基于創(chuàng)新工程實(shí)踐課程的戰(zhàn)場(chǎng)無人救助車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)*

韓校粉，孫立明，楊 明，董雙領(lǐng)，曹財(cái)銓，李鑫虎

（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)車輛與電氣工程系，河北 石家莊050003）

綜合創(chuàng)新能力是大學(xué)生素質(zhì)教育的核心，是大學(xué)生獲取知識(shí)的關(guān)鍵和終身學(xué)習(xí)的保證[1]。創(chuàng)新工程實(shí)踐課程是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的主要課程之一，新時(shí)代軍事教育方針提出要培養(yǎng)高素質(zhì)、專業(yè)化新型軍事人才，因此要對(duì)課程進(jìn)行改革，將改革內(nèi)容與新一輪的軍事變革要求相聯(lián)系，引入無人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，以提高課程內(nèi)容的科學(xué)性與先進(jìn)性；將創(chuàng)新工程實(shí)踐課程的項(xiàng)目與科技競(jìng)賽相聯(lián)系，以激發(fā)學(xué)生的戰(zhàn)斗力，指引學(xué)生利用創(chuàng)新的思維發(fā)現(xiàn)并解決裝備中的問題，逐步提高學(xué)生的各項(xiàng)素質(zhì)，為造就無人領(lǐng)域高素質(zhì)人才夯實(shí)理論基礎(chǔ)。

1 戰(zhàn)場(chǎng)無人救助車的研制背景

創(chuàng)新工程實(shí)踐課程是依托機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拓展學(xué)生思維和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的一門公共選修課程，主要采用項(xiàng)目管理的方法來鍛煉和提升學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。對(duì)于軍事院校的學(xué)生來說，設(shè)計(jì)的項(xiàng)目必須立足于服務(wù)部隊(duì)，與武器裝備相關(guān)。當(dāng)前，無人裝備已成為武器裝備發(fā)展的重要趨勢(shì)，因此，要強(qiáng)化作戰(zhàn)需求的牽引，充分利用各種資源，基于無人系統(tǒng)對(duì)創(chuàng)新工程實(shí)踐課程進(jìn)行科學(xué)改革，其目的意義主要體現(xiàn)在兩方面。一是可以逐步培養(yǎng)無人作戰(zhàn)領(lǐng)域高素質(zhì)人才。無人系統(tǒng)技術(shù)綜合性強(qiáng)，涉及的學(xué)科多，可以通過創(chuàng)新工程實(shí)踐課程中的實(shí)際應(yīng)用來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)所需的知識(shí)，通過項(xiàng)目來鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。通過課程學(xué)習(xí)，逐步實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)的一體化發(fā)展，為造就無人作戰(zhàn)領(lǐng)域高素質(zhì)人才奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。二是為學(xué)生參加科技創(chuàng)新競(jìng)賽做鋪墊。創(chuàng)新工程實(shí)踐課程的設(shè)置目的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、提升學(xué)生的實(shí)踐能力。結(jié)合無人系統(tǒng)深化課程改革，可以調(diào)動(dòng)更多學(xué)生參與到無人系統(tǒng)的創(chuàng)新和實(shí)踐活動(dòng)中，依托課程基本完成項(xiàng)目，然后將創(chuàng)新成果加以完善，參加各類科技競(jìng)賽，進(jìn)一步提高戰(zhàn)斗力。

在此背景下，學(xué)生在無人裝備的設(shè)計(jì)領(lǐng)域開展研究，戰(zhàn)場(chǎng)搜救領(lǐng)域的無人搜救系統(tǒng)成為討論熱點(diǎn)。戰(zhàn)場(chǎng)搜救是指對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)傷員或失蹤人員進(jìn)行的搜尋和救援行動(dòng)，高風(fēng)險(xiǎn)性與高時(shí)效性并存。目前我軍前線傷員的搬運(yùn)方法主要有單人搬運(yùn)法和擔(dān)架搬運(yùn)法，其中擔(dān)架搬運(yùn)法是最常用的搬運(yùn)方法，需要兩個(gè)正常兵力配合完成救護(hù)工作，存在浪費(fèi)兵力和增加人員危險(xiǎn)性的問題，而且一旦出現(xiàn)大規(guī)模群死群傷情況，救護(hù)問題就顯得很棘手。為了提高作戰(zhàn)前沿的傷員救治水平，減少傷死率，適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)戰(zhàn)傷無人化救護(hù)的新要求，一組學(xué)生團(tuán)隊(duì)提出了一種戰(zhàn)場(chǎng)無人救助車的研制課題，該救助車在探測(cè)到傷員后，可以自動(dòng)搬運(yùn)傷員，減少人力、物力，提高戰(zhàn)斗力。

根據(jù)文獻(xiàn)查詢結(jié)果可知，目前美國和歐洲多個(gè)國家的應(yīng)急救援組織都對(duì)無人機(jī)搜救系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對(duì)傷員的一線救助主要采取的是無人機(jī)救助。據(jù)悉，以色列正在研制一種空中無人駕駛醫(yī)療系統(tǒng)，用于戰(zhàn)場(chǎng)傷員的現(xiàn)場(chǎng)急救、后送和治療[2]。美軍有一種智能型擔(dān)架，它是一種運(yùn)送傷病員的新穎平臺(tái)，相當(dāng)于一間小型的重癥加強(qiáng)護(hù)理病房（Intensive Care Unit，ICU），可置于野戰(zhàn)救護(hù)車、直升機(jī)和固定翼飛機(jī)內(nèi)作后送傷病員用[3]。目前國際上尚未有成熟的無人機(jī)戰(zhàn)場(chǎng)救援應(yīng)用案例，也沒有建成擁有完整體系的無人機(jī)搜救系統(tǒng)，但國外的研究成果可提供有益的借鑒。

2 戰(zhàn)場(chǎng)無人救助車的設(shè)計(jì)思路

該戰(zhàn)場(chǎng)無人救助車的設(shè)計(jì)主要包括控制部分和機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，本文著重討論機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照以下步驟進(jìn)行：首先，確定無人救助車的設(shè)計(jì)任務(wù)為在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)傷員的自動(dòng)搬運(yùn)和快速撤離，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)要求符合人機(jī)工程學(xué)原理，在救助的過程中盡量減小對(duì)傷員的二次傷害；其次，利用功能分析法對(duì)總的設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行功能分解，大體上可以分為車體移至合適位置、自動(dòng)搬運(yùn)傷員上車和運(yùn)送傷員離開3項(xiàng)分功能；再次，利用調(diào)查分析法、設(shè)計(jì)目錄法等科學(xué)的分析方法對(duì)各個(gè)分功能進(jìn)行求解；最后，將分功能的解法組合起來，形成實(shí)現(xiàn)總功能的原理解法[4]。根據(jù)以上步驟確定了無人救助車的設(shè)計(jì)思路，該戰(zhàn)場(chǎng)無人救助車主要采用履帶式的行進(jìn)方式，運(yùn)行平穩(wěn)，可以安全地運(yùn)輸傷員，在實(shí)施搬運(yùn)過程中，首先根據(jù)指揮中心通報(bào)的坐標(biāo)位置或者求救者發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行精確搜尋，待確定目標(biāo)后移動(dòng)至傷員附近，然后利用可動(dòng)式車板和機(jī)械手結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)將傷員搬運(yùn)上車，最后將傷員送到安全區(qū)域，整個(gè)工作流程設(shè)計(jì)見圖1。為圓滿完成設(shè)計(jì)任務(wù)，擬在研究過程中采用理論研究和模型制作相結(jié)合的方法。

圖1 戰(zhàn)場(chǎng)無人救助車工作流程設(shè)計(jì)圖

3 戰(zhàn)場(chǎng)無人救助車的設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)原理

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該戰(zhàn)場(chǎng)無人救助車屬于無人作戰(zhàn)范疇，可在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下代替人力進(jìn)入前線，自動(dòng)對(duì)傷病員進(jìn)行偵測(cè)并完成搬運(yùn)救助任務(wù)。學(xué)生在提出設(shè)計(jì)任務(wù)后，積極查找資料，進(jìn)行可行性分析，利用創(chuàng)新方法設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案，并利用慧魚創(chuàng)意組件搭建傳動(dòng)模型進(jìn)行方案的驗(yàn)證和完善。慧魚組件是一種工程積木，慧魚構(gòu)件的工業(yè)燕尾槽設(shè)計(jì)使它的6個(gè)面都可以和其他零件連接，實(shí)現(xiàn)任意的組合和擴(kuò)充，從而展示機(jī)械設(shè)計(jì)的過程，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用及動(dòng)手能力，利用慧魚創(chuàng)意組件搭建的戰(zhàn)場(chǎng)無人救助車整體結(jié)構(gòu)模型見圖2。救助車整個(gè)系統(tǒng)采用模塊組合式結(jié)構(gòu)，主要包括底盤傳動(dòng)模塊、搬運(yùn)車板模塊、機(jī)械手模塊和控制模塊4個(gè)部分。救助車工作時(shí)，首先移至合適位置，然后搬運(yùn)傷員，有意識(shí)的傷員可借助機(jī)構(gòu)自行上車，對(duì)于傷情較重和失去意識(shí)的傷員，機(jī)構(gòu)采用擬人式拖拉形式將其搬運(yùn)上車，快速撤離至安全區(qū)域。

圖2 戰(zhàn)場(chǎng)無人救助車整體結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.1 底盤傳動(dòng)模塊

該戰(zhàn)場(chǎng)無人救助車采用履帶傳動(dòng)方式，可以緩沖、吸振，保證運(yùn)送傷員時(shí)車體不產(chǎn)生劇烈抖動(dòng)而對(duì)傷員造成二次傷害。從圖2可以看出，履帶傳動(dòng)模塊位于車體兩側(cè)，共采用4個(gè)履帶輪和2條履帶，運(yùn)行時(shí)，履帶鏈的兩個(gè)鏈節(jié)之間的孔依次與履帶輪上的齒相嚙合，從而保證傳動(dòng)的平穩(wěn)進(jìn)行。車體左右兩側(cè)的履帶輪各用1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)車體的前移、后退、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作，使救助車在執(zhí)行任務(wù)時(shí)根據(jù)情況靈活運(yùn)行。

3.1.2 搬運(yùn)車板模塊

搬運(yùn)車板模塊是救助工作中的核心模塊，主要承擔(dān)搬運(yùn)傷員和承載傷員的任務(wù)，該模塊的尺寸設(shè)計(jì)符合我國成年人人體尺寸的標(biāo)準(zhǔn)，能夠保證搬運(yùn)時(shí)傷員的安全舒適。整個(gè)模塊采用了螺旋傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和搖塊機(jī)構(gòu)，利用慧魚創(chuàng)意組件搭建的搬運(yùn)車板正面結(jié)構(gòu)模型見圖3。

圖3 搬運(yùn)車板正面結(jié)構(gòu)示意圖

螺旋機(jī)構(gòu)有兩組，對(duì)稱布置在車板兩側(cè)，靠鏈條和鏈輪組成的鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，車板鉸接于螺旋機(jī)構(gòu)的下位螺母上，當(dāng)螺桿在動(dòng)力源作用下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)于車板對(duì)稱分布的兩個(gè)下位螺母帶動(dòng)車板前進(jìn)和后退，前進(jìn)和后退的距離根據(jù)傷員的位置和搬運(yùn)進(jìn)度而具體確定。搖塊機(jī)構(gòu)位于車板下方，作用是實(shí)現(xiàn)車板的傾斜，當(dāng)確定傷員位置后，車體移動(dòng)到合適位置，傾斜車板至救援的合適角度，其工作原理見圖4。可以看出，機(jī)架與上位螺母固定連接在一起，當(dāng)氣缸內(nèi)充氣體時(shí)推動(dòng)活塞桿移動(dòng)，車板便繞著回轉(zhuǎn)副中心B（車板與下位螺母的鉸接點(diǎn)）傾斜一定角度[5]。在搬運(yùn)過程中，螺旋機(jī)構(gòu)和搖塊機(jī)構(gòu)按照時(shí)序要求動(dòng)作，共同作用。

圖4 搖塊機(jī)構(gòu)工作原理圖

3.1.3 機(jī)械手模塊

機(jī)械手模塊的作用是配合搬運(yùn)車板模塊完成對(duì)傷員的搬運(yùn)工作，主要包括機(jī)械手結(jié)構(gòu)和位于車板兩側(cè)的平行四邊形機(jī)構(gòu)兩部分。機(jī)械手結(jié)構(gòu)連接在平行四邊形機(jī)構(gòu)的連桿上，見圖5，可以實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)動(dòng)：一是隨著連桿一起運(yùn)動(dòng)；二是通過機(jī)械手舵機(jī)提供動(dòng)力，使其相對(duì)連桿做往復(fù)擺動(dòng)。

當(dāng)救助車處于一般行走狀態(tài)時(shí)，機(jī)械手結(jié)構(gòu)升起，平行四邊形機(jī)構(gòu)處于壓縮狀態(tài)，連桿和機(jī)架重合在一起，見圖2。當(dāng)車體移動(dòng)到合適位置后，通過控制內(nèi)置機(jī)械手舵機(jī)，使機(jī)械手相對(duì)連桿擺動(dòng)，夾持到傷員的腋窩處，調(diào)整擺角以實(shí)現(xiàn)最佳的夾持角度；兩組平行四邊形機(jī)構(gòu)的曲柄剛性連接在一起，整個(gè)機(jī)構(gòu)的自由度為1，因此，所有運(yùn)動(dòng)由一個(gè)舵機(jī)控制，通過剛性聯(lián)動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)兩側(cè)機(jī)構(gòu)的同步運(yùn)行。

圖5 機(jī)械手模塊示意圖

當(dāng)機(jī)械手夾持到傷員腋窩合適位置后，配合搬運(yùn)車板模塊的運(yùn)動(dòng)，平行四邊形機(jī)構(gòu)的曲柄向上轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械手按照一定的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)，和車板配合完成搬運(yùn)傷員的功能，將傷員搬運(yùn)到合適位置后，平行四邊形機(jī)構(gòu)處于伸展?fàn)顟B(tài)，可以充當(dāng)護(hù)欄使用，避免在運(yùn)輸過程中發(fā)生傷員側(cè)翻。平行四邊形伸展?fàn)顟B(tài)見圖6。

圖6 平行四邊形伸展?fàn)顟B(tài)示意圖

3.2 實(shí)現(xiàn)原理

該戰(zhàn)場(chǎng)無人救助車的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了組合機(jī)構(gòu)，整個(gè)技術(shù)方案可概括為：首先，探測(cè)到傷員位置后，車體在履帶的驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)到便于救助的位置；其次，采用螺旋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車板的向前移動(dòng)，采用搖塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車板的傾斜，兩者配合使車板前端抵住傷員的合適部位；最后，利用內(nèi)置機(jī)械手舵機(jī)和平行四邊形機(jī)構(gòu)控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡，使其實(shí)現(xiàn)擬人式手臂抱作用向上抬傷員，將重心置于搬運(yùn)車板上，同時(shí)，機(jī)械手機(jī)構(gòu)、平行四邊形機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)等時(shí)序配合，實(shí)現(xiàn)快速安全的搬運(yùn)救援。搬運(yùn)動(dòng)作歸納如下：車板傾斜拖住頭部—機(jī)械手旋轉(zhuǎn)抓住腋窩處—機(jī)械手和車板上拉下推共同動(dòng)作—將傷員平穩(wěn)搬運(yùn)到車板上，從而完成救助搬運(yùn)工作，搬運(yùn)工作完成后，快速將傷員送至安全區(qū)域。

利用慧魚創(chuàng)意組件搭建的機(jī)構(gòu)模型已能完成基本動(dòng)作，初步實(shí)現(xiàn)無人救助功能。

4 結(jié)束語

創(chuàng)新工程實(shí)踐課程在組織教學(xué)內(nèi)容時(shí)以產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的一般進(jìn)程為主線，采用小組協(xié)同的形式開展教學(xué)，通過結(jié)合設(shè)計(jì)案例的講授和課堂討論環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)從關(guān)注現(xiàn)象入手，分析提煉現(xiàn)象背后的實(shí)質(zhì)問題與需求，進(jìn)而設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，解決問題。整個(gè)課程通過概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等創(chuàng)新實(shí)踐過程和研討答辯、實(shí)物模型制作、撰寫技術(shù)文件等環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造精神，鍛煉提煉歸納能力，拓展思維空間，增強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)踐能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，為我軍建設(shè)創(chuàng)新型軍隊(duì)提供強(qiáng)有力的人才和技術(shù)支撐。該戰(zhàn)場(chǎng)無人救助車的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作主要是在創(chuàng)新工程實(shí)踐課程中完成的，作品經(jīng)過修改完善，配以控制模塊，參加了陸軍工程大學(xué)第三屆“卓越杯”學(xué)生科技創(chuàng)新競(jìng)賽并獲得了二等獎(jiǎng)。事實(shí)證明，學(xué)生經(jīng)過課堂學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)實(shí)踐、競(jìng)賽升華等過程，切實(shí)提高了創(chuàng)新工程實(shí)踐能力，達(dá)到了創(chuàng)新工程實(shí)踐課程的目的。