論設計無人機器人對于救援的重要性

摘 要：隨著人類科學技術的飛速的發展，許許多多的新興科學來到了人們的視野之中。其中，機器人學就是這么一種學科。在工業，救援，運輸，醫療等多種方面他都有著十分重要的運用。移動機器人的分類有許多，無人機器的應用發展是目前機器人領域的重點之一，而無人機器在人力無法到達的搜救領域將來會起到非常重要的作用。本文是對目前陸地上（主要是地震災難）的搜救設備進行闡述和設想。

關鍵詞：無人搜救機器設備；地震；熱像探索技術；機械力結構

1 概述

世界各地每年都遭受著無數自然或人為災害的破壞。災后最緊急的事情就 是搜救那些困在廢墟中的幸存者。然而，錯綜復雜，險象環生，情況不定的災害現場給救援人員及幸存者帶來巨大的威脅阻礙救援工作快速有效地進行。目前搜救主要是以人力為主，機動性不高，救援進度慢，復雜性地區人力難及。以下文章將對陸地的救援分開論述。

2 參考信息綜述

2.1 國內近年的地震案例

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

北京時間2013年4月20日8時02分四川省雅安市蘆山縣發生里氏7.0級地震，地震共計造成196人死亡，失蹤21人，11470人受傷。

2.2 災害現場影響搜救工作的主要因素

世界各地每年都遭受著無數自然或人為災害的破壞。災后最緊急的事情就 是搜救那些困在廢墟中的幸存者。然而，錯綜復雜，險象環生，情況不定的災害現場給救援人員及幸存者帶來巨大的威脅阻礙救援工作快速有效地進行。主要影響：1）空間限制。2）結構不穩定。3）危險物質和大火。這些危險因素給災害救援工作帶來了極大的阻礙，常常使救援付出沉重的代價。美國緊急救援辦公室的統計數據表明，從搜尋到營救1名幸存者平均需要10個救援人員花費4個小時的時間，甚至更多。

2.3 設計要求

（1）機械設計。根據使用要求對機械的工作原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構思、分析和計算并將其轉化為具體的描述以作為制造依據的工作過程。

（2）結構設計。按照產品定位的要求，在對現實需求及現有產品進行功能調查分析的基礎上，對所定位產品應具備的目標功能系統進行概念性構建的創造。利用仿生原理，結合蜘蛛的形態來設計機器人的基本形體結構。

（3）功能設計。功能設計的任務是在總體設計的基礎上，根據所確定的原理方案，設計搜救功能在機器人的基本構圖上，以體現任務所要求的熱成像功能以及定位信號傳輸功能。

（4）行走設計。1）行走設計是大型機械整機的支承件，用來支承整機的重量，承受機構在作業過程中產生作用力，并完成整機行進、后退、轉移和作業移動。2）履帶式輸送車設計，可以將無人搜救設備“子母”功能化，可以快速適應災區的地形，到達指定的大范圍區域后，放下“蜘蛛型”機器人，進入第二階段的工作任務。

3 蜘蛛機器人設計思路與過程

3.1 設計理念

設計研究災難搜救行動，通過母機履帶車第一時間空投至災難現場，子機六腳搜尋機器人進入災難現場內部進行更為深入的探測，獲取全面準確的信息，通過對幸存者地理位置的標識，進行直到搜救。這是一種更為有效的災難搜救方式。為搜救爭取更多的時間，避免盲目的挖掘，導致對人力物力的浪費。節約時間和資源的同時，可以更大更好地提供當地的環境信息，供給將要進入的搜救隊參考，避免余震等地質傷害發生時的災難。

3.2 基本形態

考慮到步行移動方式的全面性，團隊經過頭腦風暴，想到了昆蟲。以蜘蛛為例，構想出一款“六腳蜘蛛俠”，“蜘蛛能在各種崎嶇地形上爬行，蜘蛛八腳，而無人式搜救機器人的行走方式六只腳就足夠了?？紤]到機器人的體型較小，能源動力提供不足，意味著機器人的活動空間是受到限制的，所以可以設計“子母式”結構，設計一款履帶車，可以更好地將搜救機器人推進入災難的發生地。

災難發生時，道路基本中斷，所以采用整體打包空投的模式，履帶車的體積不是很大，直升機或者運輸機可以攜帶多臺“綜合”的救援車，到達指定區域后，利用降落傘，將設備空投出去，落地后動力開始工作，履帶車可利用終端的平臺集體操控行走，發現生命體征后，放置小型“蜘蛛”式機器人，機器人可以進入到廢墟的空間內，立體掃描結構成像，熱源跟蹤標注被困人員的坐標。上傳給履帶車，再中轉回終端的控制平臺，記錄生成后，搜救隊可以利用掌上信息交互平臺得到相應的信息。這樣可以保證信息的準確性和時效性。

3.3 結構關系

通過動物仿生學，足是昆蟲的運動器官。昆蟲有3對足，我們相應地稱為前足、中足和后足。每個足由基節、轉節、腿節、脛節、跗節和前跗節幾部分組成。蜘蛛搜索機器人的足關節通過牽引裝置連接，可以如同蜘蛛一般自由移動。

4 遇險的表現

當機器人遇到多次崩塌現象，尤其是余震發生的時候，“蜘蛛”可以將6只“腳”蜷縮在身體兩側，形成“餅”狀具有較強的抗壓性。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，不多于2只的情況下，依然可以工作行走。當機器人發現周邊有生命體征之后，會像大頭針一樣停留在原地，只是發送信號和圖像，這樣可以節省更多的電力，支持到后續救援到達。

5 總結

綜合災難的發生過程，設計一款無人的救援機器，可以節省人力和達到快速救援的目的。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注在地形圖中，甚至更加詳細的提供當前的地質和建筑廢墟構造，解決如何下手救援的盲目性，更有效和快速的救援，可以減少災難后死亡的人數，讓更多的人生存下來。后階段的設計可以考慮攜帶救生設備，這樣可以使廢墟中的人員有給養，延長救援時間。

作者簡介：李慶君（1982—），男，遼寧蓋州人，碩士，無錫太湖學院助教，主要研究方向：產品設計類。