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        論設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)器人對(duì)于救援的重要性

        2014-10-22 14:42:27李慶君
        藝術(shù)科技 2014年10期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        摘 要:隨著人類(lèi)科學(xué)技術(shù)的飛速的發(fā)展,許許多多的新興科學(xué)來(lái)到了人們的視野之中。其中,機(jī)器人學(xué)就是這么一種學(xué)科。在工業(yè),救援,運(yùn)輸,醫(yī)療等多種方面他都有著十分重要的運(yùn)用。移動(dòng)機(jī)器人的分類(lèi)有許多,無(wú)人機(jī)器的應(yīng)用發(fā)展是目前機(jī)器人領(lǐng)域的重點(diǎn)之一,而無(wú)人機(jī)器在人力無(wú)法到達(dá)的搜救領(lǐng)域?qū)?lái)會(huì)起到非常重要的作用。本文是對(duì)目前陸地上(主要是地震災(zāi)難)的搜救設(shè)備進(jìn)行闡述和設(shè)想。

        關(guān)鍵詞:無(wú)人搜救機(jī)器設(shè)備;地震;熱像探索技術(shù);機(jī)械力結(jié)構(gòu)

        1 概述

        世界各地每年都遭受著無(wú)數(shù)自然或人為災(zāi)害的破壞。災(zāi)后最緊急的事情就 是搜救那些困在廢墟中的幸存者。然而,錯(cuò)綜復(fù)雜,險(xiǎn)象環(huán)生,情況不定的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)給救援人員及幸存者帶來(lái)巨大的威脅阻礙救援工作快速有效地進(jìn)行。目前搜救主要是以人力為主,機(jī)動(dòng)性不高,救援進(jìn)度慢,復(fù)雜性地區(qū)人力難及。以下文章將對(duì)陸地的救援分開(kāi)論述。

        2 參考信息綜述

        2.1 國(guó)內(nèi)近年的地震案例

        北京時(shí)間2008年5月12日14時(shí)27分59.5秒,四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣發(fā)生里氏8.0級(jí)地震,地震造成69227人遇難,374643人受傷,17923人失蹤。

        北京時(shí)間2013年4月20日8時(shí)02分四川省雅安市蘆山縣發(fā)生里氏7.0級(jí)地震,地震共計(jì)造成196人死亡,失蹤21人,11470人受傷。

        2.2 災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)影響搜救工作的主要因素

        世界各地每年都遭受著無(wú)數(shù)自然或人為災(zāi)害的破壞。災(zāi)后最緊急的事情就 是搜救那些困在廢墟中的幸存者。然而,錯(cuò)綜復(fù)雜,險(xiǎn)象環(huán)生,情況不定的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)給救援人員及幸存者帶來(lái)巨大的威脅阻礙救援工作快速有效地進(jìn)行。主要影響:1)空間限制。2)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。3)危險(xiǎn)物質(zhì)和大火。這些危險(xiǎn)因素給災(zāi)害救援工作帶來(lái)了極大的阻礙,常常使救援付出沉重的代價(jià)。美國(guó)緊急救援辦公室的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,從搜尋到營(yíng)救1名幸存者平均需要10個(gè)救援人員花費(fèi)4個(gè)小時(shí)的時(shí)間,甚至更多。

        2.3 設(shè)計(jì)要求

        (1)機(jī)械設(shè)計(jì)。根據(jù)使用要求對(duì)機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、力和能量的傳遞方式、各個(gè)零件的材料和形狀尺寸、潤(rùn)滑方法等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計(jì)算并將其轉(zhuǎn)化為具體的描述以作為制造依據(jù)的工作過(guò)程。

        (2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按照產(chǎn)品定位的要求,在對(duì)現(xiàn)實(shí)需求及現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行功能調(diào)查分析的基礎(chǔ)上,對(duì)所定位產(chǎn)品應(yīng)具備的目標(biāo)功能系統(tǒng)進(jìn)行概念性構(gòu)建的創(chuàng)造。利用仿生原理,結(jié)合蜘蛛的形態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人的基本形體結(jié)構(gòu)。

        (3)功能設(shè)計(jì)。功能設(shè)計(jì)的任務(wù)是在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,根據(jù)所確定的原理方案,設(shè)計(jì)搜救功能在機(jī)器人的基本構(gòu)圖上,以體現(xiàn)任務(wù)所要求的熱成像功能以及定位信號(hào)傳輸功能。

        (4)行走設(shè)計(jì)。1)行走設(shè)計(jì)是大型機(jī)械整機(jī)的支承件,用來(lái)支承整機(jī)的重量,承受機(jī)構(gòu)在作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生作用力,并完成整機(jī)行進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)移和作業(yè)移動(dòng)。2)履帶式輸送車(chē)設(shè)計(jì),可以將無(wú)人搜救設(shè)備“子母”功能化,可以快速適應(yīng)災(zāi)區(qū)的地形,到達(dá)指定的大范圍區(qū)域后,放下“蜘蛛型”機(jī)器人,進(jìn)入第二階段的工作任務(wù)。

        3 蜘蛛機(jī)器人設(shè)計(jì)思路與過(guò)程

        3.1 設(shè)計(jì)理念

        設(shè)計(jì)研究災(zāi)難搜救行動(dòng),通過(guò)母機(jī)履帶車(chē)第一時(shí)間空投至災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng),子機(jī)六腳搜尋機(jī)器人進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部進(jìn)行更為深入的探測(cè),獲取全面準(zhǔn)確的信息,通過(guò)對(duì)幸存者地理位置的標(biāo)識(shí),進(jìn)行直到搜救。這是一種更為有效的災(zāi)難搜救方式。為搜救爭(zhēng)取更多的時(shí)間,避免盲目的挖掘,導(dǎo)致對(duì)人力物力的浪費(fèi)。節(jié)約時(shí)間和資源的同時(shí),可以更大更好地提供當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境信息,供給將要進(jìn)入的搜救隊(duì)參考,避免余震等地質(zhì)傷害發(fā)生時(shí)的災(zāi)難。

        3.2 基本形態(tài)

        考慮到步行移動(dòng)方式的全面性,團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)頭腦風(fēng)暴,想到了昆蟲(chóng)。以蜘蛛為例,構(gòu)想出一款“六腳蜘蛛俠”,“蜘蛛能在各種崎嶇地形上爬行,蜘蛛八腳,而無(wú)人式搜救機(jī)器人的行走方式六只腳就足夠了??紤]到機(jī)器人的體型較小,能源動(dòng)力提供不足,意味著機(jī)器人的活動(dòng)空間是受到限制的,所以可以設(shè)計(jì)“子母式”結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)一款履帶車(chē),可以更好地將搜救機(jī)器人推進(jìn)入災(zāi)難的發(fā)生地。

        災(zāi)難發(fā)生時(shí),道路基本中斷,所以采用整體打包空投的模式,履帶車(chē)的體積不是很大,直升機(jī)或者運(yùn)輸機(jī)可以攜帶多臺(tái)“綜合”的救援車(chē),到達(dá)指定區(qū)域后,利用降落傘,將設(shè)備空投出去,落地后動(dòng)力開(kāi)始工作,履帶車(chē)可利用終端的平臺(tái)集體操控行走,發(fā)現(xiàn)生命體征后,放置小型“蜘蛛”式機(jī)器人,機(jī)器人可以進(jìn)入到廢墟的空間內(nèi),立體掃描結(jié)構(gòu)成像,熱源跟蹤標(biāo)注被困人員的坐標(biāo)。上傳給履帶車(chē),再中轉(zhuǎn)回終端的控制平臺(tái),記錄生成后,搜救隊(duì)可以利用掌上信息交互平臺(tái)得到相應(yīng)的信息。這樣可以保證信息的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

        3.3 結(jié)構(gòu)關(guān)系

        通過(guò)動(dòng)物仿生學(xué),足是昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)器官。昆蟲(chóng)有3對(duì)足,我們相應(yīng)地稱(chēng)為前足、中足和后足。每個(gè)足由基節(jié)、轉(zhuǎn)節(jié)、腿節(jié)、脛節(jié)、跗節(jié)和前跗節(jié)幾部分組成。蜘蛛搜索機(jī)器人的足關(guān)節(jié)通過(guò)牽引裝置連接,可以如同蜘蛛一般自由移動(dòng)。

        4 遇險(xiǎn)的表現(xiàn)

        當(dāng)機(jī)器人遇到多次崩塌現(xiàn)象,尤其是余震發(fā)生的時(shí)候,“蜘蛛”可以將6只“腳”蜷縮在身體兩側(cè),形成“餅”狀具有較強(qiáng)的抗壓性。如果被砸斷或者卡住其中1~2只“腳”可采用“壁虎斷尾”的效果,舍棄廢棄的腳,變成4~5足行進(jìn),不多于2只的情況下,依然可以工作行走。當(dāng)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)周邊有生命體征之后,會(huì)像大頭針一樣停留在原地,只是發(fā)送信號(hào)和圖像,這樣可以節(jié)省更多的電力,支持到后續(xù)救援到達(dá)。

        5 總結(jié)

        綜合災(zāi)難的發(fā)生過(guò)程,設(shè)計(jì)一款無(wú)人的救援機(jī)器,可以節(jié)省人力和達(dá)到快速救援的目的。這樣可以更加安全,減少余震多搜救人員造成再次傷害。熱成像原理可以將需要救援的人員標(biāo)注在地形圖中,甚至更加詳細(xì)的提供當(dāng)前的地質(zhì)和建筑廢墟構(gòu)造,解決如何下手救援的盲目性,更有效和快速的救援,可以減少災(zāi)難后死亡的人數(shù),讓更多的人生存下來(lái)。后階段的設(shè)計(jì)可以考慮攜帶救生設(shè)備,這樣可以使廢墟中的人員有給養(yǎng),延長(zhǎng)救援時(shí)間。

        作者簡(jiǎn)介:李慶君(1982—),男,遼寧蓋州人,碩士,無(wú)錫太湖學(xué)院助教,主要研究方向:產(chǎn)品設(shè)計(jì)類(lèi)。

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