摘要：军用无人地面运输车作为近年各国认可的解决士兵负重的解决方案,设计研发也被日益关注。本文从工业设计角度切入,通过典型设计案例分析,提出了以战术任务为中心,关注作战人员体验的设计框架;并从工业设计角度梳理军用无人地面运输车的功能设计、交互设计、造型设计所呈现的主要特征。
关键词：工业设计; 无人地面运输车; 设计特征;
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.
1 引言
随着单兵的装备升级和作战使命的拓展,现代化步兵一般会携带30～50kg的装备投入战斗,其中包括防弹衣、弹药、电子设备、医疗用品等。单兵所携带的装备重量超过体重的1/3以上,行动能力就会明显下降,影响作战的整体效率。目前世界各国都意识到解决士兵背上日益增长的装备重量已成为迫在眉睫的问题。
2019年10月美国陆军选中通用动力陆地系统公司设计生产的MUTT多用途战术运输无人车,能够携带高达1000磅重量的装备,在没有任何支援情况下,独自行驶60英里。除了减负以外,它们还可以运送一些重武器,运送伤员,深入未知战场进行侦查。美军计划在未来购入超过5700辆MUTT无人车并在2024年全部装备美军。
2 军用无人地面运输车的发展现状
无人地面运输车作为自主行驶型无人地面载具,可依靠自身动力进行移动,为作战人员提供运输及后勤支援,还可加装武器模块作为火力支援[1]。该型载具主要功能包括运输士兵装备的通用移动平台,与可选加装组件配合,提升班、排级的侦察与作战能力。目前通用移动平台主要有轮式、履带式、四足式三类:轮式和履带式技术成熟,是较为常用的承载方式;四足系统机动性与通过性更好,能适应更复杂艰难的地形。波士顿动力公司先后研发了 多款四足机器人,尽管在性能方面都有着卓越的表现,但由于噪音问题较为突出,目前没有得到广泛使用。
美军是运用无人载具最普遍的国家,阿富汗战场与伊拉克境内投入使用超过5000台无人地面载具,有效降低了非正规战斗巡逻所造成之死亡率。美军典型无人地面运输系统有SMET 系列、BigDog 无人平台和Wingman 侧翼系列。SMET具备全地形作战支援能力,能为轻型部队和先锋部队提供运输和后勤支援等任。四足仿生型无人平台,头部装有立体摄像头和激光扫描仪,依靠立体视觉系统或远程遥控器确认路径,可装载物资和装备跟随部队前进,甚至可以伴随士兵翻山越岭,跟进到车辆无法开进的区域。英国研制的无人地面运输车“铁甲舰”装备轻装甲保护,能有效抵挡破片以及轻武器伤害;履带式底盘有助于适应多种复杂地形;电池驱动可使其最大行程达50千米,同时可搭载500千克的装备。我国军用无人车研发处于起步阶段,2015年北方车辆研究所成立地面无人平台研发中心,重点研发轮式,履带式无人平台。目前军用无人地面运输载具面临的主要技术障碍是自主性技术、地形匹配方案、障碍物检测技术和识别战术意图的能力[1],在工业设计方面也缺乏有效的理论框架与实践经验。
3 军用无人地面运输车的工业设计框架
当今世界高端装备之争已上升为大国之间博弈不可或缺的利器,高端军用装备设计过程中由于技术密集化、智能化、复杂化,一旦核心技术和结构基本定型,将不会有太大的改动空间[3]。目前我国的工业设计主要集中在轻工行业,导致高端装备的设计力明显不足:智能化程度低、交互弱、美感差,无法在国际上形成有效竞争力[4]。其重要原因在于民用轻工领域,设计主要围绕商业逻辑,以新奇的物化形式激发用户的购买欲望;而军用装备由于其使命的特殊性,多以任务为导向,强调任务达成的有效性与可靠性。因此直接移植现有的工业设计框架难以融入高端装备设计中,更难发挥应有作用。
军用无人地面运输车以战术任务为底层目标,驱动整个设计展开,将任务进行细分拆解来定义功能属性与交互属性;功能属性属于技术层面,可分为主要功能和辅助功能,主要功能为了有效达成最基本、最重要的战术任务,辅助功能为满足临时性、选择性任务的实现。交互属性属于执行层面,主要指作战人员如何与载具相互配合,高效可靠的完成任务;在此交互层细分为运输车的结构框架与外观形式,分别对应物理交互与心理交互,见图1。在此框架中可以明显看出,设计虽然都从功能创新、交互创新、形式创新三个维度展开,但是相较于商业民品的设计,其底层驱动与设计逻辑却大相径庭。因此在设计前应重新定义工业设计框架。
图1 军用无人地面运输车的工业设计框架
4 军用无人地面运输车的工业设计特征
4.1 功能设计特征
功能创新往往被认为不属于工业设计的范畴,主要依靠科技人员研发新型技术来实现。功能创新应该区分来看,产品的一项功能是由单个技术或者多个技术群组提供的解决方案。对于单一技术支撑的功能确实需要技术革新才能达成功能创新;但对于高端装备类产品,一般是由多个技术组合来支撑一项功能达成的。工业设计对于功能创新的擅长方面在于:技术的选择与逻辑整合,经过设计不仅能满足基本功能需求,同时有机会提供超出预想的惊人效果,也就设计力的价值所在。
军用无人地面运输车作为多功能实用后勤装备,研发的首要目的就是要有效减轻士兵的负重,让他们把作战任务执行的更好。该目标又可细分为:载重负载、定位导航、行进移动三项基本功能。其中定位导航属于技术革新型功能,要依靠卫星定位系统和导航传感器,通过输入正确坐标,自行决定采取最佳的线路,全自动的执行任务。行进移动功能从设计角度来看空间较大,可先列出技术单体,进行排列组合,优选可靠性与达成度、灵活性高的组合方案进行优化设计。比如洛克希德·马丁公司MULE系统,设计师选取了“轮子+摇臂式”的独立悬吊系统,整车采用6x6分布式驱动,车身两侧各有3个车轮,每个轮子都有一个组轮毂马达,独立驱动可让整个车轮绕轴心做360度旋转,而且这些轮臂能移动大约270度的弧度。因此这辆车可以爬过物体,也可以使自己完全平贴地面,让士兵方便把装备放到车上。同时它可以左或右倾斜,在爬坡时能维持底盘的水平,顺利通过边坡,达到特别的机动性。它还可以把悬吊系统调整到最大高度,好越过障碍物。轮子、摇臂、轮毂马达等都是传统技术,但能从众多技术备选方案中挑选出来,进行优化整合,正式设计工作的创新所在。
4.2 交互设计特征
军用无人装备的工业设计不应局限于功能与外观的优化与改良,完整的设计系统包括操控方式、信息交互、装备维修等方面的设计[5]。如果仅提供必要功能,装备难以与士兵、环境合理有效的交互,就无法顺利达成任务。
军用无人地面运输车依托不同层面的交互,将功能逐个串联从而完成任务。其中比较关键的包括:硬件的物理交互,操控屏的信息交互。传统的军工设计是以功能为中心的,缺点在于强调技术本身,忽视了人与功能载体顺畅交互。导致作战人员不能形成自然的“感官-动作”链条,而是要反复练习操作,形成反射性肢体记忆才能保障装备在紧急情况下正确操作。工业设计在研发前期的介入,目的就是链接任务要素与人的认知习惯,通过交互的设计的手段重建“感官-动作”链条,避免装备上出现反人类的设计。比如硬件的物理交互方面:车体高度与作战人员身体尺寸关系,是否方便取用装备,看似很小的接触点,会在极端场景下对士兵效率带来致命的影响。在设计前期根据负载装备的类型、尺寸、重量调研,并观察士兵装卸装备的方式与动作习惯,就可以做为设计车体高度的依据;MULE无人车通过摇臂旋转,将车身几乎平贴地面,让士兵方便把装备放到车上,这就是良好的物理交互体现。另外,作为多功能实用后勤装备,火力支持以及侦测地雷功能套件设计如何实现快速拆装,是硬件交互不能回避的问题。在此通过移植创新方法,将已有的设计成果在新目标领域进行再设计创新,使已有成果在新的领域获得价值的延续与拓展[4]。DT SRS狙击步枪“秘密侦察兵”的设计通过更换枪管,快速从近战突击步枪“变身”为狙击步枪;其中应用到的模块化设计方法与快拆组件为无人地面运输车提供了有用的参照,这些细节设计都给士兵使用操作带来优化的交互,提高战场上的适应性。
4.3 外观设计特征
军用无人地面运输车作为战地载具配备装甲防护,一般采用钢板裁切拼接成型工艺,外观设计要根据战术任务的需要,兼顾功能、交互以及成型工艺,回归外观设计的底层原理进行设计思考。现代民用汽车造型设计往往从“特征线”入手进行造型设计[7]。无人车完全颠覆了有人驾驶车辆的造型框架,原有的“特征线”发生了根本变化,以平面多边形为主要造型元素的,车身为一体化通用平台,提供搭载、加装功能套件的造型特征。车头部转折处造型细分,通过直线切分体现视觉张力,见图2。
通过分析以上国内外多款军用无人运输车,可以发现车头多采用四边形进行切分,呈倾角式三段造型,体量感强,给人稳定、可靠的心理感受;腰线通常采用直线从车头贯穿到车尾,形式简洁便于加工同时提供了良好的搭载负重的平台。作为多用途战术运输车,无人平台的整体造型“表情”内敛、平淡也与其作为基础的移动平台的功能定位有直接关系,各国的无人运输平台基本都保持了中性、耐久的造型语意。
5 结语
目前各国都非常重视军用无人平台的研发与协同作战方式,无人地面载具作为新一代“军用智能机器人”,需要突破工程设计的单一思考维度,融入工业设计视角,发展与军用高端装备相适应的设计框架与方法。在设计过程中以任务为中心,注重战斗人员(用户)体验,以现代设计思维导入适合军工装备的设计方法,逐步提供我国军用高端装备的设计水平。
图2 各国无人运输车造型特征线提取
参考文献
[1][2]范鹏程,祝利,李政,等.美陆军无人地面载具现状及发展趋势[J].飞航导弹,2016,11:60-64.
[3]余隋怀,曲敏.利用设计思维改良装备制造业的新思路[J].机械设计,2018,08:125-128.
[4][6]郑刚强,等.工业设计视角下的高端装备创新设计原理与方法探析[J].包装工程,2020,06:87-92.
[5]白铭玉,等.智能装备工业设计发展现状与价值分析[J].设计,2017,05:49-51.
[7]周力辉,赵国伟.装甲车辆车身造型研究与设计[J].包装工程,2017,01:82-86.
