基于人機交互的微小型偵查式爬壁機器人的外觀設計研究

霍 昕

（天津職業技術師范大學，天津 300222）

微小型武器是美國等先進工業國家于20世紀90年代開始發展的新概念武器，它對21世紀戰爭的模式將會帶來變革性的影響。機器人這一前沿技術自然是微小型武器發展的重點所在。小型移動機器人具有在高度受約束環境中秘密行動的功能，因而非常適合于軍事應用。

1 微小型偵查式爬壁機器人研究概況

目前，針對日益猖獗的恐怖主義和暴力犯罪行為，利用偵查式機器人技術提升部隊戰斗力并保障相關人員安全已成為國內外相關研究領域共同關注的焦點問題。在處理恐怖事件，遭受襲擊后產生的核、生、化等災害時，經常會遇到情況不明、人員無法接近或高度危險的區域。此時，爬壁機器人可以被投放到偵查區域，在室外的壁面或玻璃上吸附，用自帶的偵察設備偵察不明情況或者難以進入的復雜場合，查明現場情況，并將信息傳送回總控系統，供指揮人員做出及時有效的決策。同時，微小型爬壁機器人還具有極強的隱蔽性能和一定的殺傷能力，可以攜帶爆破物并在適當的時候自爆，破壞敵方通訊設施，大大減少人員傷亡，提高安全保障性能，并增強了工作效率。

鑒于微小型武器技術的重大意義，從上世紀90年代開始，美、英等國家就競相開發相關的機器人技術。一方面，從反恐戰場的實際需要出發，研制出應對不同危險環境的核生化偵察和防恐、防爆遙控機器人系統；另一方面，又針對可能遇到的城市巷戰的問題，研制出能夠覆蓋地面、建筑作業面及空中作業全方位的偵查式機器人系統，使其分別從事偵察、防爆、取樣、檢測、搜救等任務。

圖2 偵查式機器人全方位系統

與國外相比，我國在機器人研究方面起步較晚，為了應對全球化的反恐形勢，我國也開展了“反恐排爆機器人測試評估與培訓關鍵技術研究”和“微小型移動偵察機器人”等研究項目。包括清華大學、中國科學研究院、華南理工大學、哈爾濱工業大學在內的多家研究機構也開展了一系列反恐偵察爬壁機器人研究。

2 微小型偵查式爬壁機器人的人機交互模式

（1）使用人群心理分析及使用環境分析。在實際的反恐環境中，可能存在著敵情復雜、突變、隱蔽、破壞性強等特點。反恐人員必須是具有過硬的應付復雜情況的技術素質的軍事人才。但在特定的環境下，反恐人員也可能無法順利完成任務。在面臨突發事件時，反恐人員心理壓力超負荷，自身安全也沒有保障。以反樓宇內人質劫持為例，犯罪分子隱藏在房間里，外面的反恐人員很難了解到房間內部的情況。這時，反恐人員可以為反恐爬壁機器人配備偵查設備，利用遙控裝置控制其悄無聲息地沿壁面爬到便于偵查的位置。爬壁機器人把用攝像機拍攝到的房間內部的圖像，通過無線傳輸裝置實時傳到幾百米外的移動基站，為反恐人員判斷形勢、做出決斷提供現場依據。爬壁機器人還可同時攜帶武器模塊，在危急時進行攻擊。作為軍事用途，要求具有很強的隱蔽性能，所以也應考慮這方面的因素。比如色彩的選用首先必須考慮它的隱蔽性。

（2）操作心理分析。小型爬壁機器人的功能主要是用于偵察，所以它必須擁有移動方便的紅外攝像機以及先進的無線傳輸裝置和優化的控制系統。當前影響機器人軍事應用的瓶頸主要就是智能控制。智能控制方面，現在的機器人是無法替代人的，它們在結構、環境，突發事件處理等方面都無法像人一樣隨機應變，在對事物的感知、識別和判斷等方面，都還有人為的因素在內。機器人只適合在“結構化環境”下根據原先的程序規劃完成既定的任務。從技術的本質來說，現在的機器人基本上還是預先編程的，人工智能的實現具有極強的挑戰性。以往的機器人也因此缺乏親和力，甚至繁復的操作控制會給操作帶來疲憊感。有的甚至沒有很好的考慮到人機工程學原理，使得使用者的操作變得不易識別或是容易混淆。在操作方面無法實現人—機—環境的協調。

3 微小型偵查式爬壁機器人的造型方法

（1）微小型偵查式爬壁機器人的結構設計。偵查式爬壁機器人系統通常包括三個主要部分：真空吸附式爬壁機器人，便攜式遙控器和無線視頻傳輸模塊。現在國內的移動式爬壁式機器人實驗多采用真空吸附式設計方案，包括機械本體、DSP控制器、氣動單元、電源和各種內外部傳感器件。通過遙控加自主的控制方式，機器人可以在光滑壁面上爬行移動，并能實現在兩個不同傾斜平面間跨越。便攜式控制器則是一個小型的射頻遙控系統，通過對控制指令的RF編碼、傳輸和解碼，操作者可以在一定距離內對爬壁機器人的運動進行無線控制。無線視頻模塊實現了對現場情況的偵察，并能夠將動態圖像實時地傳輸給操作者和遠端的指揮中心，為決策者提供參考信息。

圖1 偵察式爬壁機器人結構展示

由于機器人發展趨勢向高智能化發展，爬壁機器人的設計除了要保證其基本性能外，還需增加附加功能如打擊、導航、援助、紅外探測、激光指示、對講等功能。由此可見，現有爬壁機器人設計多為技術革新，沒有考慮到使用者心理、使用環境的諸多人機因素。就機構本身而言，沒有很好的保護意識，當機構處于危險狀態時，沒有隱蔽的外形，易被敵人發現。同時當機構遇到不可預測的故障時，比如在墻壁條件和溫度條件不合適的情況下，爬壁機器人會從墻壁高處墜落。

（2）微小型偵查式爬壁機器人的外觀設計研究。爬壁機器人由于微小型爬壁機器人多用于偵察和爆炸物排除，地震廢墟中的受難者搜索和救援等。這些場合不僅對于機器人的性能提出較高要求，同時在造型上也應考慮相應的設計要求。微小型偵查式爬壁機器人要求體積小、重量輕、方便進入偵察地點，并能夠迅速投入使用。

在造型材料方面，應盡量選用堅固而輕薄的材料，相較于金屬存在質量較重的問題，選取玻璃纖維增強塑料（亦稱作玻璃鋼）等高性能材料作為外部造型的材料更為適宜，同時加工成型也更為方便。在造型結構方面，應盡量配合內部性能進行設計。在上表面增加活動式開口，方便攝像頭進行伸縮偵查。保證外部結構不影響機構的壁面吸附性能。在造型色彩方面，應該突出機器人的隱蔽性能，使犯罪分子不易察覺。對于使用者有直接接觸和互動的產品來說，其部件的尺寸與形狀應該被邏輯地組織在一起，以便于認定、接觸、抓握和操控。小型爬壁機器人在爬行中的各種因素的局限性要求設計造型簡潔，盡量避免由于繁復的設計導致的重量較重、功能不易識別等問題。

4 結語

微小型偵查式爬壁機器人的研究，除了提高偵察、探測、救援、安全維護等需求的智能化以外，還應考慮到在危險環境中人機交互模式的重要性。研究“人——機器”交互方法，能夠使機器人外部造型攜帶方便、操作靈活，隱蔽性能良好。同時鑒于對人機交互模式的考量，也可使操作人員在偵察現場時，臨場感效果好，更好地應對和處理突發事件、加快事故處理速度、降低事故造成的財產損失，縮小機構損傷，保證人員安全。基于人機交互模式的外觀探索性設計和研究對現代防空反恐軍事發展具有重要意義。

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