基于人機(jī)交互的微小型偵查式爬壁機(jī)器人的外觀設(shè)計(jì)研究

霍 昕

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

微小型武器是美國(guó)等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家于20世紀(jì)90年代開(kāi)始發(fā)展的新概念武器，它對(duì)21世紀(jì)戰(zhàn)爭(zhēng)的模式將會(huì)帶來(lái)變革性的影響。機(jī)器人這一前沿技術(shù)自然是微小型武器發(fā)展的重點(diǎn)所在。小型移動(dòng)機(jī)器人具有在高度受約束環(huán)境中秘密行動(dòng)的功能，因而非常適合于軍事應(yīng)用。

1 微小型偵查式爬壁機(jī)器人研究概況

目前，針對(duì)日益猖獗的恐怖主義和暴力犯罪行為，利用偵查式機(jī)器人技術(shù)提升部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力并保障相關(guān)人員安全已成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域共同關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。在處理恐怖事件，遭受襲擊后產(chǎn)生的核、生、化等災(zāi)害時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到情況不明、人員無(wú)法接近或高度危險(xiǎn)的區(qū)域。此時(shí)，爬壁機(jī)器人可以被投放到偵查區(qū)域，在室外的壁面或玻璃上吸附，用自帶的偵察設(shè)備偵察不明情況或者難以進(jìn)入的復(fù)雜場(chǎng)合，查明現(xiàn)場(chǎng)情況，并將信息傳送回總控系統(tǒng)，供指揮人員做出及時(shí)有效的決策。同時(shí)，微小型爬壁機(jī)器人還具有極強(qiáng)的隱蔽性能和一定的殺傷能力，可以攜帶爆破物并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候自爆，破壞敵方通訊設(shè)施，大大減少人員傷亡，提高安全保障性能，并增強(qiáng)了工作效率。

鑒于微小型武器技術(shù)的重大意義，從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，美、英等國(guó)家就競(jìng)相開(kāi)發(fā)相關(guān)的機(jī)器人技術(shù)。一方面，從反恐戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)際需要出發(fā)，研制出應(yīng)對(duì)不同危險(xiǎn)環(huán)境的核生化偵察和防恐、防爆遙控機(jī)器人系統(tǒng)；另一方面，又針對(duì)可能遇到的城市巷戰(zhàn)的問(wèn)題，研制出能夠覆蓋地面、建筑作業(yè)面及空中作業(yè)全方位的偵查式機(jī)器人系統(tǒng)，使其分別從事偵察、防爆、取樣、檢測(cè)、搜救等任務(wù)。

圖2 偵查式機(jī)器人全方位系統(tǒng)

與國(guó)外相比，我國(guó)在機(jī)器人研究方面起步較晚，為了應(yīng)對(duì)全球化的反恐形勢(shì)，我國(guó)也開(kāi)展了“反恐排爆機(jī)器人測(cè)試評(píng)估與培訓(xùn)關(guān)鍵技術(shù)研究”和“微小型移動(dòng)偵察機(jī)器人”等研究項(xiàng)目。包括清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)研究院、華南理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)在內(nèi)的多家研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)展了一系列反恐偵察爬壁機(jī)器人研究。

2 微小型偵查式爬壁機(jī)器人的人機(jī)交互模式

（1）使用人群心理分析及使用環(huán)境分析。在實(shí)際的反恐環(huán)境中，可能存在著敵情復(fù)雜、突變、隱蔽、破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)。反恐人員必須是具有過(guò)硬的應(yīng)付復(fù)雜情況的技術(shù)素質(zhì)的軍事人才。但在特定的環(huán)境下，反恐人員也可能無(wú)法順利完成任務(wù)。在面臨突發(fā)事件時(shí)，反恐人員心理壓力超負(fù)荷，自身安全也沒(méi)有保障。以反樓宇內(nèi)人質(zhì)劫持為例，犯罪分子隱藏在房間里，外面的反恐人員很難了解到房間內(nèi)部的情況。這時(shí)，反恐人員可以為反恐爬壁機(jī)器人配備偵查設(shè)備，利用遙控裝置控制其悄無(wú)聲息地沿壁面爬到便于偵查的位置。爬壁機(jī)器人把用攝像機(jī)拍攝到的房間內(nèi)部的圖像，通過(guò)無(wú)線傳輸裝置實(shí)時(shí)傳到幾百米外的移動(dòng)基站，為反恐人員判斷形勢(shì)、做出決斷提供現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)。爬壁機(jī)器人還可同時(shí)攜帶武器模塊，在危急時(shí)進(jìn)行攻擊。作為軍事用途，要求具有很強(qiáng)的隱蔽性能，所以也應(yīng)考慮這方面的因素。比如色彩的選用首先必須考慮它的隱蔽性。

（2）操作心理分析。小型爬壁機(jī)器人的功能主要是用于偵察，所以它必須擁有移動(dòng)方便的紅外攝像機(jī)以及先進(jìn)的無(wú)線傳輸裝置和優(yōu)化的控制系統(tǒng)。當(dāng)前影響機(jī)器人軍事應(yīng)用的瓶頸主要就是智能控制。智能控制方面，現(xiàn)在的機(jī)器人是無(wú)法替代人的，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)、環(huán)境，突發(fā)事件處理等方面都無(wú)法像人一樣隨機(jī)應(yīng)變，在對(duì)事物的感知、識(shí)別和判斷等方面，都還有人為的因素在內(nèi)。機(jī)器人只適合在“結(jié)構(gòu)化環(huán)境”下根據(jù)原先的程序規(guī)劃完成既定的任務(wù)。從技術(shù)的本質(zhì)來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在的機(jī)器人基本上還是預(yù)先編程的，人工智能的實(shí)現(xiàn)具有極強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。以往的機(jī)器人也因此缺乏親和力，甚至繁復(fù)的操作控制會(huì)給操作帶來(lái)疲憊感。有的甚至沒(méi)有很好的考慮到人機(jī)工程學(xué)原理，使得使用者的操作變得不易識(shí)別或是容易混淆。在操作方面無(wú)法實(shí)現(xiàn)人—機(jī)—環(huán)境的協(xié)調(diào)。

3 微小型偵查式爬壁機(jī)器人的造型方法

（1）微小型偵查式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。偵查式爬壁機(jī)器人系統(tǒng)通常包括三個(gè)主要部分：真空吸附式爬壁機(jī)器人，便攜式遙控器和無(wú)線視頻傳輸模塊。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的移動(dòng)式爬壁式機(jī)器人實(shí)驗(yàn)多采用真空吸附式設(shè)計(jì)方案，包括機(jī)械本體、DSP控制器、氣動(dòng)單元、電源和各種內(nèi)外部傳感器件。通過(guò)遙控加自主的控制方式，機(jī)器人可以在光滑壁面上爬行移動(dòng)，并能實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)不同傾斜平面間跨越。便攜式控制器則是一個(gè)小型的射頻遙控系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)控制指令的RF編碼、傳輸和解碼，操作者可以在一定距離內(nèi)對(duì)爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行無(wú)線控制。無(wú)線視頻模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的偵察，并能夠?qū)?dòng)態(tài)圖像實(shí)時(shí)地傳輸給操作者和遠(yuǎn)端的指揮中心，為決策者提供參考信息。

圖1 偵察式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)展示

由于機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)向高智能化發(fā)展，爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)除了要保證其基本性能外，還需增加附加功能如打擊、導(dǎo)航、援助、紅外探測(cè)、激光指示、對(duì)講等功能。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)多為技術(shù)革新，沒(méi)有考慮到使用者心理、使用環(huán)境的諸多人機(jī)因素。就機(jī)構(gòu)本身而言，沒(méi)有很好的保護(hù)意識(shí)，當(dāng)機(jī)構(gòu)處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，沒(méi)有隱蔽的外形，易被敵人發(fā)現(xiàn)。同時(shí)當(dāng)機(jī)構(gòu)遇到不可預(yù)測(cè)的故障時(shí)，比如在墻壁條件和溫度條件不合適的情況下，爬壁機(jī)器人會(huì)從墻壁高處墜落。

（2）微小型偵查式爬壁機(jī)器人的外觀設(shè)計(jì)研究。爬壁機(jī)器人由于微小型爬壁機(jī)器人多用于偵察和爆炸物排除，地震廢墟中的受難者搜索和救援等。這些場(chǎng)合不僅對(duì)于機(jī)器人的性能提出較高要求，同時(shí)在造型上也應(yīng)考慮相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。微小型偵查式爬壁機(jī)器人要求體積小、重量輕、方便進(jìn)入偵察地點(diǎn)，并能夠迅速投入使用。

在造型材料方面，應(yīng)盡量選用堅(jiān)固而輕薄的材料，相較于金屬存在質(zhì)量較重的問(wèn)題，選取玻璃纖維增強(qiáng)塑料（亦稱作玻璃鋼）等高性能材料作為外部造型的材料更為適宜，同時(shí)加工成型也更為方便。在造型結(jié)構(gòu)方面，應(yīng)盡量配合內(nèi)部性能進(jìn)行設(shè)計(jì)。在上表面增加活動(dòng)式開(kāi)口，方便攝像頭進(jìn)行伸縮偵查。保證外部結(jié)構(gòu)不影響機(jī)構(gòu)的壁面吸附性能。在造型色彩方面，應(yīng)該突出機(jī)器人的隱蔽性能，使犯罪分子不易察覺(jué)。對(duì)于使用者有直接接觸和互動(dòng)的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，其部件的尺寸與形狀應(yīng)該被邏輯地組織在一起，以便于認(rèn)定、接觸、抓握和操控。小型爬壁機(jī)器人在爬行中的各種因素的局限性要求設(shè)計(jì)造型簡(jiǎn)潔，盡量避免由于繁復(fù)的設(shè)計(jì)導(dǎo)致的重量較重、功能不易識(shí)別等問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

微小型偵查式爬壁機(jī)器人的研究，除了提高偵察、探測(cè)、救援、安全維護(hù)等需求的智能化以外，還應(yīng)考慮到在危險(xiǎn)環(huán)境中人機(jī)交互模式的重要性。研究“人——機(jī)器”交互方法，能夠使機(jī)器人外部造型攜帶方便、操作靈活，隱蔽性能良好。同時(shí)鑒于對(duì)人機(jī)交互模式的考量，也可使操作人員在偵察現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，臨場(chǎng)感效果好，更好地應(yīng)對(duì)和處理突發(fā)事件、加快事故處理速度、降低事故造成的財(cái)產(chǎn)損失，縮小機(jī)構(gòu)損傷，保證人員安全。基于人機(jī)交互模式的外觀探索性設(shè)計(jì)和研究對(duì)現(xiàn)代防空反恐軍事發(fā)展具有重要意義。

[1]朱序璋.人機(jī)工程學(xué)（第2版）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

[2]陳懇，楊向東.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，2006.

[3]劉淑霞，王炎.爬壁機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用[J].機(jī)器人，1999，（2）.

[4]唐鴻儒，宋愛(ài)國(guó).危險(xiǎn)環(huán)境偵察機(jī)器人的研究進(jìn)展[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2007，（5）.