基于仿生外骨骼动力的救援机甲

◆长沙市雅礼中学 周逸航

近年来，建筑物、矿井、地面坍塌等突发事件导致人员、财产被掩埋的事故较多,因现场混乱、道路被中断等原因，大型救援设备不能快速到达事故现场施救。在这种情况下，人工救援是一种必要的方式，但长时间搬运后，救援者的体能会大大下降。

我设计了一种能在救援行动中提供外动力、自动监测生命体征的基于仿生外骨骼动力的救援机甲。它能延长救援者搬重物的时间，还有手动控制和语音控制模式，可将自动监测的信息实时发送给指挥中心，实现个体信息网络化大数据应用。

一、基本思路

科幻电影《环太平洋》给了我设计灵感。我在《仿生服务机器人与医疗康复机器人》一书中了解到，人体拥有神奇的特性和功能，可以成为优良的仿生对象，便融合机器人学、人体运动学、控制技术等进行了仿生研究。

第一步，在保证安全的前提下，对建筑物坍塌等突发性灾害情况进行实地考察，弄清在突发情况下应急救援存在的问题。第二步，走访虚拟仿真实验研究室、防灾应急体验馆等，了解目前国内的救援设备，并采访工作人员，研究人体外骨骼的结构功能图，根据肩关节、肘关节、髋关节、膝关节的结构特点设计图纸，筛选项目所用的制作材料。第三步，利用PRE 建模，设计外骨骼各零部件模块，通过仿真模拟技术验证，对语音识别技术进行研究。第四步，借助3D 技术，根据图纸设计模型，检测实时数据，重点研究整套装置的制作材料，在改进完善中研究。第五步，以美观、环保、耐用、价格低廉为出发点，制作、优化安全可靠的救援装置。

二、设计原理

仿生外骨骼涉及机电传动、数据传感、信息处理、芯片控制等技术，由电源部分、动力部分、人体外骨骼支架、控制部分等部件组成。救援机甲附着在穿戴者体表，通过直流电机旋转带动人体外骨骼运动，为穿戴者四肢提供实现运动的外动力。

其工作原理为：传感器感应各节点信号（包括力的大小、运动方向、速度、旋转角度等），将测量到的信号实时传递给控制系统，控制系统经过计算后下达工作指令，电机工作系统驱动外骨骼，帮助使用者完成行走、搬运等动作。

三、结构设计

1.外骨骼动力救援机甲结构

采用美国 PTC公司Pro/Engineer Wildfire三维设计软件，它具有良好的参数化和全局化特征，可根据需要的参数对几何形状进行控制。

图1 作者加工、调试救援机甲

首先创建主体模型，通过合并的方法在单个元件中对其进行修改。相关元件的主要外形都来自同一个文件，对关联性的修改只需更改主模型，节省设计时间。

建模完成后对各部分零件进行装配。利用整体模型，自上而下先对各部分零件模块进行设计，再配对建立各零部件的约束关系，确定不同产品零件的具体位置。通过仿真模拟技术，在虚拟环境中验证设计的可行性、稳定性和可操作性。

组装零部件时，通过设计软件建立的坐标轴，在约束命令中对零部件装配贴合程度进行判断，实现各部件与整体之间装配关系的协调，确保机甲在运动过程中具有良好的机械流畅度。

2.外骨骼动力救援机甲电机

本研究采用DC24V 直流减速电机，该电机与齿轮箱一体设计，减速机效率大于95%，工作时振幅小，噪声小，调速性能好，可在重负载的条件下，实现均匀、平滑的无级调速，且调速范围较宽、启动力矩大。

3.外骨骼动力救援机甲控制系统

外骨骼动力救援机甲主控系统采用AT89C51 单片机，具有低功耗、高性能、低成本等特点。

针对救援人员在救援过程中可能出现双手忙不过来的情况，我开发了语言控制系统。救援人员通过麦克风发出语音指令，主程序通过麦克风监听救援人员的语音指令，收到语音指令后对语音信号进行处理，提取有用的识别特征，根据识别出的语音指令驱动机甲、传感器工作。总体方案如图3。

图2 DC24V直流减速电机实物图

图3 语音识别控制模块实施方案

4.生命体征监测模块

通过手腕采集人体心率、体温和定位信息等数据并无线传输给指挥终端，终端分析这些信息后下达相应的指令。

四、创新点

1.为救援者提供外动力

通过电机驱动机甲运动，可减缓救援者的体力消耗，提高救援者的搬运、负重能力。

2.自动监测救援者生命体征

通过机甲自带的生命体征监测系统，实时监测救援者的心跳、血压等生命特征，防止救援者心跳过快引发的急症或猝死。个体检测信息还能被及时传送至指挥中心，为网络化、大数据化救援提供决策依据。

3.手动控制和语音控制

语音控制可在救援者双手均不方便操作的情况下实现对机甲的操控，提高救援效率。

本装置进一步优化设计和改进生产工艺后，将为灾害救援部门提供新的救援装备。

（指导老师：屈检嗣 吴 迪）

作者心声

本项目源自假期的社会综合实践活动，经历了调查研究、实验研究、方案设计及装置制作几个阶段，将书本的理论知识用于实践，解决实际问题。我在研究中得到了应急中心工作人员及机械技术人员、控制技术人员的大力帮助，非常感谢！本项目所使用的观察法是发现问题的重要途径。仔细观察周边的生活，做生活的有心人，创新、发明就会离我们越来越近！

专家点评

周逸航同学“基于仿生外骨骼动力的救援机甲”项目让人眼前一亮！该项目的完成能很好地体现新高考对选拔人才的导向要求，即科技创新人才所拥有的必备知识、关键能力、学科素养和核心价值等。

进一步了解和分析作者完成该项目的过程还发现，高中生要完成这样高难度的创新作品，必须具备敢于挑战自我、超越他人的创新精神，以及跨学科运用知识解决实际问题的能力。

当然，这个作品还只是一个具有一定理论价值的模型，它距离实际应用还有很长、很远的路要走。希望我们的学生不断学习与实践，把自己培养成真正的创新人才，未来走向科创领域的人生高峰！