場景驅動的四足消防機器人設計研究

摘 要：針對消防這一復雜的應用場景，對場景驅動的四足機器人的設計創新模式和設計流程進行了研究。通過文獻和多案例分析，探討了場景應用對四足機器人設計的影響，再將場景驅動的設計模型應用于消防場景，提煉出了3個核心設計步驟：消防用戶場景下的需求挖掘和使用者定位、消防概念場景下的功能定義和設計概念以及消防真實場景下的設計確定和產品驗證。通過設計實踐的深入探索，為場景驅動理論在各類產品創新設計中的應用提供了新的思路，有助于進一步豐富場景驅動設計理論體系，并加深對場景驅動下設計創新模式的理解。

關鍵詞：設計創新；場景驅動；消防場景；工業設計；產品設計；四足機器人

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）12-00-04

0 引 言

火災的高發頻率、強大破壞力以及廣泛危害，給社會發展和群眾安全帶來了不可預估的風險?；馂木仍缊鼍巴嬖诟鞣N不確定因素，如建筑物倒塌、易燃氣體泄漏引發爆炸等[1]。傳統的火災救援模式由于火災現場的復雜性，存在一定的局限。消防員難以及時、準確、全面地判斷火災情況，導致救援效率低下[2]。因此，針對火災場景，設計一種可以協助救援的機器人，以協助救援人員進行偵查、報警、搜救，并在一定程度上控制火勢，引導疏散人群，從而降低傷亡率，提高救援效率和安全性，具有重要的現實意義。

1 四足消防機器人

消防機器人的出現最早是為了應對各種復雜救援場景。1995年，在日本神戶-大阪地震救援和美國阿爾弗德聯邦大樓爆炸事件中，救援機器人的應用使得救援效率顯著提高。在美國“9·11”事件后，世界各國更是掀起了關于救援機器人的研究熱潮。同一時間，我國也開展了“863”計劃以支持消防機器人項目的研發工作[3]?，F有消防機器人根據其結構特征可分為輪式、履帶式、旋翼式和仿生式4大類。然而，由于體型較大、結構功能單一等因素，傳統機器人在面對坍塌隧道、高層建筑火災、陡坡障礙和狹小密閉空間等情況時，存在靈活性差和適應性低等問題[4]。

四足消防機器人具有較復雜的仿生結構，適用性更廣泛。通過裝配高精度、高強度的機械足結構，四足消防機器人不僅有著優異的運載能力，還具備更強的靈活性和適應性。同時，卓越的越障能力也使其能夠更加有效地獲取火場信息，利于協助救援工作的開展。

2 不同應用場景下的四足機器人的研究現狀

美國iRobot公司研發的PackBots救援機器人在美國“9·11”事件救援中表現優異。自此，各國都開始注重救援機器人尤其是四足機器人的研發[5]。美國國防部高級研究計劃局、噴氣推進實驗室和哈佛大學康科德電場站共同研制的名為BigDog的四足機器人，具有龐大的體型和高強度的驅動結構，能夠搭載重物并翻越各種障礙，是該領域最具代表性的成果之一[6]。

我國杭州宇樹科技有限公司推出的UnitreeB1四足機器人和杭州云深處科技研發的絕影X20消防偵察機器狗，在復雜地形和惡劣天氣中表現出色，具有高度的靈活性，因此在我國的救災工作中得到了廣泛應用。

列舉的國內外具有代表性的四足機器人的應用場景、結構類型、功能特點和圖片見表1。

綜上可知，不同的應用場景會影響機器人的具體開發細節，導致機器人的設計定位存在較大差異。因此，強調產品的實際應用場景，可以確保其功能滿足特定環境和用戶的獨特需求。場景驅動的設計不僅有助于提高機器人的實用性，還能在設計早期預測并解決潛在的操作問題，從而優化從設計到部署全流程。由此可見，場景驅動的設計思路對于實現高效的機器人系統是不可或缺的[7]。因此，本研究旨在以場景驅動作為設計方法和流程，對具有較高設計復雜度的機器人產品進行進一步探索。

3 場景驅動的四足機器人設計方法

場景驅動的創新是將現有技術應用于特定的場景，進而創造更大價值的過程[8]。設計學領域的場景理論主要由場域理論發展而來，即通過將設計應用的場域作為核心來展開設計創新[9]。場景類型可以分為用戶場景、概念場景和真實場景3個方面[7]，在四足機器人的設計研究過程中，融入這3種場景，將設計的關鍵點與預設場景匹配，從而構建出基于場景驅動的四足機器人設計模型。

3.1 場景驅動的設計模型

產品設計的關鍵點在于探尋用戶需求、產品設計迭代和最終方案確定，將其與3種場景類型進行匹配和融合，構建出基于場景驅動的設計創新模型，如圖1所示。該模型包括根據用戶場景進行需求的挖掘、根據概念場景進行產品設計和根據真實場景確定最終方案。其中，在用戶場景中探尋用戶真實需求是設計的基石，在概念場景中進行機器人改版迭代是設計的核心，最終在真實場景中進行方案驗證是設計的目標。

3.1.1 用戶場景下的需求挖掘

根據用戶場景挖掘需求，主要包括搭建用戶特定場景、分析用戶場景需求。研究方法主要包含現場調查、建立用戶畫像等。基于具體的用戶場景，預設用戶的反應和動線地圖，探尋用戶在特定場景下的實際需求，建立使用者畫像，獲取滿足需求的產品概念，作為下階段概念場景設計產品的基礎。

3.1.2 概念場景下的設計概念

根據概念場景設計產品，主要包括提出切實解決用戶痛點的方案、提供產品設計可視化方案表達、更新迭代不斷完善產品。通過繪制草圖、搭建3D模型、外觀渲染以及制作實物模型等方式實現方案的可視化，最終綜合對比多種設計方案選擇符合預期的結果。

3.1.3 真實場景下的設計確定

根據真實場景確定方案，主要包括實地調研真實場景、收集用戶體驗反饋、進一步優化產品。研究方法包括進行現場勘探、開展問卷調查以及約談使用者等，通過真實的用戶體驗和反饋結果進行最終的產品改良或方案確定。

3.2 場景驅動的四足機器人設計探索

根據上述場景驅動的設計模型，本研究將四足機器人設計流程分為分析用戶場景下的需求、概念場景下的機器人設計、真實場景下的最終方案確定。

3.2.1 消防用戶場景下的需求挖掘和使用者定位

分析用戶場景下的各類使用者及其需求。消防場景中的用戶主要涉及消防員、救援人員、受困者、圍觀群眾、消防設備制造商等。火災主要發生在大型商場等人員密集處、家庭居民樓、高綠植覆蓋地、事故車輛旁等地點。消防場景中不同角色分別有不同的需求：消防員的需求是快速準確地定位和撲滅火源，減弱火勢的蔓延，在確保自身安全的前提下搜尋被困人員并進行解救等；受困者的需求是躲避高溫、濃煙、有毒氣體等危險因素，獲得水源、空氣和救生設備，盡量設法進行自救等；圍觀群眾的需求是避免被火勢波及造成傷害，獲得災后心理撫慰等。

3.2.2 消防概念場景下的功能定義和設計概念

根據用戶場景獲得用戶痛點，構建概念場景，思考產品功能及造型，提出可視化的設計方案。最初功能定義包含火災監測和報警、自主導航和路徑規劃、火災控制和滅火、救援和搜救、數據收集和分析、遠程操作和監控、耐火和耐高溫設計、強化外部保護、人性化交互界面、便攜性和易儲存性等功能。如圖2所示，此階段共進行了5次迭代。初期的3個方案主要是根據現有技術平臺的限制，對平臺、腿部和足部的結構和外觀進行設計，但存在穩定性低、負載能力弱等問題。隨后的方案采用較穩定的昆蟲仿生足，并配有警示性的醒目顏色。

3.2.3 消防真實場景下的設計確定和產品驗證

最后階段是進行場景驗證，提供反饋并確認最終方案。根據概念場景生成的四足消防機器人方案，按照流程進行用戶體驗測試。通過真實場景下的產品驗證與反饋，最終從技術可行性、市場需求、環境適應性、安全性與可靠性、成本效益、法律和法規等方面進行綜合考量，完成產品設計迭代，重新確定產品功能，包含自主行動、環境感知、通信、自主充電、數據分析、空氣凈化、遠程操作和監控、耐火和耐高溫、人性化交互界面等。觀察四足消防機器人的實地使用測試過程，從操作機器人的消防員處獲取試用反饋信息，檢查實際收集數據的準確度和救援成功人數等，并將其作為機器人更新迭代的重要參考依據。因實際場域的限制，本研究制作了產品功能原型并對其行進、越障和視覺識別等功能進行了驗證，如圖3所示。根據最終的概念方案，進行深入的結構設計和手板模型制作，以驗證其結構和外觀的性能，如圖4所示。

4 結 語

場景驅動的設計方法和理論已經引起了學術界的廣泛關注，尤其是面向復雜場景的設計創新[10]。火災給人類社會的發展造成了嚴重的威脅，且消防場景極其復雜，因此將場景驅動的設計方法應用于消防相關產品的設計創新，滿足了社會發展的需求，順應了設計創新的趨勢。本文首先就四足機器人的場景應用進行了討論，分析出場景應用對于該類產品的設計定位具有較大影響。將場景驅動的設計模型應用于消防場景，提煉出四足消防機器人的3個核心設計步驟：消防用戶場景下的需求挖掘和使用者定位、消防概念場景下的功能定義和設計概念，以及消防真實場景下的設計確定和產品驗證。經過設計實踐探索和分析，可知在消防用戶場景下首先應該明確使用者定位，因為該場景下的利害相關極其復雜，梳理好使用者定位和需求，才能進行明確的產品功能定義。概念場景下展開的設計迭代尤其重要，需考量功能實現、技術應用、設計定位等多方面的因素。真實場景的產品驗證是驗證產品設計是否可行的關鍵階段，也是最具有難度和挑戰的階段，需進一步在技術可行性、市場需求、環境適應性、安全性與可靠性、成本效益、法律法規等方面進行綜合考量。本研究因實際應用場域的特殊性，未能真實應用于消防場境中。因此，消防類產品設計在真實場景中的進一步應用與驗證值應該在未來進一步探索。此外，將場景驅動的方法引入設計流程中，從設計需求到設計展開再到設計驗證這一流程并非是線性的，而是在每個環節中都需要進行循環迭代，甚至會在第3階段的驗證環節重新回到第1環節進行需求分析。本研究提出的場景驅動的3個設計步驟，為各類產品設計在不同場景中的應用提供了新的思路。

注：本文通訊作者為宋姣。

參考文獻

[1]邵荃，翁文國，鄭雄，等.城市火災案例庫輔助決策方法的研究[J].中國安全科學學報，2009，19（1）：113-117.

[2]戴慎超，顧?；?，孫景富，等.未知環境下的消防機器人智能滅火技術[J].兵工自動化，2023，42（1）：86-91.

[3]蘇衛華，吳航，張西正，等.救援機器人研究起源、發展歷程與問題[J].軍事醫學，2014，38（12）：981-985.

[4]吳志軍. RoboCup實物救援機器人研究[D].南京：東南大學，2017.

[5]張亞婉，莫浩明，朱穎，等.消防救援機器人輔助探測系統設計[J].電子設計工程，2022，30（8）：66-70.

[6]丁良宏，王潤孝，馮華山，等.淺析BigDog四足機器人[J].中國機械工程，2012，23（5）：505-514.

[7]黃彪.場景驅動的智能產品設計方法與實踐[D].湘潭：湘潭大學，2018.

[8]尹西明，蘇雅欣，陳勁，等.場景驅動的創新：內涵特征、理論邏輯與實踐進路[J].科技進步與對策，2022，39（15）：1-10.

[9]朱毅，楊娟，卜丹.數據驅動服務：從個人場景數據看定制化服務設計[J].裝飾，2022（3）：130-132.

[10]賴紅波，楊子嬋.場景視角下設計驅動智能產品創新對感知情感與口碑傳播的影響[J].科技進步與對策，2023，40（24）：31-41.

基金項目：江蘇省創業訓練重點項目（202311463119E）；江蘇高校哲學社會科學研究項目（KYZB21518）

作者簡介：黃 煒（2003—），男，研究方向為工業設計、智能產品設計。

宋 姣（1984—），女，碩士，副教授，研究方向為設計策略、智能產品設計。

顧書語（2001—），男，研究方向為工業設計、交通工具設計。

陸奕（2004—），男，研究方向為工業設計、智能產品設計。

姜 淑（2003—），女，研究方向為工業設計、交互設計。