場景驅(qū)動的四足消防機器人設(shè)計研究

摘 要：針對消防這一復雜的應用場景，對場景驅(qū)動的四足機器人的設(shè)計創(chuàng)新模式和設(shè)計流程進行了研究。通過文獻和多案例分析，探討了場景應用對四足機器人設(shè)計的影響，再將場景驅(qū)動的設(shè)計模型應用于消防場景，提煉出了3個核心設(shè)計步驟：消防用戶場景下的需求挖掘和使用者定位、消防概念場景下的功能定義和設(shè)計概念以及消防真實場景下的設(shè)計確定和產(chǎn)品驗證。通過設(shè)計實踐的深入探索，為場景驅(qū)動理論在各類產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中的應用提供了新的思路，有助于進一步豐富場景驅(qū)動設(shè)計理論體系，并加深對場景驅(qū)動下設(shè)計創(chuàng)新模式的理解。

關(guān)鍵詞：設(shè)計創(chuàng)新；場景驅(qū)動；消防場景；工業(yè)設(shè)計；產(chǎn)品設(shè)計；四足機器人

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）12-00-04

0 引 言

火災的高發(fā)頻率、強大破壞力以及廣泛危害，給社會發(fā)展和群眾安全帶來了不可預估的風險。火災救援消防場景往往存在各種不確定因素，如建筑物倒塌、易燃氣體泄漏引發(fā)爆炸等[1]。傳統(tǒng)的火災救援模式由于火災現(xiàn)場的復雜性，存在一定的局限。消防員難以及時、準確、全面地判斷火災情況，導致救援效率低下[2]。因此，針對火災場景，設(shè)計一種可以協(xié)助救援的機器人，以協(xié)助救援人員進行偵查、報警、搜救，并在一定程度上控制火勢，引導疏散人群，從而降低傷亡率，提高救援效率和安全性，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 四足消防機器人

消防機器人的出現(xiàn)最早是為了應對各種復雜救援場景。1995年，在日本神戶-大阪地震救援和美國阿爾弗德聯(lián)邦大樓爆炸事件中，救援機器人的應用使得救援效率顯著提高。在美國“9·11”事件后，世界各國更是掀起了關(guān)于救援機器人的研究熱潮。同一時間，我國也開展了“863”計劃以支持消防機器人項目的研發(fā)工作[3]。現(xiàn)有消防機器人根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征可分為輪式、履帶式、旋翼式和仿生式4大類。然而，由于體型較大、結(jié)構(gòu)功能單一等因素，傳統(tǒng)機器人在面對坍塌隧道、高層建筑火災、陡坡障礙和狹小密閉空間等情況時，存在靈活性差和適應性低等問題[4]。

四足消防機器人具有較復雜的仿生結(jié)構(gòu)，適用性更廣泛。通過裝配高精度、高強度的機械足結(jié)構(gòu)，四足消防機器人不僅有著優(yōu)異的運載能力，還具備更強的靈活性和適應性。同時，卓越的越障能力也使其能夠更加有效地獲取火場信息，利于協(xié)助救援工作的開展。

2 不同應用場景下的四足機器人的研究現(xiàn)狀

美國iRobot公司研發(fā)的PackBots救援機器人在美國“9·11”事件救援中表現(xiàn)優(yōu)異。自此，各國都開始注重救援機器人尤其是四足機器人的研發(fā)[5]。美國國防部高級研究計劃局、噴氣推進實驗室和哈佛大學康科德電場站共同研制的名為BigDog的四足機器人，具有龐大的體型和高強度的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，能夠搭載重物并翻越各種障礙，是該領(lǐng)域最具代表性的成果之一[6]。

我國杭州宇樹科技有限公司推出的UnitreeB1四足機器人和杭州云深處科技研發(fā)的絕影X20消防偵察機器狗，在復雜地形和惡劣天氣中表現(xiàn)出色，具有高度的靈活性，因此在我國的救災工作中得到了廣泛應用。

列舉的國內(nèi)外具有代表性的四足機器人的應用場景、結(jié)構(gòu)類型、功能特點和圖片見表1。

綜上可知，不同的應用場景會影響機器人的具體開發(fā)細節(jié)，導致機器人的設(shè)計定位存在較大差異。因此，強調(diào)產(chǎn)品的實際應用場景，可以確保其功能滿足特定環(huán)境和用戶的獨特需求。場景驅(qū)動的設(shè)計不僅有助于提高機器人的實用性，還能在設(shè)計早期預測并解決潛在的操作問題，從而優(yōu)化從設(shè)計到部署全流程。由此可見，場景驅(qū)動的設(shè)計思路對于實現(xiàn)高效的機器人系統(tǒng)是不可或缺的[7]。因此，本研究旨在以場景驅(qū)動作為設(shè)計方法和流程，對具有較高設(shè)計復雜度的機器人產(chǎn)品進行進一步探索。

3 場景驅(qū)動的四足機器人設(shè)計方法

場景驅(qū)動的創(chuàng)新是將現(xiàn)有技術(shù)應用于特定的場景，進而創(chuàng)造更大價值的過程[8]。設(shè)計學領(lǐng)域的場景理論主要由場域理論發(fā)展而來，即通過將設(shè)計應用的場域作為核心來展開設(shè)計創(chuàng)新[9]。場景類型可以分為用戶場景、概念場景和真實場景3個方面[7]，在四足機器人的設(shè)計研究過程中，融入這3種場景，將設(shè)計的關(guān)鍵點與預設(shè)場景匹配，從而構(gòu)建出基于場景驅(qū)動的四足機器人設(shè)計模型。

3.1 場景驅(qū)動的設(shè)計模型

產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵點在于探尋用戶需求、產(chǎn)品設(shè)計迭代和最終方案確定，將其與3種場景類型進行匹配和融合，構(gòu)建出基于場景驅(qū)動的設(shè)計創(chuàng)新模型，如圖1所示。該模型包括根據(jù)用戶場景進行需求的挖掘、根據(jù)概念場景進行產(chǎn)品設(shè)計和根據(jù)真實場景確定最終方案。其中，在用戶場景中探尋用戶真實需求是設(shè)計的基石，在概念場景中進行機器人改版迭代是設(shè)計的核心，最終在真實場景中進行方案驗證是設(shè)計的目標。

3.1.1 用戶場景下的需求挖掘

根據(jù)用戶場景挖掘需求，主要包括搭建用戶特定場景、分析用戶場景需求。研究方法主要包含現(xiàn)場調(diào)查、建立用戶畫像等。基于具體的用戶場景，預設(shè)用戶的反應和動線地圖，探尋用戶在特定場景下的實際需求，建立使用者畫像，獲取滿足需求的產(chǎn)品概念，作為下階段概念場景設(shè)計產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

3.1.2 概念場景下的設(shè)計概念

根據(jù)概念場景設(shè)計產(chǎn)品，主要包括提出切實解決用戶痛點的方案、提供產(chǎn)品設(shè)計可視化方案表達、更新迭代不斷完善產(chǎn)品。通過繪制草圖、搭建3D模型、外觀渲染以及制作實物模型等方式實現(xiàn)方案的可視化，最終綜合對比多種設(shè)計方案選擇符合預期的結(jié)果。

3.1.3 真實場景下的設(shè)計確定

根據(jù)真實場景確定方案，主要包括實地調(diào)研真實場景、收集用戶體驗反饋、進一步優(yōu)化產(chǎn)品。研究方法包括進行現(xiàn)場勘探、開展問卷調(diào)查以及約談使用者等，通過真實的用戶體驗和反饋結(jié)果進行最終的產(chǎn)品改良或方案確定。

3.2 場景驅(qū)動的四足機器人設(shè)計探索

根據(jù)上述場景驅(qū)動的設(shè)計模型，本研究將四足機器人設(shè)計流程分為分析用戶場景下的需求、概念場景下的機器人設(shè)計、真實場景下的最終方案確定。

3.2.1 消防用戶場景下的需求挖掘和使用者定位

分析用戶場景下的各類使用者及其需求。消防場景中的用戶主要涉及消防員、救援人員、受困者、圍觀群眾、消防設(shè)備制造商等。火災主要發(fā)生在大型商場等人員密集處、家庭居民樓、高綠植覆蓋地、事故車輛旁等地點。消防場景中不同角色分別有不同的需求：消防員的需求是快速準確地定位和撲滅火源，減弱火勢的蔓延，在確保自身安全的前提下搜尋被困人員并進行解救等；受困者的需求是躲避高溫、濃煙、有毒氣體等危險因素，獲得水源、空氣和救生設(shè)備，盡量設(shè)法進行自救等；圍觀群眾的需求是避免被火勢波及造成傷害，獲得災后心理撫慰等。

3.2.2 消防概念場景下的功能定義和設(shè)計概念

根據(jù)用戶場景獲得用戶痛點，構(gòu)建概念場景，思考產(chǎn)品功能及造型，提出可視化的設(shè)計方案。最初功能定義包含火災監(jiān)測和報警、自主導航和路徑規(guī)劃、火災控制和滅火、救援和搜救、數(shù)據(jù)收集和分析、遠程操作和監(jiān)控、耐火和耐高溫設(shè)計、強化外部保護、人性化交互界面、便攜性和易儲存性等功能。如圖2所示，此階段共進行了5次迭代。初期的3個方案主要是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)平臺的限制，對平臺、腿部和足部的結(jié)構(gòu)和外觀進行設(shè)計，但存在穩(wěn)定性低、負載能力弱等問題。隨后的方案采用較穩(wěn)定的昆蟲仿生足，并配有警示性的醒目顏色。

3.2.3 消防真實場景下的設(shè)計確定和產(chǎn)品驗證

最后階段是進行場景驗證，提供反饋并確認最終方案。根據(jù)概念場景生成的四足消防機器人方案，按照流程進行用戶體驗測試。通過真實場景下的產(chǎn)品驗證與反饋，最終從技術(shù)可行性、市場需求、環(huán)境適應性、安全性與可靠性、成本效益、法律和法規(guī)等方面進行綜合考量，完成產(chǎn)品設(shè)計迭代，重新確定產(chǎn)品功能，包含自主行動、環(huán)境感知、通信、自主充電、數(shù)據(jù)分析、空氣凈化、遠程操作和監(jiān)控、耐火和耐高溫、人性化交互界面等。觀察四足消防機器人的實地使用測試過程，從操作機器人的消防員處獲取試用反饋信息，檢查實際收集數(shù)據(jù)的準確度和救援成功人數(shù)等，并將其作為機器人更新迭代的重要參考依據(jù)。因?qū)嶋H場域的限制，本研究制作了產(chǎn)品功能原型并對其行進、越障和視覺識別等功能進行了驗證，如圖3所示。根據(jù)最終的概念方案，進行深入的結(jié)構(gòu)設(shè)計和手板模型制作，以驗證其結(jié)構(gòu)和外觀的性能，如圖4所示。

4 結(jié) 語

場景驅(qū)動的設(shè)計方法和理論已經(jīng)引起了學術(shù)界的廣泛關(guān)注，尤其是面向復雜場景的設(shè)計創(chuàng)新[10]。火災給人類社會的發(fā)展造成了嚴重的威脅，且消防場景極其復雜，因此將場景驅(qū)動的設(shè)計方法應用于消防相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計創(chuàng)新，滿足了社會發(fā)展的需求，順應了設(shè)計創(chuàng)新的趨勢。本文首先就四足機器人的場景應用進行了討論，分析出場景應用對于該類產(chǎn)品的設(shè)計定位具有較大影響。將場景驅(qū)動的設(shè)計模型應用于消防場景，提煉出四足消防機器人的3個核心設(shè)計步驟：消防用戶場景下的需求挖掘和使用者定位、消防概念場景下的功能定義和設(shè)計概念，以及消防真實場景下的設(shè)計確定和產(chǎn)品驗證。經(jīng)過設(shè)計實踐探索和分析，可知在消防用戶場景下首先應該明確使用者定位，因為該場景下的利害相關(guān)極其復雜，梳理好使用者定位和需求，才能進行明確的產(chǎn)品功能定義。概念場景下展開的設(shè)計迭代尤其重要，需考量功能實現(xiàn)、技術(shù)應用、設(shè)計定位等多方面的因素。真實場景的產(chǎn)品驗證是驗證產(chǎn)品設(shè)計是否可行的關(guān)鍵階段，也是最具有難度和挑戰(zhàn)的階段，需進一步在技術(shù)可行性、市場需求、環(huán)境適應性、安全性與可靠性、成本效益、法律法規(guī)等方面進行綜合考量。本研究因?qū)嶋H應用場域的特殊性，未能真實應用于消防場境中。因此，消防類產(chǎn)品設(shè)計在真實場景中的進一步應用與驗證值應該在未來進一步探索。此外，將場景驅(qū)動的方法引入設(shè)計流程中，從設(shè)計需求到設(shè)計展開再到設(shè)計驗證這一流程并非是線性的，而是在每個環(huán)節(jié)中都需要進行循環(huán)迭代，甚至會在第3階段的驗證環(huán)節(jié)重新回到第1環(huán)節(jié)進行需求分析。本研究提出的場景驅(qū)動的3個設(shè)計步驟，為各類產(chǎn)品設(shè)計在不同場景中的應用提供了新的思路。

注：本文通訊作者為宋姣。

參考文獻

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基金項目：江蘇省創(chuàng)業(yè)訓練重點項目（202311463119E）；江蘇高校哲學社會科學研究項目（KYZB21518）

作者簡介：黃 煒（2003—），男，研究方向為工業(yè)設(shè)計、智能產(chǎn)品設(shè)計。

宋 姣（1984—），女，碩士，副教授，研究方向為設(shè)計策略、智能產(chǎn)品設(shè)計。

顧書語（2001—），男，研究方向為工業(yè)設(shè)計、交通工具設(shè)計。

陸奕（2004—），男，研究方向為工業(yè)設(shè)計、智能產(chǎn)品設(shè)計。

姜 淑（2003—），女，研究方向為工業(yè)設(shè)計、交互設(shè)計。