侯鑫新 曾志远 吴志强

摘要：设计了一种多功能地震救援机器人产品，以替代人类进入高危自然灾害环境执行救援任务。该产品主要由行走系统、基本功能系统和扩展功能系统组成。行走系统为履带轮式结构，可以实现机器人在灾后复杂地形中的移动和穿越；基本功能系统有机械臂、摄像头和储物箱，可以清理障碍、勘测地形和运送物资；扩展功能系统可在运送物资储物箱时搭载不同功能的设备实现各类扩展功能，如灭火、探测生命等。

关键词：地震；救援；机器人

中图分类号：TP273 文献标识码：A

0 引言

地震等自然灾害发生后，现场地势复杂、气象恶劣、道路损毁，各类次生灾害频发，救援装备成为救灾应急力量体系的重要组成部分[1]。而大型装备无法快速抵达现场、环境难以勘测、救援人员生命安全受到严重威胁[2]，现提出一种地震救援机器人，采用小型化、多功能化和智能化设计，能够替代人类，独自进入高危的自然灾害环境执行救援任务。

1 设计方案

本文以便捷、实用、高效地解决地震救灾过程中的运输、医疗救治、饮食等问题为目的，设计一种多功能地震救援机器人，可实现行走、避障、爬楼、运送物资、内部结构探测、生命探测[3-4]、灭火、补给等功能，并且可在物资平台储物箱里灵活搭载物品以发挥更多作用。

该产品主要由行走系统、基本功能系统和扩展功能系统组成，如图1 所示。行走系统作为产品的支撑，可以实现在灾后复杂地形中的移动和穿越；基本功能系统包括两套机械臂、一套夜视彩色摄像机和一套运送物资的储物箱，可以清理障碍、勘测地形和运送物资；扩展功能系统包括一套灭火装置和雷达生命探测仪，可以精准灭火、探测生命等，也可以通过运送物资储物箱搭载不同功能的设备实现各类扩展功能。

2 产品设计

产品以应用场景多样化、实现功能多样性为基础，从功能出发，将产品结构分成3 个组成部分：行走系统、基本功能系统、扩展功能系统。

2.1 系统设计

2.1.1 行走系统

行走系统可以实现在灾后复杂地形中的移动和穿越，并作為产品的支撑，为产品功能实现提供保障。

行走系统采用履带式结构，主要由电源、控制板、驱动器、信号发送和接收装置、伺服电机、主动轮、后从动轮、前支架、前从动轮、履带和车身等组成。通过控制电机的转动，实现前进、后退、左转弯、右转弯、爬楼梯（爬陡坡）等功能。

2.1.2 基本功能系统

基本功能系统包括两套机械臂、一套夜视彩色摄像机和一套运送物资的储物箱，可以清理障碍、勘测地形和运送物资。

（1）机械臂。机械臂通过底座安装在行走系统物资运送平台上，采用4 个M5 螺钉安装，机械臂构件之间的转动采用舵机连接和控制。为实现清障和避障功能，机械臂末端设计为镂空形式，并且前面设计为尖端形式，方便抓取和跨越障碍。

（2）夜视彩色摄像机。夜视彩色摄像机采用防火材料，可根据灾后救援场景更换，通过4 个M5螺钉安装于行走系统的物资运送平台上。

（3） 储物箱。运送物资的储物箱采用2014铝合金制成，为存放雷达生命探测仪等仪器设备，以及穿越灾后现场，大小设计为500 mm×400 mm×300 mm。

2.1.3 扩展功能系统

扩展功能系统包括一套灭火装置和雷达生命探测仪，可以精准灭火、探测生命等，也可以通过运送物资储物箱搭载不同功能的设备实现各类扩展功能。

（1）雷达生命探测仪。雷达生命探测仪由雷达主机、掌上电脑（PAD）、三防包装箱（防水、防尘、防震抗摔）及其他配件组成。可根据场景携带类似产品。

（2）灭火装置。灭火装置可采用市场上已经成熟的自动跟踪定位射流灭火产品，将计算机技术、红紫外传感技术、机械传动技术和图像传输等技术集于一体，一旦发现火情，立即完成定位并打开阀门进行自动灭火。

（3）灭火剂存放箱。灭火剂存放箱采用2014铝合金制成，内外表面进行化学热处理，有利于存放常用灭火剂，大小为500 mm×350 mm×270 mm，容量约50 L。

（4）管路。管路采用公称直径为14 mm、壁厚为1 mm 的2014 铝合金管材，尺寸现场配置。

2.2 性能分析

2.2.1 载荷分析

该产品起主要作用的受力部件为机械臂和物资运送平台车架，特选取这两个部分作为载荷分析对象。

（1）机械臂。机械臂机构包括1 个底座和4 个活动构件，驱动活动构件的最大扭力为15 kg，以此作为结构仿真主要载荷，进行强度分析。零件材料均采用2014 铝合金，材料强度极限为469 MPa，经对比分析，机械臂执行机构所受载荷最大，如图2所示，为328.20 MPa，小于材料强度极限，符合设计要求。

（2）物资运送平台车架。物资运送平台车架上装有两套机械臂、一套夜视彩色摄像机和一套运送物资储物箱，总重量约为50 kg，单位面积上所承受的压力为1 923 Pa，作为结构仿真主要载荷，零件材料均采用2014 铝合金。如图3 所示，最大载荷为0.80 MPa，远小于材料强度极限，符合设计要求。

2.2.2 机构自由度分析

机构自由度计算公式如下：

Fn=3×n—2×FL—FH。 （1）

其中，Fn 为机构自由度数目，n 为活动构件数，FL为低副连接数，FH 为高副连接数。

机构具有确定运动的条件是机构的自由度数目等于原动件数目，机械臂的机构运动简图如图4 所示，其由1 个固定底座和4 个活动构件组成，即n=4；各构件之间均通过转动低副连接，即FL=4；没有高副连接，即FH=0。由此，根据式（1）计算机构自由度数目为4。

机械臂分别由4 个舵机控制运动，即机构的自由度数目和原动件数目相等。因此，机械臂机构具有确定的运动，产品设计可行。

3 应用场景

3.1 倒塌高楼该产品抵达救灾现场后，配备好两侧机械臂结构，物资平台储物箱存放雷达生命探测仪、饮用水、防护罩、氧气瓶、常用工具等；产品行进，机械臂结构清理道路障碍，斜体履带式行走系统跨越障碍和爬楼梯；到达高楼内部后，摄像系统传输探测画面，生命探测仪工作，搜索幸存者。

如果发现幸存者，给其补充饮用水和氧气，为其提供防护罩等逃生工具，帮助其安全离开。

考虑到楼层内部标准门框宽度为90 cm，该产品设计外形尺寸小于600 mm×600 mm×600 mm，可以到达房屋内部任何角落。

产品的机械臂可提供一定的支撑作用，帮助幸存者逃生。

3.2 山地

该产品抵达救灾现场后，配备好两侧机械臂结构，物资平台储物箱存放运送物资；产品行进，利用斜体履带式行走系统跨越泥地、凹坑或山坡，摄像系统传输探测画面；到达被困山地居民地点，运送物资。

产品的机械臂可在行走过程中协助跨越路面障碍，在运送物资时传递物品，起一定的辅助作用。

3.3 着火商业街

该产品抵达救灾现场后，配备好单侧机械臂和一套灭火装置，物资平台储物箱中罐装好灭火剂，准备好灭火器、防烟面罩、消防被、灭火毯、逃生绳等防火物品固定于机械臂末端结构上；产品行进，利用履带式行走系统抵达火源根部位置，开启灭火高压喷头进行灭火；摄像系统传输探测画面，如发现被困人员，利用机械臂传递防火物品，协助其逃离。

产品结构均采用金属材料，可耐高温；夜视彩色摄像机和灭火装置均采用防火材料，适用于着火场景。

3.4 坍塌平房

该产品抵达救灾现场后，配备好两侧机械臂结构，物资平台储物箱存放雷达生命探测仪、饮用水、防护罩、氧气瓶等；产品行进，机械臂结构清理道路障碍，斜体履带式行走系统跨越障碍；到达平房内部后，摄像系统传输探测画面，生命探测仪工作，搜索幸存者。如果發现幸存者，给其补充饮用水和氧气，为其提供防护罩等逃生工具，帮助其安全离开。产品的机械臂可在救援过程中抬起障碍物。

3.5 道路障碍

该产品抵达救灾现场后，配备好两侧机械臂结构，物资平台储物箱存放运送物资和工具；产品行进，利用双侧机械臂移动倒塌树木、山体滑坡巨石等，逐步清理道路障碍，为后续大型救援设备到达打通通道。斜体履带式行走系统可跨越地面裂缝。

4 结论

本文设计一种多功能地震救援机器人，主要由行走系统、基本功能系统和扩展功能系统组成。行走系统可以实现机器人在灾后复杂地形中的移动和穿越，为产品功能实现提供保障；基本功能系统包括两套机械臂、一套夜视彩色摄像机和一套运送物资的储物箱，可以清理障碍、勘测地形和运送物资；扩展功能系统包括一套灭火装置和雷达生命探测仪，可以精准灭火、探测生命等，可通过运送物资储物箱搭载不同功能的设备实现各类扩展功能。

该产品便捷、实用，高效地解决了地震救灾过程中的运输、医疗救治、饮食等问题，满足救援的时效性、智能性和自动性要求，为解决当前救援机器人深入地震或火场中时无法提供物资的问题提供了参考。

参考文献

[1] 孟凯宁，舒畇溦，杜成群. 基于废墟结构特征的灾后救援机器人设计研究[J]. 包装工程，2022，43（24）：180-188.

[2] 李晓杰，梁健，李海泉. 基于AHP/QFD 与TRIZ的地震救援机器人设计[J]. 机械设计，2021，38（11）：121-128.

[3] 李昊，陈智慧. 生命探测仪在消防部队的实用性研究[J]. 中国公共安全（学术版），2013（2）：60-62.

[4] 王建平，张云昌，高杨，等. 轻型地震救援装备快速携行方法研究[J]. 中国应急救援，2021（3）：26-30.