù)過程中，人是被服務(wù)的對象，是最直接的參與者，是被服務(wù)與救援服務(wù)體驗的主體[9]。新的救援服務(wù)中，用戶可以通過第三方手機APP或微信小程序等進行救援請求，發(fā)送現(xiàn)場圖片或視頻，軟件程序直接獲取手機定位確定救援目的地，同時系統(tǒng)根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的車輛信息主動聯(lián)系保險公司和交通執(zhí)法部門[10]，實現(xiàn)一端多點無感道路救援。智能機器人救援與傳統(tǒng)救援模式下求救方式對比如表1所示。

第二、在傳統(tǒng)救援方式下，用戶需要等待交警部門到現(xiàn)場提取信息取證。工作人員受交通狀況和距離的影響不能及時到達，用戶等待時間過長，有焦慮、煩躁等不適感。人為現(xiàn)場勘測記錄也存在一定的信息遺漏，現(xiàn)場一旦撤除后也不能進行還原，無法追溯。

新救援設(shè)備將搭載音頻、視頻采集及激光雷達掃描設(shè)備，具有現(xiàn)場視頻拍攝及現(xiàn)場三維全景實時掃描記錄的功能，可實現(xiàn)現(xiàn)場每一個細節(jié)的完整記錄。救援設(shè)備到達現(xiàn)場，核對待救援車輛信息無誤后，對現(xiàn)場進行全方位記錄并將數(shù)據(jù)上傳至云端保存。當(dāng)現(xiàn)場記錄完成后可立即搬運車輛至安全區(qū)域，迅速恢復(fù)道路暢通。交警部門和保險公司無需到達現(xiàn)場，只需遠程通過得到的數(shù)據(jù)具即可以進行現(xiàn)場仿真還原，通過仿真模擬進行責(zé)任判定，將研判結(jié)果推送給用戶。智能機器人救援與傳統(tǒng)救援模式下現(xiàn)場處理方式對比如表2所示。

表1 智能機器人救援與傳統(tǒng)救援模式下求救方式對比

表2 智能機器人救援與傳統(tǒng)救援模式下現(xiàn)場處理方式對比

2.2 智能救援機器人設(shè)計要求

影響傳統(tǒng)救援設(shè)備快速開展救援主要有兩個原因：一是因交通事故需要保護現(xiàn)場，現(xiàn)場取證前車輛不能移動而導(dǎo)致救援受阻；二是因救援設(shè)備無法快速趕到救援現(xiàn)場，導(dǎo)致錨泊車輛不能被及時被清理而阻塞道路。為解決這兩個問題，救援設(shè)備可采用小型化設(shè)計，并將救援與取證功能集成于救援機器人上，救援同時即可進行全方位記錄，且不會受交通擁堵的影響，能夠快速到達救援點。傳統(tǒng)救援拖車與救援機器人的功能對比如表3所示。

2.3 智能救援機器人服務(wù)流程

新救援服務(wù)流程架構(gòu)中，用戶在微信小程序等軟件預(yù)先注冊登記車輛，使用時只需一鍵發(fā)送求救信息，救援機器人即可自動分配前往。救援全過程中無需用戶額外操作，機器人自動進行保險報案、現(xiàn)場取證、事故研判等工作，實現(xiàn)一鍵多功能聯(lián)動的道路救援服務(wù)，大幅度簡化用戶操作，提升用戶使用體驗。新救援服務(wù)流程架構(gòu)圖如圖3所示。

表3 傳統(tǒng)救援拖車與智能機器人的功能對比

圖3 智能機器人救援模式流程圖

2.4 智能機器人救援服務(wù)功能拓展

新的救援服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)中，若救援機器人只在車輛需要救援時工作，非救援時間都處于待命待機狀態(tài)，則會造成公共資源浪費，不滿足資源最大化利用原則。因此，可以充分利用救援機器人搬運車輛這一功能特點，將機器人分布于城市各類停車場，用于停車場的自動泊車系統(tǒng)，實現(xiàn)停車場自動化泊車功能低成本升級。一旦需要道路救援時，系統(tǒng)只需調(diào)用距離救援點最近的機器人參與救援，可大幅縮短救援響應(yīng)時間，提高救援效率，充分利用資源。通過大規(guī)模的城市救援機器人布點，完全可以解決了救援力量不足的問題。救援機器人布點分布如圖4所示。

圖4 救援機器人布點示意圖

綜上，新救援服務(wù)系統(tǒng)運行的關(guān)鍵在于使用新救援設(shè)備替代傳統(tǒng)救援拖車，因此設(shè)計一款滿足新救援服務(wù)系統(tǒng)要求的救援機器人，是必不可少的“硬件”支持。

3 智能救援機器人概念設(shè)計

3.1 智能救援機器人搬運功能分析

在新救援服務(wù)理念下，救援機器人應(yīng)具有快速抵達救援現(xiàn)場和現(xiàn)場數(shù)據(jù)全方位記錄兩大核心功能，發(fā)明專利《一種蟻足智能清障機器人》[11]提出了一種道路救援機器人創(chuàng)新設(shè)計概念，本研究即是在該發(fā)明創(chuàng)新概念的引導(dǎo)下進行道路救援機器人的設(shè)計創(chuàng)新。

汽車在行駛或被搬運都是依靠車輪支撐，因此搬運汽車只需將車輪抬離地面即可。目前救援拖車在托運車輛時，被救車輛與拖車之間也只有車輪支撐接觸。救援拖車體型之所以十分龐大，是因救援拖車尺寸必須大于被救車輛尺寸時才能將其完全托起。將救援拖車的工作過程進行功能分解，去除不與被救援車輛接觸的車身部分，僅保留車輪舉升功能區(qū)域，如圖5所示?；麨榱愕剡M行思考，將救援機器人進行小型化、扁平化結(jié)構(gòu)設(shè)計，救援搬運過程中機器人只需分散支撐汽車各個車輪，機器人通過協(xié)同全向移動即可實現(xiàn)車輛搬運功能[12]。

3.2 智能救援機器人尺寸設(shè)計

如何快速到達首先要解決一個最重要的問題。當(dāng)?shù)缆范氯麜r，傳統(tǒng)救援拖車必定會被堵在道路上，救援機器人如何不受道路擁堵的影響是須要解決的首要問題。

不受道路擁堵影響就必須為救援機器人選擇一條暢通無阻的通道。從汽車結(jié)構(gòu)進行分析，汽車底盤空間在任何時候都是固定不變的，救援機器人只要能夠順利通過汽車底盤，那么就不會受道路擁堵的影響。其次，救援機器人要從汽車底盤通過，其外形尺寸就必定不能大于汽車底盤空間尺寸，這樣才能滿足通過的基本條件。通過對現(xiàn)有汽車底盤數(shù)據(jù)的收集整理，得到主流汽車底盤數(shù)據(jù)最小值，如圖6所示。救援機器人的外形尺寸只要小于該值，就可以順利地從汽車底盤通過，不會受交通擁堵影響。

圖5 輪胎作為車輛搬運支點

圖6 主要汽車底盤數(shù)據(jù)最小值

通過上述分析，最終確定機器人在非舉升狀態(tài)下的外形尺寸（長×寬×高）為750 mm×600 mm×78mm，如圖7所示。該尺寸遠小于現(xiàn)有絕大部分汽車底盤空間尺寸，可以保證機器人能順利從汽車底盤通過。

圖7 救援機器人尺寸（非舉升狀態(tài)）

3.3 智能救援機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

機器人根據(jù)目標(biāo)車輛的車輪數(shù)量進行編組，分別對各個車輪進行抱夾，然后通過機器人自身高度的上升抬高車輪，從而達到車輛舉升的目的，如圖8所示。

為盡量簡化機械結(jié)構(gòu)，并盡可能減輕自重，采用X型的機器人機身結(jié)構(gòu)設(shè)計。當(dāng)機器人車身繞旋轉(zhuǎn)軸折疊時，自身高度變高、同時上部結(jié)構(gòu)收窄，首先將車輪托舉，隨著折疊角度的不斷增加，車輪被機械結(jié)構(gòu)夾緊。此后車輛在被舉升的同時會被機構(gòu)緊緊夾住避免松脫。當(dāng)機器人車身兩部分旋轉(zhuǎn)角度達到25°時車輛的舉升動作完成，此時汽車可被舉升約101 mm，如圖9所示。機器人的舉升驅(qū)動裝置采用高速電機驅(qū)動，通過高減速比行心齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)減速增扭，將電機扭力放大7000～10000倍，使單個機器人最大理論舉升重量和水平運載能力達到5 t以上，滿足設(shè)計要求。

圖8 機器人搬運車輛示意圖

圖9 機器人“X”折疊抬升汽車示意圖

考慮到救援機器人需要穿梭于汽車底盤之間，需要機器人能夠靈活地進行轉(zhuǎn)向。因此，為機器人配置麥克拉姆全向驅(qū)動輪，使機器人可沿任意方向或原地旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)全方位移動，其工作原理如圖10所示。

3.4 智能救援機器人結(jié)構(gòu)有限元分析

為驗證機器人機身結(jié)構(gòu)的強度是否能滿足設(shè)計要求，通過有限元仿真分析對車架在不同舉升重量下進行受力分析，仿真結(jié)果如圖11所示：當(dāng)施加600 kg壓力時（相當(dāng)于舉升2.4 t車重）車架的變形量約1.9%，當(dāng)加載1200 kg壓力時（相當(dāng)于舉升4.8 t車重）車架的變形量約3.7%。在兩種不同受力情況下，救援機器人車架主體變基本沒有發(fā)生形變，只有與車輪接觸的爪略有變形，但不影響機器人舉升和行駛，完全可以承受普通家用轎車的重量，能夠滿足日常救援對舉升及承載力的需求。

圖10 麥克納姆輪運動原理

圖11 車架有限元力學(xué)分析

3.5 智能救援機器人功能集成設(shè)計

救援機器人可使用北斗衛(wèi)星精確定位，快速規(guī)劃路線并導(dǎo)航抵達救援點。救援過程中使用激光雷達對環(huán)境進行全方位三維掃描[13-14]，同時對現(xiàn)場進行拍攝取證，還可以結(jié)合人工智能技術(shù)進行AI現(xiàn)場問詢。綜合現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，相關(guān)調(diào)查部門在事后進行現(xiàn)場分析時可實現(xiàn)1:1現(xiàn)場模擬還原，能通過算法還原事發(fā)生故過程，為事故調(diào)查提供全方位參考。

救援機器人通過RFID射頻識別模塊[15]及機器人視覺系統(tǒng)對車輛信息進行核對，確保救援對象無誤。使用SLAM技術(shù)對環(huán)境進行識別，使用高效避障功能提高車輛搬運安全性，避免二次事故發(fā)生[16-18]。

4 結(jié)語

從服務(wù)設(shè)計的角度出發(fā)，分析了造成交通擁堵以及道路救援不及時的原因，并提出了一種全新的道路救援服務(wù)概念。與傳統(tǒng)救援服務(wù)相比，具有設(shè)備輕量化、智能化、通過性高、救援效率高、功能多樣性、用戶使用簡便的一系列特點。最后通過一種輕量化救援機器人的設(shè)計實踐，從產(chǎn)品創(chuàng)新來支撐這一創(chuàng)新救援服務(wù)，滿足未來城市道路救援服務(wù)提出的新要求，使其具有理論可行性，為道路救援服務(wù)發(fā)展及智慧城市建設(shè)提供理論研究參考和實踐樣本。

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Intelligent Robot Road Rescue Based on Service Design Concept

LI Zhourong1,2，QIAN Yanan1，GU Yu2

(1.Chongqing Institute of Engineering,Chongqing 400056,China;2.Chongqing Dike Auto Technology Group Co.,Ltd.,Chongqing 400051,China )

A new road rescue solution is proposed with the aim of quick rescue for road occupying vehicles. This research explores efficient road rescue schemes from the perspective of service design, which achieves the road rescue functions with mature scientific and technological means. At the same time, car users can participate in the road rescue process, which effectively alleviates road congestion and improves users' experience of receiving assistance. First, it mainly reviews the current situation of road rescue from the perspective of service design, raising research questions and summarizing the service blueprint. Then it focuses on the innovative design of rescue robot and obtains the conceptual design scheme of rescue robot through the analysis of requirements, functions and application scenarios. Finally, the idea of road rescue service with intelligent road rescue robot is proposed. The research provides a theoretical reference for the development of road rescue services.

service design；roadside assistance；rescue mode；intelligent robot

TB472

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.07.008

1006-0316 (2023) 07-0051-07

2022-7-27

2021重慶市教委科研基金（KJQN202105205）

李洲榮（1984－），男，重慶人，碩士研究生，講師，主要研究方向為工業(yè)設(shè)計、綠色設(shè)計，E-mail：35168072@qq.com。