軍用無人地面運輸車的工業設計研究

張明　江磊　王志瑞

摘 要：軍用無人地面運輸車作為近年各國認可的解決士兵負重的解決方案，設計研發也被日益關注。本文從工業設計角度切入，通過典型設計案例分析，提出了以戰術任務為中心，關注作戰人員體驗的設計框架;并從工業設計角度梳理軍用無人地面運輸車的功能設計、交互設計、造型設計所呈現的主要特征。

關鍵詞：工業設計 無人地面運輸車 設計特征

Research on Industrial Design of Military Unmanned Ground Transport Vehicle

Zhang Ming Jiang Lei Wang Zhirui

Abstract：Military unmanned ground transport vehicles have been recognized by various countries in recent years as a solution to solve the burden of soldiers， and their design and development have also been paid more and more attention. This paper starts from the perspective of industrial design， and through the analysis of typical design cases， proposes a design framework that focuses on tactical tasks and the experience of combatants; the paper also combs the functional design， interaction design and styling design of military unmanned ground transport vehicles from the perspective of industrial design and presents the main design features.

Key words：industrial design， unmanned ground transport vehicle， design features

1 引言

隨著單兵的裝備升級和作戰使命的拓展，現代化步兵一般會攜帶30～50kg的裝備投入戰斗，其中包括防彈衣、彈藥、電子設備、醫療用品等。單兵所攜帶的裝備重量超過體重的1/3以上，行動能力就會明顯下降，影響作戰的整體效率。目前世界各國都意識到解決士兵背上日益增長的裝備重量已成為迫在眉睫的問題。

2019年10月美國陸軍選中通用動力陸地系統公司設計生產的MUTT多用途戰術運輸無人車，能夠攜帶高達1000磅重量的裝備，在沒有任何支援情況下，獨自行駛60英里。除了減負以外，它們還可以運送一些重武器，運送傷員，深入未知戰場進行偵查。美軍計劃在未來購入超過5700輛MUTT無人車并在2024年全部裝備美軍。

2 軍用無人地面運輸車的發展現狀

無人地面運輸車作為自主行駛型無人地面載具，可依靠自身動力進行移動，為作戰人員提供運輸及后勤支援，還可加裝武器模塊作為火力支援[1]。該型載具主要功能包括運輸士兵裝備的通用移動平臺，與可選加裝組件配合，提升班、排級的偵察與作戰能力。目前通用移動平臺主要有輪式、履帶式、四足式三類：輪式和履帶式技術成熟，是較為常用的承載方式;四足系統機動性與通過性更好，能適應更復雜艱難的地形。波士頓動力公司先后研發了 多款四足機器人，盡管在性能方面都有著卓越的表現，但由于噪音問題較為突出，目前沒有得到廣泛使用。

美軍是運用無人載具最普遍的國家，阿富汗戰場與伊拉克境內投入使用超過5000臺無人地面載具，有效降低了非正規戰斗巡邏所造成之死亡率。美軍典型無人地面運輸系統有SMET 系列、BigDog 無人平臺和Wingman 側翼系列。SMET具備全地形作戰支援能力，能為輕型部隊和先鋒部隊提供運輸和后勤支援等任。四足仿生型無人平臺，頭部裝有立體攝像頭和激光掃描儀，依靠立體視覺系統或遠程遙控器確認路徑，可裝載物資和裝備跟隨部隊前進，甚至可以伴隨士兵翻山越嶺，跟進到車輛無法開進的區域。英國研制的無人地面運輸車“鐵甲艦”裝備輕裝甲保護，能有效抵擋破片以及輕武器傷害;履帶式底盤有助于適應多種復雜地形;電池驅動可使其最大行程達50千米，同時可搭載500千克的裝備。我國軍用無人車研發處于起步階段，2015年北方車輛研究所成立地面無人平臺研發中心，重點研發輪式，履帶式無人平臺。目前軍用無人地面運輸載具面臨的主要技術障礙是自主性技術、地形匹配方案、障礙物檢測技術和識別戰術意圖的能力[2]，在工業設計方面也缺乏有效的理論框架與實踐經驗。

3 軍用無人地面運輸車的工業設計框架

當今世界高端裝備之爭已上升為大國之間博弈不可或缺的利器，高端軍用裝備設計過程中由于技術密集化、智能化、復雜化，一旦核心技術和結構基本定型，將不會有太大的改動空間[3]。目前我國的工業設計主要集中在輕工行業，導致高端裝備的設計力明顯不足：智能化程度低、交互弱、美感差，無法在國際上形成有效競爭力[4]。其重要原因在于民用輕工領域，設計主要圍繞商業邏輯，以新奇的物化形式激發用戶的購買欲望;而軍用裝備由于其使命的特殊性，多以任務為導向，強調任務達成的有效性與可靠性。因此直接移植現有的工業設計框架難以融入高端裝備設計中，更難發揮應有作用。

軍用無人地面運輸車以戰術任務為底層目標，驅動整個設計展開，將任務進行細分拆解來定義功能屬性與交互屬性;功能屬性屬于技術層面，可分為主要功能和輔助功能，主要功能為了有效達成最基本、最重要的戰術任務，輔助功能為滿足臨時性、選擇性任務的實現。交互屬性屬于執行層面，主要指作戰人員如何與載具相互配合，高效可靠的完成任務;在此交互層細分為運輸車的結構框架與外觀形式，分別對應物理交互與心理交互，見圖1。在此框架中可以明顯看出，設計雖然都從功能創新、交互創新、形式創新三個維度展開，但是相較于商業民品的設計，其底層驅動與設計邏輯卻大相徑庭。因此在設計前應重新定義工業設計框架。

4 軍用無人地面運輸車的工業設計特征

4.1 功能設計特征

功能創新往往被認為不屬于工業設計的范疇，主要依靠科技人員研發新型技術來實現。功能創新應該區分來看，產品的一項功能是由單個技術或者多個技術群組提供的解決方案。對于單一技術支撐的功能確實需要技術革新才能達成功能創新;但對于高端裝備類產品，一般是由多個技術組合來支撐一項功能達成的。工業設計對于功能創新的擅長方面在于：技術的選擇與邏輯整合，經過設計不僅能滿足基本功能需求，同時有機會提供超出預想的驚人效果，也就設計力的價值所在。

軍用無人地面運輸車作為多功能實用后勤裝備，研發的首要目的就是要有效減輕士兵的負重，讓他們把作戰任務執行的更好。該目標又可細分為：載重負載、定位導航、行進移動三項基本功能。其中定位導航屬于技術革新型功能，要依靠衛星定位系統和導航傳感器，通過輸入正確坐標，自行決定采取最佳的線路，全自動的執行任務。行進移動功能從設計角度來看空間較大，可先列出技術單體，進行排列組合，優選可靠性與達成度、靈活性高的組合方案進行優化設計。比如洛克希德·馬丁公司MULE系統，設計師選取了“輪子+搖臂式”的獨立懸吊系統，整車采用6x6分布式驅動，車身兩側各有3個車輪，每個輪子都有一個組輪轂馬達，獨立驅動可讓整個車輪繞軸心做360度旋轉，而且這些輪臂能移動大約270度的弧度。因此這輛車可以爬過物體，也可以使自己完全平貼地面，讓士兵方便把裝備放到車上。同時它可以左或右傾斜，在爬坡時能維持底盤的水平，順利通過邊坡，達到特別的機動性。它還可以把懸吊系統調整到最大高度，好越過障礙物。輪子、搖臂、輪轂馬達等都是傳統技術，但能從眾多技術備選方案中挑選出來，進行優化整合，正式設計工作的創新所在。

4.2 交互設計特征

軍用無人裝備的工業設計不應局限于功能與外觀的優化與改良，完整的設計系統包括操控方式、信息交互、裝備維修等方面的設計[5]。如果僅提供必要功能，裝備難以與士兵、環境合理有效的交互，就無法順利達成任務。

軍用無人地面運輸車依托不同層面的交互，將功能逐個串聯從而完成任務。其中比較關鍵的包括：硬件的物理交互，操控屏的信息交互。傳統的軍工設計是以功能為中心的，缺點在于強調技術本身，忽視了人與功能載體順暢交互。導致作戰人員不能形成自然的“感官-動作”鏈條，而是要反復練習操作，形成反射性肢體記憶才能保障裝備在緊急情況下正確操作。工業設計在研發前期的介入，目的就是鏈接任務要素與人的認知習慣，通過交互的設計的手段重建“感官-動作”鏈條，避免裝備上出現反人類的設計。比如硬件的物理交互方面：車體高度與作戰人員身體尺寸關系，是否方便取用裝備，看似很小的接觸點，會在極端場景下對士兵效率帶來致命的影響。在設計前期根據負載裝備的類型、尺寸、重量調研，并觀察士兵裝卸裝備的方式與動作習慣，就可以做為設計車體高度的依據;MULE無人車通過搖臂旋轉，將車身幾乎平貼地面，讓士兵方便把裝備放到車上，這就是良好的物理交互體現。另外，作為多功能實用后勤裝備，火力支持以及偵測地雷功能套件設計如何實現快速拆裝，是硬件交互不能回避的問題。在此通過移植創新方法，將已有的設計成果在新目標領域進行再設計創新，使已有成果在新的領域獲得價值的延續與拓展[6]。DT SRS狙擊步槍“秘密偵察兵”的設計通過更換槍管，快速從近戰突擊步槍“變身”為狙擊步槍;其中應用到的模塊化設計方法與快拆組件為無人地面運輸車提供了有用的參照，這些細節設計都給士兵使用操作帶來優化的交互，提高戰場上的適應性。

4.3 外觀設計特征

軍用無人地面運輸車作為戰地載具配備裝甲防護，一般采用鋼板裁切拼接成型工藝，外觀設計要根據戰術任務的需要，兼顧功能、交互以及成型工藝，回歸外觀設計的底層原理進行設計思考。現代民用汽車造型設計往往從“特征線”入手進行造型設計[7]。無人車完全顛覆了有人駕駛車輛的造型框架，原有的“特征線”發生了根本變化，以平面多邊形為主要造型元素的，車身為一體化通用平臺，提供搭載、加裝功能套件的造型特征。車頭部轉折處造型細分，通過直線切分體現視覺張力，見圖2。

通過分析以上國內外多款軍用無人運輸車，可以發現車頭多采用四邊形進行切分，呈傾角式三段造型，體量感強，給人穩定、可靠的心理感受;腰線通常采用直線從車頭貫穿到車尾，形式簡潔便于加工同時提供了良好的搭載負重的平臺。作為多用途戰術運輸車，無人平臺的整體造型“表情”內斂、平淡也與其作為基礎的移動平臺的功能定位有直接關系，各國的無人運輸平臺基本都保持了中性、耐久的造型語意。

5 結語

目前各國都非常重視軍用無人平臺的研發與協同作戰方式，無人地面載具作為新一代“軍用智能機器人”，需要突破工程設計的單一思考維度，融入工業設計視角，發展與軍用高端裝備相適應的設計框架與方法。在設計過程中以任務為中心，注重戰斗人員（用戶）體驗，以現代設計思維導入適合軍工裝備的設計方法，逐步提供我國軍用高端裝備的設計水平。

本文由教育部人文社科青年基金（13YJC760110）資助

參考文獻：

[1][2]范鵬程，祝利，李政，等. 美陸軍無人地面載具現狀及發展趨勢[J]. 飛航導彈，2016，11：60-64.

[3]余隋懷，曲敏. 利用設計思維改良裝備制造業的新思路[J]. 機械設計，2018，08：125-128.

[4][6]鄭剛強，等. 工業設計視角下的高端裝備創新設計原理與方法探析[J].包裝工程，2020，06：87-92.

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[7]周力輝，趙國偉.裝甲車輛車身造型研究與設計[J].包裝工程，2017，01：82-86.