基于仿生外骨骼動力的救援機甲

◆長沙市雅禮中學(xué) 周逸航

近年來，建筑物、礦井、地面坍塌等突發(fā)事件導(dǎo)致人員、財產(chǎn)被掩埋的事故較多,因現(xiàn)場混亂、道路被中斷等原因，大型救援設(shè)備不能快速到達事故現(xiàn)場施救。在這種情況下，人工救援是一種必要的方式，但長時間搬運后，救援者的體能會大大下降。

我設(shè)計了一種能在救援行動中提供外動力、自動監(jiān)測生命體征的基于仿生外骨骼動力的救援機甲。它能延長救援者搬重物的時間，還有手動控制和語音控制模式，可將自動監(jiān)測的信息實時發(fā)送給指揮中心，實現(xiàn)個體信息網(wǎng)絡(luò)化大數(shù)據(jù)應(yīng)用。

一、基本思路

科幻電影《環(huán)太平洋》給了我設(shè)計靈感。我在《仿生服務(wù)機器人與醫(yī)療康復(fù)機器人》一書中了解到，人體擁有神奇的特性和功能，可以成為優(yōu)良的仿生對象，便融合機器人學(xué)、人體運動學(xué)、控制技術(shù)等進行了仿生研究。

第一步，在保證安全的前提下，對建筑物坍塌等突發(fā)性災(zāi)害情況進行實地考察，弄清在突發(fā)情況下應(yīng)急救援存在的問題。第二步，走訪虛擬仿真實驗研究室、防災(zāi)應(yīng)急體驗館等，了解目前國內(nèi)的救援設(shè)備，并采訪工作人員，研究人體外骨骼的結(jié)構(gòu)功能圖，根據(jù)肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計圖紙，篩選項目所用的制作材料。第三步，利用PRE 建模，設(shè)計外骨骼各零部件模塊，通過仿真模擬技術(shù)驗證，對語音識別技術(shù)進行研究。第四步，借助3D 技術(shù)，根據(jù)圖紙設(shè)計模型，檢測實時數(shù)據(jù)，重點研究整套裝置的制作材料，在改進完善中研究。第五步，以美觀、環(huán)保、耐用、價格低廉為出發(fā)點，制作、優(yōu)化安全可靠的救援裝置。

二、設(shè)計原理

仿生外骨骼涉及機電傳動、數(shù)據(jù)傳感、信息處理、芯片控制等技術(shù)，由電源部分、動力部分、人體外骨骼支架、控制部分等部件組成。救援機甲附著在穿戴者體表，通過直流電機旋轉(zhuǎn)帶動人體外骨骼運動，為穿戴者四肢提供實現(xiàn)運動的外動力。

其工作原理為：傳感器感應(yīng)各節(jié)點信號（包括力的大小、運動方向、速度、旋轉(zhuǎn)角度等），將測量到的信號實時傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)過計算后下達工作指令，電機工作系統(tǒng)驅(qū)動外骨骼，幫助使用者完成行走、搬運等動作。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.外骨骼動力救援機甲結(jié)構(gòu)

采用美國 PTC公司Pro/Engineer Wildfire三維設(shè)計軟件，它具有良好的參數(shù)化和全局化特征，可根據(jù)需要的參數(shù)對幾何形狀進行控制。

圖1 作者加工、調(diào)試救援機甲

首先創(chuàng)建主體模型，通過合并的方法在單個元件中對其進行修改。相關(guān)元件的主要外形都來自同一個文件，對關(guān)聯(lián)性的修改只需更改主模型，節(jié)省設(shè)計時間。

建模完成后對各部分零件進行裝配。利用整體模型，自上而下先對各部分零件模塊進行設(shè)計，再配對建立各零部件的約束關(guān)系，確定不同產(chǎn)品零件的具體位置。通過仿真模擬技術(shù)，在虛擬環(huán)境中驗證設(shè)計的可行性、穩(wěn)定性和可操作性。

組裝零部件時，通過設(shè)計軟件建立的坐標(biāo)軸，在約束命令中對零部件裝配貼合程度進行判斷，實現(xiàn)各部件與整體之間裝配關(guān)系的協(xié)調(diào)，確保機甲在運動過程中具有良好的機械流暢度。

2.外骨骼動力救援機甲電機

本研究采用DC24V 直流減速電機，該電機與齒輪箱一體設(shè)計，減速機效率大于95%，工作時振幅小，噪聲小，調(diào)速性能好，可在重負載的條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，且調(diào)速范圍較寬、啟動力矩大。

3.外骨骼動力救援機甲控制系統(tǒng)

外骨骼動力救援機甲主控系統(tǒng)采用AT89C51 單片機，具有低功耗、高性能、低成本等特點。

針對救援人員在救援過程中可能出現(xiàn)雙手忙不過來的情況，我開發(fā)了語言控制系統(tǒng)。救援人員通過麥克風(fēng)發(fā)出語音指令，主程序通過麥克風(fēng)監(jiān)聽救援人員的語音指令，收到語音指令后對語音信號進行處理，提取有用的識別特征，根據(jù)識別出的語音指令驅(qū)動機甲、傳感器工作。總體方案如圖3。

圖2 DC24V直流減速電機實物圖

圖3 語音識別控制模塊實施方案

4.生命體征監(jiān)測模塊

通過手腕采集人體心率、體溫和定位信息等數(shù)據(jù)并無線傳輸給指揮終端，終端分析這些信息后下達相應(yīng)的指令。

四、創(chuàng)新點

1.為救援者提供外動力

通過電機驅(qū)動機甲運動，可減緩救援者的體力消耗，提高救援者的搬運、負重能力。

2.自動監(jiān)測救援者生命體征

通過機甲自帶的生命體征監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測救援者的心跳、血壓等生命特征，防止救援者心跳過快引發(fā)的急癥或猝死。個體檢測信息還能被及時傳送至指揮中心，為網(wǎng)絡(luò)化、大數(shù)據(jù)化救援提供決策依據(jù)。

3.手動控制和語音控制

語音控制可在救援者雙手均不方便操作的情況下實現(xiàn)對機甲的操控，提高救援效率。

本裝置進一步優(yōu)化設(shè)計和改進生產(chǎn)工藝后，將為災(zāi)害救援部門提供新的救援裝備。

（指導(dǎo)老師：屈檢嗣 吳 迪）

作者心聲

本項目源自假期的社會綜合實踐活動，經(jīng)歷了調(diào)查研究、實驗研究、方案設(shè)計及裝置制作幾個階段，將書本的理論知識用于實踐，解決實際問題。我在研究中得到了應(yīng)急中心工作人員及機械技術(shù)人員、控制技術(shù)人員的大力幫助，非常感謝！本項目所使用的觀察法是發(fā)現(xiàn)問題的重要途徑。仔細觀察周邊的生活，做生活的有心人，創(chuàng)新、發(fā)明就會離我們越來越近！

專家點評

周逸航同學(xué)“基于仿生外骨骼動力的救援機甲”項目讓人眼前一亮！該項目的完成能很好地體現(xiàn)新高考對選拔人才的導(dǎo)向要求，即科技創(chuàng)新人才所擁有的必備知識、關(guān)鍵能力、學(xué)科素養(yǎng)和核心價值等。

進一步了解和分析作者完成該項目的過程還發(fā)現(xiàn)，高中生要完成這樣高難度的創(chuàng)新作品，必須具備敢于挑戰(zhàn)自我、超越他人的創(chuàng)新精神，以及跨學(xué)科運用知識解決實際問題的能力。

當(dāng)然，這個作品還只是一個具有一定理論價值的模型，它距離實際應(yīng)用還有很長、很遠的路要走。希望我們的學(xué)生不斷學(xué)習(xí)與實踐，把自己培養(yǎng)成真正的創(chuàng)新人才，未來走向科創(chuàng)領(lǐng)域的人生高峰！