基于仿生外骨骼動力的救援機甲

一、基本思路

科幻電影《環太平洋》給了我設計靈感。我在《仿生服務機器人與醫療康復機器人》一書中了解到，人體擁有神奇的特性和功能，可以成為優良的仿生對象，便融合機器人學、人體運動學、控制技術等進行了仿生研究。

第一步，在保證安全的前提下，對建筑物坍塌等突發性災害情況進行實地考察，弄清在突發情況下應急救援存在的問題。第二步，走訪虛擬仿真實驗研究室、防災應急體驗館等，了解目前國內的救援設備，并采訪工作人員，研究人體外骨骼的結構功能圖，根據肩關節、肘關節、髖關節、膝關節的結構特點設計圖紙，篩選項目所用的制作材料。第三步，利用PRE建模，設計外骨骼各零部件模塊，通過仿真模擬技術驗證，對語音識別技術進行研究。第四步，借助3D技術，根據圖紙設計模型，檢測實時數據，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、環保、耐用、價格低廉為出發點，制作、優化安全可靠的救援裝置。

二、設計原理

仿生外骨骼涉及機電傳動、數據傳感、信息處理、芯片控制等技術，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，通過直流電機旋轉帶動人體外骨骼運動，為穿戴者四肢提供實現運動的外動力。

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

三、結構設計

1.外骨骼動力救援機甲結構

采用美國PTC公司Pro/EngineerWildfire三維設計軟件，它具有良好的參數化和全局化特征，可根據需要的參數對幾何形狀進行控制。

首先創建主體模型，通過合并的方法在單個元件中對其進行修改。相關元件的主要外形都來自同一個文件，對關聯性的修改只需更改主模型，節省設計時間。

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計，再配對建立各零部件的約束關系，確定不同產品零件的具體位置。通過仿真模擬技術，在虛擬環境中驗證設計的可行性、穩定性和可操作性。

組裝零部件時，通過設計軟件建立的坐標軸，在約束命令中對零部件裝配貼合程度進行判斷，實現各部件與整體之間裝配關系的協調，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計，減速機效率大于95%，工作時振幅小，噪聲小，調速性能好，可在重負載的條件下，實現均勻、平滑的無級調速，且調速范圍較寬、啟動力矩大。

3.外骨骼動力救援機甲控制系統

外骨骼動力救援機甲主控系統采用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雙手忙不過來的情況，我開發了語言控制系統。救援人員通過麥克風發出語音指令，主程序通過麥克風監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，根據識別出的語音指令驅動機甲、傳感器工作?？傮w方案如圖3。

4.生命體征監測模塊

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

四、創新點

1.為救援者提供外動力

通過電機驅動機甲運動，可減緩救援者的體力消耗，提高救援者的搬運、負重能力。

2.自動監測救援者生命體征

通過機甲自帶的生命體征監測系統，實時監測救援者的心跳、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，為網絡化、大數據化救援提供決策依據。

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對機甲的操控，提高救援效率。

本裝置進一步優化設計和改進生產工藝后，將為災害救援部門提供新的救援裝備。（指導老師：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，經歷了調查研究、實驗研究、方案設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急中心工作人員及機械技術人員、控制技術人員的大力幫助，非常感謝！本項目所使用的觀察法是發現問題的重要途徑。仔細觀察周邊的生活，做生活的有心人，創新、發明就會離我們越來越近！

專家點評

周逸航同學“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新高考對選拔人才的導向要求，即科技創新人才所擁有的必備知識、關鍵能力、學科素養和核心價值等。

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

當然，這個作品還只是一個具有一定理論價值的模型，它距離實際應用還有很長、很遠的路要走。希望我們的學生不斷學習與實踐，把自己培養成真正的創新人才，未來走向科創領域的人生高峰！