基于仿生外骨骼動(dòng)力的救援機(jī)甲

◆長(zhǎng)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(cái)產(chǎn)被掩埋的事故較多,因現(xiàn)場(chǎng)混亂、道路被中斷等原因，大型救援設(shè)備不能快速到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)施救。在這種情況下，人工救援是一種必要的方式，但長(zhǎng)時(shí)間搬運(yùn)后，救援者的體能會(huì)大大下降。

我設(shè)計(jì)了一種能在救援行動(dòng)中提供外動(dòng)力、自動(dòng)監(jiān)測(cè)生命體征的基于仿生外骨骼動(dòng)力的救援機(jī)甲。它能延長(zhǎng)救援者搬重物的時(shí)間，還有手動(dòng)控制和語音控制模式，可將自動(dòng)監(jiān)測(cè)的信息實(shí)時(shí)發(fā)送給指揮中心，實(shí)現(xiàn)個(gè)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(jì)靈感。我在《仿生服務(wù)機(jī)器人與醫(yī)療康復(fù)機(jī)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(duì)象，便融合機(jī)器人學(xué)、人體運(yùn)動(dòng)學(xué)、控制技術(shù)等進(jìn)行了仿生研究。

第一步，在保證安全的前提下，對(duì)建筑物坍塌等突發(fā)性災(zāi)害情況進(jìn)行實(shí)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(shí)驗(yàn)研究室、防災(zāi)應(yīng)急體驗(yàn)館等，了解目前國(guó)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(diǎn)設(shè)計(jì)圖紙，篩選項(xiàng)目所用的制作材料。第三步，利用PRE 建模，設(shè)計(jì)外骨骼各零部件模塊，通過仿真模擬技術(shù)驗(yàn)證，對(duì)語音識(shí)別技術(shù)進(jìn)行研究。第四步，借助3D 技術(shù)，根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)模型，檢測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究整套裝置的制作材料，在改進(jìn)完善中研究。第五步，以美觀、環(huán)保、耐用、價(jià)格低廉為出發(fā)點(diǎn)，制作、優(yōu)化安全可靠的救援裝置。

二、設(shè)計(jì)原理

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

其工作原理為：傳感器感應(yīng)各節(jié)點(diǎn)信號(hào)（包括力的大小、運(yùn)動(dòng)方向、速度、旋轉(zhuǎn)角度等），將測(cè)量到的信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算后下達(dá)工作指令，電機(jī)工作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)外骨骼，幫助使用者完成行走、搬運(yùn)等動(dòng)作。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.外骨骼動(dòng)力救援機(jī)甲結(jié)構(gòu)

采用美國(guó) PTC公司Pro/Engineer Wildfire三維設(shè)計(jì)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(duì)幾何形狀進(jìn)行控制。

圖1 作者加工、調(diào)試救援機(jī)甲

首先創(chuàng)建主體模型，通過合并的方法在單個(gè)元件中對(duì)其進(jìn)行修改。相關(guān)元件的主要外形都來自同一個(gè)文件，對(duì)關(guān)聯(lián)性的修改只需更改主模型，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。

建模完成后對(duì)各部分零件進(jìn)行裝配。利用整體模型，自上而下先對(duì)各部分零件模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，再配對(duì)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(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性、穩(wěn)定性和可操作性。

組裝零部件時(shí)，通過設(shè)計(jì)軟件建立的坐標(biāo)軸，在約束命令中對(duì)零部件裝配貼合程度進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)各部件與整體之間裝配關(guān)系的協(xié)調(diào)，確保機(jī)甲在運(yùn)動(dòng)過程中具有良好的機(jī)械流暢度。

2.外骨骼動(dòng)力救援機(jī)甲電機(jī)

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

3.外骨骼動(dòng)力救援機(jī)甲控制系統(tǒng)

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

針對(duì)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(duì)語音信號(hào)進(jìn)行處理，提取有用的識(shí)別特征，根據(jù)識(shí)別出的語音指令驅(qū)動(dòng)機(jī)甲、傳感器工作?？傮w方案如圖3。

圖2 DC24V直流減速電機(jī)實(shí)物圖

圖3 語音識(shí)別控制模塊實(shí)施方案

4.生命體征監(jiān)測(cè)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(dá)相應(yīng)的指令。

四、創(chuàng)新點(diǎn)

1.為救援者提供外動(dòng)力

通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)甲運(yùn)動(dòng)，可減緩救援者的體力消耗，提高救援者的搬運(yùn)、負(fù)重能力。

2.自動(dòng)監(jiān)測(cè)救援者生命體征

通過機(jī)甲自帶的生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(gè)體檢測(cè)信息還能被及時(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)甲的操控，提高救援效率。

本裝置進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)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(xiàng)目源自假期的社會(huì)綜合實(shí)踐活動(dòng)，經(jīng)歷了調(diào)查研究、實(shí)驗(yàn)研究、方案設(shè)計(jì)及裝置制作幾個(gè)階段，將書本的理論知識(shí)用于實(shí)踐，解決實(shí)際問題。我在研究中得到了應(yīng)急中心工作人員及機(jī)械技術(shù)人員、控制技術(shù)人員的大力幫助，非常感謝！本項(xiàng)目所使用的觀察法是發(fā)現(xiàn)問題的重要途徑。仔細(xì)觀察周邊的生活，做生活的有心人，創(chuàng)新、發(fā)明就會(huì)離我們?cè)絹碓浇?/p>

專家點(diǎn)評(píng)

周逸航同學(xué)“基于仿生外骨骼動(dòng)力的救援機(jī)甲”項(xiàng)目讓人眼前一亮！該項(xiàng)目的完成能很好地體現(xiàn)新高考對(duì)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(shí)、關(guān)鍵能力、學(xué)科素養(yǎng)和核心價(jià)值等。

進(jìn)一步了解和分析作者完成該項(xiàng)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(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

當(dāng)然，這個(gè)作品還只是一個(gè)具有一定理論價(jià)值的模型，它距離實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)、很遠(yuǎn)的路要走。希望我們的學(xué)生不斷學(xué)習(xí)與實(shí)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！