一種多功能地震救援機器人產(chǎn)品設(shè)計

侯鑫新 曾志遠(yuǎn) 吳志強

摘要：設(shè)計了一種多功能地震救援機器人產(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)，可以實現(xiàn)機器人在災(zāi)后復(fù)雜地形中的移動和穿越；基本功能系統(tǒng)有機械臂、攝像頭和儲物箱，可以清理障礙、勘測地形和運送物資；擴展功能系統(tǒng)可在運送物資儲物箱時搭載不同功能的設(shè)備實現(xiàn)各類擴展功能，如滅火、探測生命等。

關(guān)鍵詞：地震；救援；機器人

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

地震等自然災(zāi)害發(fā)生后，現(xiàn)場地勢復(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、環(huán)境難以勘測、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器人，采用小型化、多功能化和智能化設(shè)計，能夠替代人類，獨自進(jìn)入高危的自然災(zāi)害環(huán)境執(zhí)行救援任務(wù)。

1 設(shè)計方案

本文以便捷、實用、高效地解決地震救災(zāi)過程中的運輸、醫(yī)療救治、飲食等問題為目的，設(shè)計一種多功能地震救援機器人，可實現(xiàn)行走、避障、爬樓、運送物資、內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測、生命探測[3-4]、滅火、補給等功能，并且可在物資平臺儲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，可以實現(xiàn)在災(zāi)后復(fù)雜地形中的移動和穿越；基本功能系統(tǒng)包括兩套機械臂、一套夜視彩色攝像機和一套運送物資的儲物箱，可以清理障礙、勘測地形和運送物資；擴展功能系統(tǒng)包括一套滅火裝置和雷達(dá)生命探測儀，可以精準(zhǔn)滅火、探測生命等，也可以通過運送物資儲物箱搭載不同功能的設(shè)備實現(xiàn)各類擴展功能。

2 產(chǎn)品設(shè)計

產(chǎn)品以應(yīng)用場景多樣化、實現(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 個組成部分：行走系統(tǒng)、基本功能系統(tǒng)、擴展功能系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 行走系統(tǒng)

行走系統(tǒng)可以實現(xiàn)在災(zāi)后復(fù)雜地形中的移動和穿越，并作為產(chǎn)品的支撐，為產(chǎn)品功能實現(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)動器、信號發(fā)送和接收裝置、伺服電機、主動輪、后從動輪、前支架、前從動輪、履帶和車身等組成。通過控制電機的轉(zhuǎn)動，實現(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)包括兩套機械臂、一套夜視彩色攝像機和一套運送物資的儲物箱，可以清理障礙、勘測地形和運送物資。

（1）機械臂。機械臂通過底座安裝在行走系統(tǒng)物資運送平臺上，采用4 個M5 螺釘安裝，機械臂構(gòu)件之間的轉(zhuǎn)動采用舵機連接和控制。為實現(xiàn)清障和避障功能，機械臂末端設(shè)計為鏤空形式，并且前面設(shè)計為尖端形式，方便抓取和跨越障礙。

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

（3） 儲物箱。運送物資的儲物箱采用2014鋁合金制成，為存放雷達(dá)生命探測儀等儀器設(shè)備，以及穿越災(zāi)后現(xiàn)場，大小設(shè)計為500 mm×400 mm×300 mm。

2.1.3 擴展功能系統(tǒng)

擴展功能系統(tǒng)包括一套滅火裝置和雷達(dá)生命探測儀，可以精準(zhǔn)滅火、探測生命等，也可以通過運送物資儲物箱搭載不同功能的設(shè)備實現(xiàn)各類擴展功能。

（1）雷達(dá)生命探測儀。雷達(dá)生命探測儀由雷達(dá)主機、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)場景攜帶類似產(chǎn)品。

（2）滅火裝置。滅火裝置可采用市場上已經(jīng)成熟的自動跟蹤定位射流滅火產(chǎn)品，將計算機技術(shù)、紅紫外傳感技術(shù)、機械傳動技術(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械臂和物資運送平臺車架，特選取這兩個部分作為載荷分析對象。

（1）機械臂。機械臂機構(gòu)包括1 個底座和4 個活動構(gòu)件，驅(qū)動活動構(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)行強度分析。零件材料均采用2014 鋁合金，材料強度極限為469 MPa，經(jīng)對比分析，機械臂執(zhí)行機構(gòu)所受載荷最大，如圖2所示，為328.20 MPa，小于材料強度極限，符合設(shè)計要求。

（2）物資運送平臺車架。物資運送平臺車架上裝有兩套機械臂、一套夜視彩色攝像機和一套運送物資儲物箱，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)小于材料強度極限，符合設(shè)計要求。

2.2.2 機構(gòu)自由度分析

機構(gòu)自由度計算公式如下：

Fn=3×n—2×FL—FH。 （1）

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

機構(gòu)具有確定運動的條件是機構(gòu)的自由度數(shù)目等于原動件數(shù)目，機械臂的機構(gòu)運動簡圖如圖4 所示，其由1 個固定底座和4 個活動構(gòu)件組成，即n=4；各構(gòu)件之間均通過轉(zhuǎn)動低副連接，即FL=4；沒有高副連接，即FH=0。由此，根據(jù)式（1）計算機構(gòu)自由度數(shù)目為4。

機械臂分別由4 個舵機控制運動，即機構(gòu)的自由度數(shù)目和原動件數(shù)目相等。因此，機械臂機構(gòu)具有確定的運動，產(chǎn)品設(shè)計可行。

3 應(yīng)用場景

3.1 倒塌高樓該產(chǎn)品抵達(dá)救災(zāi)現(xiàn)場后，配備好兩側(cè)機械臂結(jié)構(gòu)，物資平臺儲物箱存放雷達(dá)生命探測儀、飲用水、防護(hù)罩、氧氣瓶、常用工具等；產(chǎn)品行進(jìn)，機械臂結(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)傳輸探測畫面，生命探測儀工作，搜索幸存者。

如果發(fā)現(xiàn)幸存者，給其補充飲用水和氧氣，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)場后，配備好兩側(cè)機械臂結(jié)構(gòu)，物資平臺儲物箱存放運送物資；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)傳輸探測畫面；到達(dá)被困山地居民地點，運送物資。

產(chǎn)品的機械臂可在行走過程中協(xié)助跨越路面障礙，在運送物資時傳遞物品，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)場后，配備好單側(cè)機械臂和一套滅火裝置，物資平臺儲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)傳輸探測畫面，如發(fā)現(xiàn)被困人員，利用機械臂傳遞防火物品，協(xié)助其逃離。

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

3.4 坍塌平房

該產(chǎn)品抵達(dá)救災(zāi)現(xiàn)場后，配備好兩側(cè)機械臂結(jié)構(gòu)，物資平臺儲物箱存放雷達(dá)生命探測儀、飲用水、防護(hù)罩、氧氣瓶等；產(chǎn)品行進(jìn)，機械臂結(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)平房內(nèi)部后，攝像系統(tǒng)傳輸探測畫面，生命探測儀工作，搜索幸存者。如果發(fā)現(xiàn)幸存者，給其補充飲用水和氧氣，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)場后，配備好兩側(cè)機械臂結(jié)構(gòu)，物資平臺儲物箱存放運送物資和工具；產(chǎn)品行進(jìn)，利用雙側(cè)機械臂移動倒塌樹木、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)計一種多功能地震救援機器人，主要由行走系統(tǒng)、基本功能系統(tǒng)和擴展功能系統(tǒng)組成。行走系統(tǒng)可以實現(xiàn)機器人在災(zāi)后復(fù)雜地形中的移動和穿越，為產(chǎn)品功能實現(xiàn)提供保障；基本功能系統(tǒng)包括兩套機械臂、一套夜視彩色攝像機和一套運送物資的儲物箱，可以清理障礙、勘測地形和運送物資；擴展功能系統(tǒng)包括一套滅火裝置和雷達(dá)生命探測儀，可以精準(zhǔn)滅火、探測生命等，可通過運送物資儲物箱搭載不同功能的設(shè)備實現(xiàn)各類擴展功能。

該產(chǎn)品便捷、實用，高效地解決了地震救災(zāi)過程中的運輸、醫(yī)療救治、飲食等問題，滿足救援的時效性、智能性和自動性要求，為解決當(dāng)前救援機器人深入地震或火場中時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)后救援機器人設(shè)計研究[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的地震救援機器人設(shè)計[J]. 機械設(shè)計，2021，38（11）：121-128.

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

[4] 王建平，張云昌，高楊，等. 輕型地震救援裝備快速攜行方法研究[J]. 中國應(yīng)急救援，2021（3）：26-30.