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机械手弹钢琴三角板定“规矩

——记全国青少年科技创新赛场上的陇上“双英”

http://www.lzbs.com.cn    2017-09-07 00:00:00 作者: 来源:兰州新闻网 兰州晚报

李国良和他研制的机械手臂

李国良和他研制的机械手臂

    李国良和李东方,一个来自白银市的高中生“大李”、一个来自天祝县的小学生“小李”,让我省在今年全国青少年科技创新大赛中学组和小学组比赛中均斩获一等奖的梦想成真!在这个由中国科协、教育部、科技部、环保总局、体育总局、自然科学基金委、共青团中央和全国妇联联手搭建的全国青少年科技创新大舞台上,二人展现了绝佳的竞赛水平和堪称完美的表现。尤其是“大李”李国良,一人独得大赛一等奖、茅以升科学技术奖和北京理工大学创新奖三项大奖,代表了甘肃青少年科技创新的最强实力,不服不行!

    兰州晚报记者何燕省青少年科技活动中心供图

    李国良定位精度厘米级、可弹钢琴的仿生机械手臂

    “大李”是白银八中的李国良,虽只是一名17岁的少年,却有着和他的年龄不相称的成熟与睿智。在各路好手云集的全国赛场上,他完成的《电磁驱动仿生机械手臂——一种服务型机械手臂设计方案》从中脱颖而出,受到了全国专家和评委的青睐。通过电话和QQ采访,记者了解了一个天才少年的养成。

    李国良设计的是一只重复定位精度可达厘米级的仿生机械手臂,“如果是团队研发,稍做改进定位精度就可以达到亚毫米级”。以往的机械臂驱动不是力量小、可控制精度低,就是速度慢、结构复杂,“大李”觉得,“电磁铁很像宏观的肌肉纤维,而我之前就在研究类肌肉性质材料,就根据人体手臂结构设计了机械手臂。”“大李”的设计是用电磁铁来吸引牵拉控制“小臂”运动,辅助结构控制速度和定位,用“肩部”的步进电机让“大臂”垂直或水平转动。升降步进电机和电磁铁的结合运用,既能让“手指”快速运动,又保证了“手指”的力度、定位精度。“掌骨间有丝杆步进电机模拟展屈肌,可以抓握薄脆的东西,还能弹钢琴!”

    “大李”从小就喜欢拆卸各种电动玩具,拆完了会研究电路板上所有电路元件的作用。直到快上高二的时候,他才开始系统地学习和研究机械学和自动化控制,自己买书琢磨,解决电路设计和算法设计等方面的问题。“大李”设计的仿生机械手臂中所涉及的内容早已超越了高中生的知识范围,已经涉足了研究生的学习范畴。短短一年的时间,一个高中生要弄清楚研究生级别的相关知识,任谁想想都会头疼,对“大李”的挑战自然也非同一般。这其中,白银一中的科技辅导员辛瑞平老师,帮了他一些忙,最关键的核心算法部分是辛瑞平老师帮他完成的。

    “大李”凭着一股子不服输的韧劲儿,在一年间自学了人体运动学、机械、电子电路、计算机控制等多学科知识。为了给全国赛做好准备、画好全国赛件的3D图纸,他今年5月才开始接触Rhino(犀牛)这种三维建模软件,6月底就开始画图。

    像“大李”这样的少年,估计是不可复制的:为了研究课题和准备大赛,他的成绩就像是坐上了“过山车”,高一时排名全年级前50名,高二第一学期滑到了前160名。原本“大李”做课题用到的这些非标件就很费钱(“大李”大概估算过,完成那些国赛一等奖的工程类课题差不多都要花几万甚至十几万),而这样的成绩“掉落”让支持他搞创新的爸爸妈妈也不免担忧起来,趁他吃饭能听进劝说的时候就劝他:“费这么大功夫,把人累死了,完了别连‘一本’线上不了!”“大李”说:“我其实有时候也挺郁闷的!一个人去弄一个这样的课题真的很费劲、压力特别大!但是,我想:到这一步了,就必须弄出来、弄好它!”而“大李”也终于懂得了学习和研究需要兼顾,高二期末考试时回到了全年级前35名。虽然这一年的大部分精力花在了研究课题上,“大李”的成绩保持在了570分、580分左右。

    谈及仿生机械手臂的应用前景,“大李”认为,可以在服务型机器人“身上”发挥较大作用,比如搬运重物、做家务、照顾病患和残障人士等;在工业方面,可以参与更加高效的物流服务,在某些流水线、高危环境中可以替代人类操作。“未来,运用类生物效应液态金属及拓扑绝缘体制作电磁铁实现低功率高效驱动后,或许在一些操作要求更加精细的太空工程、危险部件的维修上都能用到这个机械臂。”“大李”说,课题本质是设计出仿生的机器人,目前设计原理已基本完成验证,“只要有资金支持,商品化设计可在半年内完成”。

    能在全国赛上获一等奖,出乎“大李”的意料。现在,除了已向他抛出橄榄枝的北京理工大学,所有人都在劝他报考清华自招。“大李”说,高三他会把主要精力投入到学习中去,力争高考取得好成绩。

    李东方可画出绝对水平、竖直线和任意角的多功能三角板

李东方和她的多功能三角板

李东方和她的多功能三角板

    “小李”李东方,一个伶俐可爱的12岁藏族小姑娘,参加全国赛时还只是武威市天祝藏族自治县第四中学小学部六(2)班的学生,新学期已进入武威十中初一学习。她凭借《多功能教学三角板》获得今年全国青少年科技创新大赛一等奖。

    “在一次数学课上,老师让我在黑板上做一道有关长方形周长和面积的题目。题目做对了,还得到了老师的表扬,可是回到座位上却发现,我画的长方形怎么像斜放的平行四边形。”究其原因,是长方形的边长没有画水平。“怎么才能在黑板上画出绝对水平的直线呢?对,我或许可以做出这样的工具。”在随后的科学课上,“小李”把她的想法告诉了教科学的王以玲老师,老师也非常支持她。

    从2016年4月确定研究目标,做市场调查、查新、方案设计、材料准备、模型研制及研究报告撰写,在王以玲的帮助下,小姑娘以非凡的毅力完成了项目。“在科学课上,我们学过利用重垂线来检验墙面是否竖直,只要墙面与重垂线重合,就说明墙面一定是竖直的。受此启发,我发明了带重垂线的第一代多功能教学三角板。”“小李”的设计,是在普通等腰直角三角板的斜边中点处安装一个重垂线,当重垂线过等腰直角三角形的直角顶点时,沿其斜边可以在黑板上画出绝对水平的直线或线段;再转动斜边,当重垂线与三角板的斜边平行,沿斜边又可画出绝对竖直的直线。这个改装后的多功能教学三角板,还能画出标准的平行线和平行四边形。“如果你的三角板还能在黑板上画出任意角度的角,那该有多好啊?”王以玲老师提点小姑娘。受一篇《如何测量路面的坡度》的文章启发,“小李”将量角器、重垂线和三角板结合,又发明了第二代多功能教学三角板。几经改进,最后确定的钢珠型第四代多功能教学三角板既有前三代的所有功能,最妙的是还能做出任意角度的角和任意角的平分线,而且外形美观、结构简单且操作方便。参加全国赛的时候,做得更为美观了些。“小李”并不是第一次获得创新赛大奖,前年以“手机无线充电站”项目拿到了全省赛的二等奖。她说,“还会继续想一些课题做,有机会的话还想参加中学组的比赛。”

    “小李”活泼开朗,全国赛上,还曾为到场参观的国家领导人做过项目介绍。她和“大李”两人在参加全国赛的时候经常在一起交流,两人也是所有甘肃选手中最为活跃的。“小李”和“大李”的认识其实是在全省赛的赛场上。“我好交朋友嘛,见到参赛的高中大哥哥、大姐姐就过去打招呼,看他们的项目,问东问西的,慢慢就熟悉了。全国赛上又碰到,感觉好亲切。”在“大李”和“小李”发给记者的照片里,都有他俩的合影。在他们心中,相信这是一段值得珍视的友谊!

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