论设计无人机器人对于救援的重要性

摘 要：随着人类科学技术的飞速的发展，许许多多的新兴科学来到了人们的视野之中。其中，机器人学就是这么一种学科。在工业，救援，运输，医疗等多种方面他都有着十分重要的运用。移动机器人的分类有许多，无人机器的应用发展是目前机器人领域的重点之一，而无人机器在人力无法到达的搜救领域将来会起到非常重要的作用。本文是对目前陆地上（主要是地震灾难）的搜救设备进行阐述和设想。

关键词：无人搜救机器设备；地震；热像探索技术；机械力结构

1 概述

世界各地每年都遭受着无数自然或人为灾害的破坏。灾后最紧急的事情就 是搜救那些困在废墟中的幸存者。然而，错综复杂，险象环生，情况不定的灾害现场给救援人员及幸存者带来巨大的威胁阻碍救援工作快速有效地进行。目前搜救主要是以人力为主，机动性不高，救援进度慢，复杂性地区人力难及。以下文章将对陆地的救援分开论述。

2 参考信息综述

2.1 国内近年的地震案例

北京时间2008年5月12日14时27分59.5秒，四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县发生里氏8.0级地震，地震造成69227人遇难，374643人受伤，17923人失踪。

北京时间2013年4月20日8时02分四川省雅安市芦山县发生里氏7.0级地震，地震共计造成196人死亡，失踪21人，11470人受伤。

2.2 灾害现场影响搜救工作的主要因素

世界各地每年都遭受着无数自然或人为灾害的破坏。灾后最紧急的事情就 是搜救那些困在废墟中的幸存者。然而，错综复杂，险象环生，情况不定的灾害现场给救援人员及幸存者带来巨大的威胁阻碍救援工作快速有效地进行。主要影响：1）空间限制。2）结构不稳定。3）危险物质和大火。这些危险因素给灾害救援工作带来了极大的阻碍，常常使救援付出沉重的代价。美国紧急救援办公室的统计数据表明，从搜寻到营救1名幸存者平均需要10个救援人员花费4个小时的时间，甚至更多。

2.3 设计要求

（1）机械设计。根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。

（2）结构设计。按照产品定位的要求，在对现实需求及现有产品进行功能调查分析的基础上，对所定位产品应具备的目标功能系统进行概念性构建的创造。利用仿生原理，结合蜘蛛的形态来设计机器人的基本形体结构。

（3）功能设计。功能设计的任务是在总体设计的基础上，根据所确定的原理方案，设计搜救功能在机器人的基本构图上，以体现任务所要求的热成像功能以及定位信号传输功能。

（4）行走设计。1）行走设计是大型机械整机的支承件，用来支承整机的重量，承受机构在作业过程中产生作用力，并完成整机行进、后退、转移和作业移动。2）履带式输送车设计，可以将无人搜救设备“子母”功能化，可以快速适应灾区的地形，到达指定的大范围区域后，放下“蜘蛛型”机器人，进入第二阶段的工作任务。

3 蜘蛛机器人设计思路与过程

3.1 设计理念

设计研究灾难搜救行动，通过母机履带车第一时间空投至灾难现场，子机六脚搜寻机器人进入灾难现场内部进行更为深入的探测，获取全面准确的信息，通过对幸存者地理位置的标识，进行直到搜救。这是一种更为有效的灾难搜救方式。为搜救争取更多的时间，避免盲目的挖掘，导致对人力物力的浪费。节约时间和资源的同时，可以更大更好地提供当地的环境信息，供给将要进入的搜救队参考，避免余震等地质伤害发生时的灾难。

3.2 基本形态

考虑到步行移动方式的全面性，团队经过头脑风暴，想到了昆虫。以蜘蛛为例，构想出一款“六脚蜘蛛侠”，“蜘蛛能在各种崎岖地形上爬行，蜘蛛八脚，而无人式搜救机器人的行走方式六只脚就足够了。考虑到机器人的体型较小，能源动力提供不足，意味着机器人的活动空间是受到限制的，所以可以设计“子母式”结构，设计一款履带车，可以更好地将搜救机器人推进入灾难的发生地。

灾难发生时，道路基本中断，所以采用整体打包空投的模式，履带车的体积不是很大，直升机或者运输机可以携带多台“综合”的救援车，到达指定区域后，利用降落伞，将设备空投出去，落地后动力开始工作，履带车可利用终端的平台集体操控行走，发现生命体征后，放置小型“蜘蛛”式机器人，机器人可以进入到废墟的空间内，立体扫描结构成像，热源跟踪标注被困人员的坐标。上传给履带车，再中转回终端的控制平台，记录生成后，搜救队可以利用掌上信息交互平台得到相应的信息。这样可以保证信息的准确性和时效性。

3.3 结构关系

通过动物仿生学，足是昆虫的运动器官。昆虫有3对足，我们相应地称为前足、中足和后足。每个足由基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节几部分组成。蜘蛛搜索机器人的足关节通过牵引装置连接，可以如同蜘蛛一般自由移动。

4 遇险的表现

当机器人遇到多次崩塌现象，尤其是余震发生的时候，“蜘蛛”可以将6只“脚”蜷缩在身体两侧，形成“饼”状具有较强的抗压性。如果被砸断或者卡住其中1～2只“脚”可采用“壁虎断尾”的效果，舍弃废弃的脚，变成4～5足行进，不多于2只的情况下，依然可以工作行走。当机器人发现周边有生命体征之后，会像大头针一样停留在原地，只是发送信号和图像，这样可以节省更多的电力，支持到后续救援到达。

5 总结

综合灾难的发生过程，设计一款无人的救援机器，可以节省人力和达到快速救援的目的。这样可以更加安全，减少余震多搜救人员造成再次伤害。热成像原理可以将需要救援的人员标注在地形图中，甚至更加详细的提供当前的地质和建筑废墟构造，解决如何下手救援的盲目性，更有效和快速的救援，可以减少灾难后死亡的人数，让更多的人生存下来。后阶段的设计可以考虑携带救生设备，这样可以使废墟中的人员有给养，延长救援时间。

作者简介：李庆君（1982—），男，辽宁盖州人，硕士，无锡太湖学院助教，主要研究方向：产品设计类。