一種多功能地震救援機(jī)器人產(chǎn)品設(shè)計(jì)

侯鑫新 曾志遠(yuǎn) 吳志強(qiáng)

摘要：設(shè)計(jì)了一種多功能地震救援機(jī)器人產(chǎn)品，以替代人類進(jìn)入高危自然災(zāi)害環(huán)境執(zhí)行救援任務(wù)。該產(chǎn)品主要由行走系統(tǒng)、基本功能系統(tǒng)和擴(kuò)展功能系統(tǒng)組成。行走系統(tǒng)為履帶輪式結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在災(zāi)后復(fù)雜地形中的移動(dòng)和穿越；基本功能系統(tǒng)有機(jī)械臂、攝像頭和儲(chǔ)物箱，可以清理障礙、勘測(cè)地形和運(yùn)送物資；擴(kuò)展功能系統(tǒng)可在運(yùn)送物資儲(chǔ)物箱時(shí)搭載不同功能的設(shè)備實(shí)現(xiàn)各類擴(kuò)展功能，如滅火、探測(cè)生命等。

關(guān)鍵詞：地震；救援；機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

地震等自然災(zāi)害發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)復(fù)雜、氣象惡劣、道路損毀，各類次生災(zāi)害頻發(fā)，救援裝備成為救災(zāi)應(yīng)急力量體系的重要組成部分[1]。而大型裝備無法快速抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)、環(huán)境難以勘測(cè)、救援人員生命安全受到嚴(yán)重威脅[2]，現(xiàn)提出一種地震救援機(jī)器人，采用小型化、多功能化和智能化設(shè)計(jì)，能夠替代人類，獨(dú)自進(jìn)入高危的自然災(zāi)害環(huán)境執(zhí)行救援任務(wù)。

1 設(shè)計(jì)方案

本文以便捷、實(shí)用、高效地解決地震救災(zāi)過程中的運(yùn)輸、醫(yī)療救治、飲食等問題為目的，設(shè)計(jì)一種多功能地震救援機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)行走、避障、爬樓、運(yùn)送物資、內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)、生命探測(cè)[3-4]、滅火、補(bǔ)給等功能，并且可在物資平臺(tái)儲(chǔ)物箱里靈活搭載物品以發(fā)揮更多作用。

該產(chǎn)品主要由行走系統(tǒng)、基本功能系統(tǒng)和擴(kuò)展功能系統(tǒng)組成，如圖1 所示。行走系統(tǒng)作為產(chǎn)品的支撐，可以實(shí)現(xiàn)在災(zāi)后復(fù)雜地形中的移動(dòng)和穿越；基本功能系統(tǒng)包括兩套機(jī)械臂、一套夜視彩色攝像機(jī)和一套運(yùn)送物資的儲(chǔ)物箱，可以清理障礙、勘測(cè)地形和運(yùn)送物資；擴(kuò)展功能系統(tǒng)包括一套滅火裝置和雷達(dá)生命探測(cè)儀，可以精準(zhǔn)滅火、探測(cè)生命等，也可以通過運(yùn)送物資儲(chǔ)物箱搭載不同功能的設(shè)備實(shí)現(xiàn)各類擴(kuò)展功能。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

產(chǎn)品以應(yīng)用場(chǎng)景多樣化、實(shí)現(xiàn)功能多樣性為基礎(chǔ)，從功能出發(fā)，將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分成3 個(gè)組成部分：行走系統(tǒng)、基本功能系統(tǒng)、擴(kuò)展功能系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 行走系統(tǒng)

行走系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在災(zāi)后復(fù)雜地形中的移動(dòng)和穿越，并作為產(chǎn)品的支撐，為產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)提供保障。

行走系統(tǒng)采用履帶式結(jié)構(gòu)，主要由電源、控制板、驅(qū)動(dòng)器、信號(hào)發(fā)送和接收裝置、伺服電機(jī)、主動(dòng)輪、后從動(dòng)輪、前支架、前從動(dòng)輪、履帶和車身等組成。通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、爬樓梯（爬陡坡）等功能。

2.1.2 基本功能系統(tǒng)

基本功能系統(tǒng)包括兩套機(jī)械臂、一套夜視彩色攝像機(jī)和一套運(yùn)送物資的儲(chǔ)物箱，可以清理障礙、勘測(cè)地形和運(yùn)送物資。

（1）機(jī)械臂。機(jī)械臂通過底座安裝在行走系統(tǒng)物資運(yùn)送平臺(tái)上，采用4 個(gè)M5 螺釘安裝，機(jī)械臂構(gòu)件之間的轉(zhuǎn)動(dòng)采用舵機(jī)連接和控制。為實(shí)現(xiàn)清障和避障功能，機(jī)械臂末端設(shè)計(jì)為鏤空形式，并且前面設(shè)計(jì)為尖端形式，方便抓取和跨越障礙。

（2）夜視彩色攝像機(jī)。夜視彩色攝像機(jī)采用防火材料，可根據(jù)災(zāi)后救援場(chǎng)景更換，通過4 個(gè)M5螺釘安裝于行走系統(tǒng)的物資運(yùn)送平臺(tái)上。

（3） 儲(chǔ)物箱。運(yùn)送物資的儲(chǔ)物箱采用2014鋁合金制成，為存放雷達(dá)生命探測(cè)儀等儀器設(shè)備，以及穿越災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)，大小設(shè)計(jì)為500 mm×400 mm×300 mm。

2.1.3 擴(kuò)展功能系統(tǒng)

擴(kuò)展功能系統(tǒng)包括一套滅火裝置和雷達(dá)生命探測(cè)儀，可以精準(zhǔn)滅火、探測(cè)生命等，也可以通過運(yùn)送物資儲(chǔ)物箱搭載不同功能的設(shè)備實(shí)現(xiàn)各類擴(kuò)展功能。

（1）雷達(dá)生命探測(cè)儀。雷達(dá)生命探測(cè)儀由雷達(dá)主機(jī)、掌上電腦（PAD）、三防包裝箱（防水、防塵、防震抗摔）及其他配件組成。可根據(jù)場(chǎng)景攜帶類似產(chǎn)品。

（2）滅火裝置。滅火裝置可采用市場(chǎng)上已經(jīng)成熟的自動(dòng)跟蹤定位射流滅火產(chǎn)品，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、紅紫外傳感技術(shù)、機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)和圖像傳輸?shù)燃夹g(shù)集于一體，一旦發(fā)現(xiàn)火情，立即完成定位并打開閥門進(jìn)行自動(dòng)滅火。

（3）滅火劑存放箱。滅火劑存放箱采用2014鋁合金制成，內(nèi)外表面進(jìn)行化學(xué)熱處理，有利于存放常用滅火劑，大小為500 mm×350 mm×270 mm，容量約50 L。

（4）管路。管路采用公稱直徑為14 mm、壁厚為1 mm 的2014 鋁合金管材，尺寸現(xiàn)場(chǎng)配置。

2.2 性能分析

2.2.1 載荷分析

該產(chǎn)品起主要作用的受力部件為機(jī)械臂和物資運(yùn)送平臺(tái)車架，特選取這兩個(gè)部分作為載荷分析對(duì)象。

（1）機(jī)械臂。機(jī)械臂機(jī)構(gòu)包括1 個(gè)底座和4 個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，驅(qū)動(dòng)活動(dòng)構(gòu)件的最大扭力為15 kg，以此作為結(jié)構(gòu)仿真主要載荷，進(jìn)行強(qiáng)度分析。零件材料均采用2014 鋁合金，材料強(qiáng)度極限為469 MPa，經(jīng)對(duì)比分析，機(jī)械臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)所受載荷最大，如圖2所示，為328.20 MPa，小于材料強(qiáng)度極限，符合設(shè)計(jì)要求。

（2）物資運(yùn)送平臺(tái)車架。物資運(yùn)送平臺(tái)車架上裝有兩套機(jī)械臂、一套夜視彩色攝像機(jī)和一套運(yùn)送物資儲(chǔ)物箱，總重量約為50 kg，單位面積上所承受的壓力為1 923 Pa，作為結(jié)構(gòu)仿真主要載荷，零件材料均采用2014 鋁合金。如圖3 所示，最大載荷為0.80 MPa，遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度極限，符合設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 機(jī)構(gòu)自由度分析

機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式如下：

Fn=3×n—2×FL—FH。 （1）

其中，F(xiàn)n 為機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目，n 為活動(dòng)構(gòu)件數(shù)，F(xiàn)L為低副連接數(shù)，F(xiàn)H 為高副連接數(shù)。

機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目等于原動(dòng)件數(shù)目，機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4 所示，其由1 個(gè)固定底座和4 個(gè)活動(dòng)構(gòu)件組成，即n=4；各構(gòu)件之間均通過轉(zhuǎn)動(dòng)低副連接，即FL=4；沒有高副連接，即FH=0。由此，根據(jù)式（1）計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目為4。

機(jī)械臂分別由4 個(gè)舵機(jī)控制運(yùn)動(dòng)，即機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目和原動(dòng)件數(shù)目相等。因此，機(jī)械臂機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)可行。

3 應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 倒塌高樓該產(chǎn)品抵達(dá)救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)后，配備好兩側(cè)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，物資平臺(tái)儲(chǔ)物箱存放雷達(dá)生命探測(cè)儀、飲用水、防護(hù)罩、氧氣瓶、常用工具等；產(chǎn)品行進(jìn)，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)清理道路障礙，斜體履帶式行走系統(tǒng)跨越障礙和爬樓梯；到達(dá)高樓內(nèi)部后，攝像系統(tǒng)傳輸探測(cè)畫面，生命探測(cè)儀工作，搜索幸存者。

如果發(fā)現(xiàn)幸存者，給其補(bǔ)充飲用水和氧氣，為其提供防護(hù)罩等逃生工具，幫助其安全離開。

考慮到樓層內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)門框?qū)挾葹?0 cm，該產(chǎn)品設(shè)計(jì)外形尺寸小于600 mm×600 mm×600 mm，可以到達(dá)房屋內(nèi)部任何角落。

產(chǎn)品的機(jī)械臂可提供一定的支撐作用，幫助幸存者逃生。

3.2 山地

該產(chǎn)品抵達(dá)救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)后，配備好兩側(cè)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，物資平臺(tái)儲(chǔ)物箱存放運(yùn)送物資；產(chǎn)品行進(jìn)，利用斜體履帶式行走系統(tǒng)跨越泥地、凹坑或山坡，攝像系統(tǒng)傳輸探測(cè)畫面；到達(dá)被困山地居民地點(diǎn)，運(yùn)送物資。

產(chǎn)品的機(jī)械臂可在行走過程中協(xié)助跨越路面障礙，在運(yùn)送物資時(shí)傳遞物品，起一定的輔助作用。

3.3 著火商業(yè)街

該產(chǎn)品抵達(dá)救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)后，配備好單側(cè)機(jī)械臂和一套滅火裝置，物資平臺(tái)儲(chǔ)物箱中罐裝好滅火劑，準(zhǔn)備好滅火器、防煙面罩、消防被、滅火毯、逃生繩等防火物品固定于機(jī)械臂末端結(jié)構(gòu)上；產(chǎn)品行進(jìn)，利用履帶式行走系統(tǒng)抵達(dá)火源根部位置，開啟滅火高壓噴頭進(jìn)行滅火；攝像系統(tǒng)傳輸探測(cè)畫面，如發(fā)現(xiàn)被困人員，利用機(jī)械臂傳遞防火物品，協(xié)助其逃離。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)均采用金屬材料，可耐高溫；夜視彩色攝像機(jī)和滅火裝置均采用防火材料，適用于著火場(chǎng)景。

3.4 坍塌平房

該產(chǎn)品抵達(dá)救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)后，配備好兩側(cè)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，物資平臺(tái)儲(chǔ)物箱存放雷達(dá)生命探測(cè)儀、飲用水、防護(hù)罩、氧氣瓶等；產(chǎn)品行進(jìn)，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)清理道路障礙，斜體履帶式行走系統(tǒng)跨越障礙；到達(dá)平房?jī)?nèi)部后，攝像系統(tǒng)傳輸探測(cè)畫面，生命探測(cè)儀工作，搜索幸存者。如果發(fā)現(xiàn)幸存者，給其補(bǔ)充飲用水和氧氣，為其提供防護(hù)罩等逃生工具，幫助其安全離開。產(chǎn)品的機(jī)械臂可在救援過程中抬起障礙物。

3.5 道路障礙

該產(chǎn)品抵達(dá)救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)后，配備好兩側(cè)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，物資平臺(tái)儲(chǔ)物箱存放運(yùn)送物資和工具；產(chǎn)品行進(jìn)，利用雙側(cè)機(jī)械臂移動(dòng)倒塌樹木、山體滑坡巨石等，逐步清理道路障礙，為后續(xù)大型救援設(shè)備到達(dá)打通通道。斜體履帶式行走系統(tǒng)可跨越地面裂縫。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一種多功能地震救援機(jī)器人，主要由行走系統(tǒng)、基本功能系統(tǒng)和擴(kuò)展功能系統(tǒng)組成。行走系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在災(zāi)后復(fù)雜地形中的移動(dòng)和穿越，為產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)提供保障；基本功能系統(tǒng)包括兩套機(jī)械臂、一套夜視彩色攝像機(jī)和一套運(yùn)送物資的儲(chǔ)物箱，可以清理障礙、勘測(cè)地形和運(yùn)送物資；擴(kuò)展功能系統(tǒng)包括一套滅火裝置和雷達(dá)生命探測(cè)儀，可以精準(zhǔn)滅火、探測(cè)生命等，可通過運(yùn)送物資儲(chǔ)物箱搭載不同功能的設(shè)備實(shí)現(xiàn)各類擴(kuò)展功能。

該產(chǎn)品便捷、實(shí)用，高效地解決了地震救災(zāi)過程中的運(yùn)輸、醫(yī)療救治、飲食等問題，滿足救援的時(shí)效性、智能性和自動(dòng)性要求，為解決當(dāng)前救援機(jī)器人深入地震或火場(chǎng)中時(shí)無法提供物資的問題提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 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[J]. 包裝工程，2022，43（24）：180-188.

[2] 李曉杰，梁健，李海泉. 基于AHP/QFD 與TRIZ的地震救援機(jī)器人設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2021，38（11）：121-128.

[3] 李昊，陳智慧. 生命探測(cè)儀在消防部隊(duì)的實(shí)用性研究[J]. 中國(guó)公共安全（學(xué)術(shù)版），2013（2）：60-62.

[4] 王建平，張?jiān)撇邨睿? 輕型地震救援裝備快速攜行方法研究[J]. 中國(guó)應(yīng)急救援，2021（3）：26-30.