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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 仿蝎變形履帶越障機(jī)器人
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 該作品是一款基于輪履復(fù)合技術(shù)的移動機(jī)器人，可根據(jù)不同地形條件在履帶與輪兩種行進(jìn)方式間轉(zhuǎn)換，兼顧了移動效率和越障性能；同時加裝仿蝎尾結(jié)構(gòu)，為機(jī)器人后部提供一個附加著力點(diǎn)，提高越障能力。該機(jī)器人具有良好的地形適應(yīng)性，可應(yīng)用于軍事偵察、地形勘探、災(zāi)后救援等領(lǐng)域。
- 詳細(xì)介紹：
- 1.輪履復(fù)合技術(shù) 該機(jī)器人可以在履帶和輪式兩種運(yùn)動方式之間切換，從而適應(yīng)各種不同的地形條件。當(dāng)陸地環(huán)境較為平坦時，機(jī)器人以輪式行進(jìn)，可以最大限度的提高行進(jìn)速度；當(dāng)路面復(fù)雜，輪式模式無法通過時，撐開桿機(jī)構(gòu)將履帶撐開，切換為履帶運(yùn)動模式進(jìn)行工作； 2.輔助運(yùn)動的仿蝎尾結(jié)構(gòu) 在機(jī)器人主體的尾部加裝一個仿蝎尾機(jī)構(gòu)，給機(jī)器人越障是提供一個著力點(diǎn)，提高機(jī)器人的越障能力。在機(jī)器人下坡時則可輕微的鉤住地面防止機(jī)器人行進(jìn)過快導(dǎo)致翻倒。機(jī)器人在尾部結(jié)構(gòu)配合下可以適應(yīng)更多更復(fù)雜的地形條件。 3.可變形履帶 一般的履帶不能改變長度，為配合本機(jī)器人運(yùn)動方式的切換，設(shè)計(jì)了一種可伸縮的履帶。在輪式運(yùn)動狀態(tài)下，履帶收縮為近似圓形，其作用相當(dāng)于輪胎；在履帶式運(yùn)動狀態(tài)下，履帶在伸縮桿機(jī)構(gòu)的作用下拉伸至最大長度，其作用相當(dāng)于普通履帶。 4.控制系統(tǒng) 該機(jī)器人控制系統(tǒng)可分為主控系統(tǒng)和驅(qū)動控制系統(tǒng)兩大部分。 主控系統(tǒng)以ATmega64為控制芯片，搭建控制電路。而驅(qū)動控制系統(tǒng)又可劃分為三部分：行進(jìn)部分、撐開部分、尾部仿蝎尾收放部分。主控電路板集成了控制芯片、I/O、液晶屏、通訊接口等設(shè)備，外圍驅(qū)動設(shè)備通過RS-485協(xié)議與主控進(jìn)行通訊。 經(jīng)過設(shè)計(jì)的主控系統(tǒng)硬件，具有12路獨(dú)立的In口及Out口，采用TLP621光耦進(jìn)行光電隔離；預(yù)留RS-485通訊用USB串行接口，與下位機(jī)進(jìn)行通訊；主控面板集成17鍵控制按鈕及液晶屏。 直流伺服電機(jī)采用PWM方式進(jìn)行驅(qū)動控制，實(shí)驗(yàn)采用MCL2805驅(qū)動器。該驅(qū)動器采用FAULHABER公司獨(dú)特算法，使速度頻率響應(yīng)提高2倍，達(dá)到500Hz；具有共振抑制和控制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，從而實(shí)現(xiàn)高速定位；具有全閉環(huán)控制功能，通過外接高精度的光柵尺，構(gòu)成全閉環(huán)控制，進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計(jì)目的： 設(shè)計(jì)一款越障性能良好、適應(yīng)地形能力強(qiáng)、移動效率高的移動搭載平臺，代替人員進(jìn)入復(fù)雜地形環(huán)境執(zhí)行任務(wù)。 設(shè)計(jì)基本思路： 1、設(shè)計(jì)輪-履復(fù)合行走機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人可以在輪和履帶兩種運(yùn)動方式間進(jìn)行切換； 2、設(shè)計(jì)模仿蝎子尾部的運(yùn)動輔助機(jī)構(gòu)，提高機(jī)器人翻越障礙的能力。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1. 輪-履復(fù)合技術(shù)： 平坦路面采用輪式前進(jìn)，速度較快；崎嶇路面履帶伸開，增加輪與地面的接觸面積，同時改變行進(jìn)方式，以適應(yīng)各種復(fù)雜地形。 2. 仿蝎尾輔助運(yùn)動技術(shù)： 平時收起，越障時展開，為機(jī)器人提供一個附加著力點(diǎn)。 3. 可變形履帶技術(shù)： 為配合本機(jī)器人輪-履運(yùn)動方式的切換，設(shè)計(jì)了一種可伸縮的履帶。該履帶可根據(jù)機(jī)構(gòu)的裝換過程改變周長，同時有效傳遞動力。 技術(shù)關(guān)鍵： 1．輪-履轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu):輪-履轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的主體是兩個近似對稱分布的四連桿機(jī)構(gòu)，既可以將履帶撐到近似三角形，也可以完全收到輪內(nèi)。 2. 仿蝎尾輔助運(yùn)動機(jī)構(gòu)：為了給機(jī)器人一個附加著力點(diǎn)，機(jī)構(gòu)要完成平面250°旋轉(zhuǎn)，同時能將車體承平。 3. 可變形履帶設(shè)計(jì):在輪式運(yùn)動狀態(tài)下，履帶收縮為近似圓形，其作用相當(dāng)于輪胎；在履帶式運(yùn)動狀態(tài)下，履帶在撐開桿機(jī)構(gòu)的作用下拉伸至最大長度，其作用相當(dāng)于普通履帶。 主要技術(shù)指標(biāo)： 機(jī)器人在水平地面以輪式狀態(tài)行進(jìn)時，最高時速可以達(dá)到18km/h;以履帶式狀態(tài)行進(jìn)時，可以攀爬坡度最大為35度的斜坡，可以翻越最高為105mm的臺階（履帶輪直徑為170mm）。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 目前國內(nèi)外行走機(jī)構(gòu)按移動方式可分為輪式、腿式、履帶式等。但輪式、履帶式等各類移動機(jī)器人都具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，例如輪式移動機(jī)器人跨越壕溝、臺階的能力差，腿式移動機(jī)器人速度慢、效率低，履帶式移動機(jī)器人重量大、能耗高等。而復(fù)合式機(jī)器人可以將同時具有多種移動方式，對地形環(huán)境的適應(yīng)能力也就更強(qiáng)。以輪-履復(fù)合運(yùn)動機(jī)器人為例，可以在履帶和輪式兩種運(yùn)動方式之間切換，當(dāng)陸地環(huán)境較為平坦時，機(jī)器人以輪式行進(jìn)，可以最大限度的提高行進(jìn)速度，保障運(yùn)動的靈活性；當(dāng)路面復(fù)雜，輪式模式無法通過時，切換為越障能力更強(qiáng)的履帶運(yùn)動模式進(jìn)行工作。這樣就達(dá)到了比單一移動方式更強(qiáng)大的運(yùn)動性能。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2010年5月，獲得由黑龍江省教育廳舉辦的“第四屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽黑龍江賽區(qū)”一等獎； 2010年12月，獲得由黑龍江省科技廳、黑龍江省教育廳、中國共產(chǎn)主義青年團(tuán)黑龍江省委員會舉辦的“黑龍江省首屆‘TRIZ’杯大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”二等獎。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 模型、現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 該機(jī)器人采用輪履復(fù)合技術(shù)，將履帶與輪的兩種行進(jìn)方式結(jié)合。該技術(shù)最大的特點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)可以改變自身周長的履帶，同時又能有效傳遞動力的履帶：平面行走變?yōu)檩喰?，提高行進(jìn)效率；越障時變?yōu)槁膸?，提高攀爬能力。另外該機(jī)器人結(jié)合仿生蝎尾，在越障時得到附加的著力點(diǎn)，使機(jī)器人能夠越過近似自身高度的垂直障礙物，從而進(jìn)一步拓展了機(jī)器人作為移動越障載體的攀爬移動能力。該機(jī)器人可通過搭載不同的應(yīng)用設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。如： （1）地震等突發(fā)災(zāi)難時的搜救； （2）軍事偵查； （3）反恐安保工作； （4）核電站泄露的事故探查等。
同類課題研究水平概述
- 近些年來，機(jī)器人開始逐漸應(yīng)用于災(zāi)難救援、反恐排爆、軍事偵查等領(lǐng)域代替人類執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)，其工作環(huán)境往往復(fù)雜多變。因此要求機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)具有高度的機(jī)動靈活性和環(huán)境適應(yīng)性。 已經(jīng)出現(xiàn)的機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)主要有輪式、履帶式和腿式，其中以輪式的效率最高，但其適應(yīng)能力相對較差，而腿式的適應(yīng)能力最強(qiáng)但其效率最低?；履帶式移動機(jī)構(gòu)具有良好越障能力，適合在崎嶇的地面上行使。但由于沉重的履帶和繁多的驅(qū)動輪使得整體機(jī)構(gòu)笨重，消耗的功率也相對較大。 輪式移動機(jī)器人具有運(yùn)動速度快、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，只是越障性能不太強(qiáng)。但隨著各種各樣的車輪底盤的出現(xiàn)，如日本NASDA的六輪柔性底盤月球漫游車LRTV，俄羅斯TRANSMASH的六輪三體柔性框架移動機(jī)器人Marsokohod，美國CMU的六輪三體柔性機(jī)器人Robby系列以及美國肌的六輪搖臂懸吊式行星漫游車Rocky系列，已使輪式機(jī)器人越野能力大大提高。 履帶式機(jī)器人是在傳統(tǒng)的輪式移動機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。主要的代表有Faster-Miller公司的SOLEM機(jī)器人，Inuktum公司的Minitrac機(jī)器人，SPAWAR公司的urbot機(jī)器人,他們體積普遍偏大,不太適合在狹小空間內(nèi)作業(yè)。近年來在傳統(tǒng)履帶式機(jī)器人平臺基礎(chǔ)上,又研制出了形態(tài)可變的履帶式多態(tài)搜救機(jī)器人。如美國iRobot公司生產(chǎn)的PackBot系列機(jī)器人,加拿大Inuktun公司MicroVGTV多態(tài)搜救機(jī)器人。 就對非結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應(yīng)能力而言,普通的履帶式移動機(jī)器人具有越野性能好,爬坡、越障、跨溝能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),同時也存在轉(zhuǎn)彎性較差、能耗較大等缺點(diǎn)。與之相比,履帶可變形移動機(jī)器人和一些復(fù)合型移動機(jī)器人不僅具有較好的對非結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應(yīng)能力,而且也具有較好的運(yùn)動靈活性和較低的能耗。 目前,國內(nèi)外已經(jīng)研制出一些專門適用于非結(jié)構(gòu)環(huán)境的履帶可變形移動機(jī)器人和復(fù)合型移動機(jī)器人。較為典型的履帶可變形移動機(jī)器人有CALEB-2機(jī)器人、VSTR機(jī)器人、ROBHAZ-DT系列機(jī)器人、Single-Tracked機(jī)器人、VGTV機(jī)器人等；較為典型的復(fù)合型移動機(jī)器人有AZIMUT機(jī)器人、HYBRID移動機(jī)器人等。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對于機(jī)器人的移動方式研究更加深入，從傳統(tǒng)的輪式、腿式、履帶式到出現(xiàn)較晚的復(fù)合式，機(jī)器人的移動方式將不斷被擴(kuò)展。
