一種多功能地震救援機器人產品設計

侯鑫新 曾志遠 吳志強

摘要：設計了一種多功能地震救援機器人產品，以替代人類進入高危自然災害環境執行救援任務。該產品主要由行走系統、基本功能系統和擴展功能系統組成。行走系統為履帶輪式結構，可以實現機器人在災后復雜地形中的移動和穿越；基本功能系統有機械臂、攝像頭和儲物箱，可以清理障礙、勘測地形和運送物資；擴展功能系統可在運送物資儲物箱時搭載不同功能的設備實現各類擴展功能，如滅火、探測生命等。

關鍵詞：地震；救援；機器人

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

0 引言

地震等自然災害發生后，現場地勢復雜、氣象惡劣、道路損毀，各類次生災害頻發，救援裝備成為救災應急力量體系的重要組成部分[1]。而大型裝備無法快速抵達現場、環境難以勘測、救援人員生命安全受到嚴重威脅[2]，現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計，能夠替代人類，獨自進入高危的自然災害環境執行救援任務。

1 設計方案

本文以便捷、實用、高效地解決地震救災過程中的運輸、醫療救治、飲食等問題為目的，設計一種多功能地震救援機器人，可實現行走、避障、爬樓、運送物資、內部結構探測、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揮更多作用。

該產品主要由行走系統、基本功能系統和擴展功能系統組成，如圖1 所示。行走系統作為產品的支撐，可以實現在災后復雜地形中的移動和穿越；基本功能系統包括兩套機械臂、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；擴展功能系統包括一套滅火裝置和雷達生命探測儀，可以精準滅火、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備實現各類擴展功能。

2 產品設計

產品以應用場景多樣化、實現功能多樣性為基礎，從功能出發，將產品結構分成3 個組成部分：行走系統、基本功能系統、擴展功能系統。

2.1 系統設計

2.1.1 行走系統

行走系統可以實現在災后復雜地形中的移動和穿越，并作為產品的支撐，為產品功能實現提供保障。

行走系統采用履帶式結構，主要由電源、控制板、驅動器、信號發送和接收裝置、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。通過控制電機的轉動，實現前進、后退、左轉彎、右轉彎、爬樓梯（爬陡坡）等功能。

2.1.2 基本功能系統

基本功能系統包括兩套機械臂、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物資運送平臺上，采用4 個M5 螺釘安裝，機械臂構件之間的轉動采用舵機連接和控制。為實現清障和避障功能，機械臂末端設計為鏤空形式，并且前面設計為尖端形式，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，可根據災后救援場景更換，通過4 個M5螺釘安裝于行走系統的物資運送平臺上。

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

2.1.3 擴展功能系統

擴展功能系統包括一套滅火裝置和雷達生命探測儀，可以精準滅火、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備實現各類擴展功能。

（1）雷達生命探測儀。雷達生命探測儀由雷達主機、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。可根據場景攜帶類似產品。

（2）滅火裝置。滅火裝置可采用市場上已經成熟的自動跟蹤定位射流滅火產品，將計算機技術、紅紫外傳感技術、機械傳動技術和圖像傳輸等技術集于一體，一旦發現火情，立即完成定位并打開閥門進行自動滅火。

（3）滅火劑存放箱。滅火劑存放箱采用2014鋁合金制成，內外表面進行化學熱處理，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，尺寸現場配置。

2.2 性能分析

2.2.1 載荷分析

該產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。機械臂機構包括1 個底座和4 個活動構件，驅動活動構件的最大扭力為15 kg，以此作為結構仿真主要載荷，進行強度分析。零件材料均采用2014 鋁合金，材料強度極限為469 MPa，經對比分析，機械臂執行機構所受載荷最大，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，作為結構仿真主要載荷，零件材料均采用2014 鋁合金。如圖3 所示，最大載荷為0.80 MPa，遠小于材料強度極限，符合設計要求。

2.2.2 機構自由度分析

機構自由度計算公式如下：

Fn=3×n—2×FL—FH。 （1）

其中，Fn 為機構自由度數目，n 為活動構件數，FL為低副連接數，FH 為高副連接數。

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

機械臂分別由4 個舵機控制運動，即機構的自由度數目和原動件數目相等。因此，機械臂機構具有確定的運動，產品設計可行。

3 應用場景

3.1 倒塌高樓該產品抵達救災現場后，配備好兩側機械臂結構，物資平臺儲物箱存放雷達生命探測儀、飲用水、防護罩、氧氣瓶、常用工具等；產品行進，機械臂結構清理道路障礙，斜體履帶式行走系統跨越障礙和爬樓梯；到達高樓內部后，攝像系統傳輸探測畫面，生命探測儀工作，搜索幸存者。

如果發現幸存者，給其補充飲用水和氧氣，為其提供防護罩等逃生工具，幫助其安全離開。

考慮到樓層內部標準門框寬度為90 cm，該產品設計外形尺寸小于600 mm×600 mm×600 mm，可以到達房屋內部任何角落。

產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

該產品抵達救災現場后，配備好兩側機械臂結構，物資平臺儲物箱存放運送物資；產品行進，利用斜體履帶式行走系統跨越泥地、凹坑或山坡，攝像系統傳輸探測畫面；到達被困山地居民地點，運送物資。

產品的機械臂可在行走過程中協助跨越路面障礙，在運送物資時傳遞物品，起一定的輔助作用。

3.3 著火商業街

該產品抵達救災現場后，配備好單側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構上；產品行進，利用履帶式行走系統抵達火源根部位置，開啟滅火高壓噴頭進行滅火；攝像系統傳輸探測畫面，如發現被困人員，利用機械臂傳遞防火物品，協助其逃離。

產品結構均采用金屬材料，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

該產品抵達救災現場后，配備好兩側機械臂結構，物資平臺儲物箱存放雷達生命探測儀、飲用水、防護罩、氧氣瓶等；產品行進，機械臂結構清理道路障礙，斜體履帶式行走系統跨越障礙；到達平房內部后，攝像系統傳輸探測畫面，生命探測儀工作，搜索幸存者。如果發現幸存者，給其補充飲用水和氧氣，為其提供防護罩等逃生工具，幫助其安全離開。產品的機械臂可在救援過程中抬起障礙物。

3.5 道路障礙

該產品抵達救災現場后，配備好兩側機械臂結構，物資平臺儲物箱存放運送物資和工具；產品行進，利用雙側機械臂移動倒塌樹木、山體滑坡巨石等，逐步清理道路障礙，為后續大型救援設備到達打通通道。斜體履帶式行走系統可跨越地面裂縫。

4 結論

本文設計一種多功能地震救援機器人，主要由行走系統、基本功能系統和擴展功能系統組成。行走系統可以實現機器人在災后復雜地形中的移動和穿越，為產品功能實現提供保障；基本功能系統包括兩套機械臂、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；擴展功能系統包括一套滅火裝置和雷達生命探測儀，可以精準滅火、探測生命等，可通過運送物資儲物箱搭載不同功能的設備實現各類擴展功能。

該產品便捷、實用，高效地解決了地震救災過程中的運輸、醫療救治、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

[1] 孟凱寧，舒畇溦，杜成群. 基于廢墟結構特征的災后救援機器人設計研究[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計[J]. 機械設計，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（學術版），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]. 中國應急救援，2021（3）：26-30.