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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 幾何精靈
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- “幾何精靈”的思想源于幾何形狀與機(jī)械拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相似性，根據(jù)熟知的幾何圖形變形特點(diǎn)，運(yùn)用傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)連桿機(jī)構(gòu)的新用途?！皫缀尉`”是綜合幾何圖形特點(diǎn)和機(jī)構(gòu)學(xué)知識(shí)，具有變形和移動(dòng)能力的特殊機(jī)器人。移動(dòng)可分為步行、滾動(dòng)、滑行。特點(diǎn)是采用閉鏈機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)?！皫缀尉`”在教育教學(xué)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和軍事航天等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。
- 詳細(xì)介紹：
- 1.滑行四邊形精靈 原理：曲柄作用下，兩足會(huì)相對(duì)地面左右搖擺，使得兩側(cè)摩擦力差值交替變化，摩擦力較小的一側(cè)相對(duì)地面會(huì)有較大的位移，如此交替變化實(shí)現(xiàn)類(lèi)似輪滑的滑行移動(dòng)。 特點(diǎn)：?jiǎn)巫杂啥葯C(jī)構(gòu)，通過(guò)單動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，依靠?jī)蓚?cè)摩擦力差值的交替變化實(shí)現(xiàn)一種滑行的移動(dòng)方式。 2.步行（雙側(cè)足）四邊形精靈 原理：改變足部機(jī)構(gòu)，使得機(jī)構(gòu)可以單足支撐，在曲柄作用下實(shí)現(xiàn)邁步動(dòng)作，如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)空間一維的運(yùn)動(dòng)。 特點(diǎn)：?jiǎn)巫杂啥葯C(jī)構(gòu)，通過(guò)單動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，依靠?jī)蓚?cè)足的交替支撐實(shí)現(xiàn)一種步行移動(dòng)方式。 3.步行（內(nèi)外足）四邊形精靈 原理：兩個(gè)曲柄共同作用可以使內(nèi)足在空間運(yùn)動(dòng)，與外足輪流支撐，并在奇異位置處改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，使機(jī)構(gòu)有四個(gè)運(yùn)動(dòng)方向。 特點(diǎn)：二自由度機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一種步行移動(dòng)方式，內(nèi)外足輪流支撐，通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)。 4.滾動(dòng)四邊形精靈 原理：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使得四邊形轉(zhuǎn)動(dòng)形狀變化，其重心發(fā)生偏移出底邊，并在慣性作用下使四邊形翻滾，完成四邊形機(jī)器人的一個(gè)翻滾步態(tài)。 特點(diǎn)：?jiǎn)蝿?dòng)力機(jī)構(gòu)，改變四邊形形狀使重心偏移出與地面接觸的邊，使其翻滾，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)四個(gè)桿輪流著地，實(shí)現(xiàn)四邊形的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。 5.步行三角形精靈 原理：三自由度六桿機(jī)構(gòu)，改變邊長(zhǎng)，使得其中一個(gè)足離地并向前跨出一步后著地，同樣可以使另外一只足離地跟進(jìn)一步，實(shí)現(xiàn)一維的運(yùn)動(dòng)。 特點(diǎn)：通過(guò)控制伸縮桿長(zhǎng)度，利用三角形的變形，兩足輪流支撐，實(shí)現(xiàn)步行移動(dòng)。 6.滾動(dòng)三角形精靈 原理：改變?nèi)切纹渲幸粭l邊長(zhǎng)，使三角形重心移動(dòng)偏出與地面接觸的底邊，從而使三角形機(jī)器人翻滾，然后側(cè)邊再縮短恢復(fù)原長(zhǎng)，完成一個(gè)步態(tài)。如此反復(fù)完成三角形機(jī)器人的直線(xiàn)滾動(dòng)。 特點(diǎn)：三自由度機(jī)構(gòu)，螺旋傳動(dòng)改變?nèi)切芜呴L(zhǎng)，使得重心偏移，三邊輪流支撐，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)。
作品圖片
作品專(zhuān)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： 結(jié)合幾何圖形變形的特點(diǎn)，研究在移動(dòng)方式上，連桿機(jī)構(gòu)的新應(yīng)用。 設(shè)計(jì)基本思路： 分析幾何形體的變形特征，運(yùn)用機(jī)構(gòu)學(xué)知識(shí)與無(wú)線(xiàn)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)一系列精靈，展示滑行、步行和滾動(dòng)三類(lèi)特殊移動(dòng)方式。 創(chuàng)新點(diǎn): 1.提出“幾何精靈”的思想，即“幾何精靈”是綜合幾何圖形特點(diǎn)和機(jī)構(gòu)學(xué)知識(shí)，具有變形和移動(dòng)能力的特殊機(jī)器人。 2.分析封閉幾何圖形變形的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了連桿機(jī)構(gòu)的滑行、步行和滾動(dòng)三類(lèi)特殊移動(dòng)。 技術(shù)關(guān)鍵： 分析幾何圖形變形與機(jī)構(gòu)移動(dòng)方式的相似性，設(shè)計(jì)相應(yīng)的連桿機(jī)構(gòu)，滿(mǎn)足滑行、步行、滾動(dòng)特殊移動(dòng)方式的要求。 主要技術(shù)指標(biāo)： 1.實(shí)現(xiàn)6類(lèi)幾何精靈的滑行、步行和滾動(dòng)3種特殊移動(dòng)。即四邊形精靈滑行、四邊形精靈(雙側(cè)足)步行、四邊形精靈（內(nèi)外足）步行、四邊形精靈滾動(dòng)、三角形精靈步行、三角形精靈滾動(dòng)。 2.建立無(wú)線(xiàn)控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)1臺(tái)PC機(jī)對(duì)6類(lèi)幾何精靈的無(wú)線(xiàn)通信。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 作品科學(xué)性、先進(jìn)性： 1.設(shè)計(jì)理念的新穎性：提出“幾何精靈”的思想，分析幾何圖形的變形，提出新型的可移動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外研究與此思想相近只有NASA的機(jī)器人，以四面體為單元，組建空間復(fù)雜多面體，實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動(dòng)。我們的研究則從最基礎(chǔ)的幾何圖形開(kāi)始，如三角形、四邊形等，探尋其中的可移動(dòng)原理，然后逐漸向空間拓展。 2.機(jī)構(gòu)上的創(chuàng)新：本研究所涉及的都是閉鏈連桿機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)特定的運(yùn)動(dòng)。同樣的幾何形狀，改變關(guān)鍵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同的移動(dòng)方式。 3.家族化的設(shè)計(jì)：各個(gè)精靈貫穿同一設(shè)計(jì)理念，采用多種移動(dòng)方式，構(gòu)成“幾何精靈”大家族。 總之，“幾何精靈”在運(yùn)動(dòng)原理、機(jī)構(gòu)原理和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展空間巨大，具有較高的科學(xué)性和先進(jìn)性。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2009年“挑戰(zhàn)杯”科技發(fā)明制作A類(lèi)校級(jí)一等獎(jiǎng) 2009年“挑戰(zhàn)杯”科技發(fā)明制作A類(lèi)市級(jí)一等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專(zhuān)利轉(zhuǎn)讓/技術(shù)入股
作品可展示的形式
- ■實(shí)物、產(chǎn)品 ■模型 ■現(xiàn)場(chǎng)演示 ■圖片 ■錄像 ■樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)： 1.“幾何精靈”是一個(gè)原創(chuàng)性的思想，它是一系列具有變形、移動(dòng)功能的幾何體。 2.熟知的幾何圖形，運(yùn)用機(jī)構(gòu)學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)整體閉鏈機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)連桿機(jī)構(gòu)滑行、步行、滾動(dòng)的特殊移動(dòng)方式，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。 3.幾何圖形和連桿機(jī)構(gòu)都具有很深的拓?fù)湫?，還有很多奇特的精靈等待著開(kāi)發(fā)。 應(yīng)用前景： 1、在教育方面： 機(jī)構(gòu)學(xué)教育：幾何圖形學(xué)與機(jī)構(gòu)學(xué)知識(shí)相結(jié)合，將變形和移動(dòng)功能綜合起來(lái)，創(chuàng)造特殊的可移動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，豐富機(jī)構(gòu)學(xué)的內(nèi)容，提高學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)的理解。 中小學(xué)教育：建立教育平臺(tái)，以變形移動(dòng)的幾何體為基礎(chǔ)，與幾何知識(shí)密切結(jié)合，融合機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科知識(shí)，使靜止、枯燥的幾何圖形活動(dòng)起來(lái)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的興趣，在娛樂(lè)中獲取知識(shí)。2、在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面：開(kāi)發(fā)移動(dòng)玩具產(chǎn)品，并借助于先進(jìn)的控制方式，實(shí)現(xiàn)精靈間的互相通信，最終建立幾何精靈的家族。 3、在軍事、航天方面：可以和其他傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合，研發(fā)新型的地面特種移動(dòng)作戰(zhàn)機(jī)器人、航天星球探測(cè)機(jī)器人。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 研究概況： 1輪式機(jī)器人 人類(lèi)史上最成功的移動(dòng)機(jī)構(gòu)便是輪式機(jī)構(gòu)，各種各樣的民用車(chē)輛全都是屬于輪式機(jī)構(gòu)，但是輪式的越障性能較差，在崎嶇地面的行走性能很差，因此大大制約了輪式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展。 2履帶式機(jī)器人 履帶式機(jī)器人的研究也比較早，作為最常見(jiàn)的移動(dòng)方式之一，已廣泛應(yīng)用車(chē)輛中。相對(duì)于輪式機(jī)器人來(lái)說(shuō)，履帶的優(yōu)點(diǎn)在于越障性能好，但是相對(duì)的移動(dòng)、轉(zhuǎn)向不靈活，總體比較笨重。 3 步行機(jī)器人 步行機(jī)器人越障能力比較強(qiáng)，具有較強(qiáng)的地面使用能力，在崎嶇路面上，步行車(chē)輛優(yōu)于輪式或履帶式車(chē)輛。步式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靠腿足系統(tǒng)。步行運(yùn)動(dòng)是最靈活也是適應(yīng)能力最強(qiáng)的一種運(yùn)動(dòng)方式，并與仿生學(xué)結(jié)合在一起，已成為機(jī)器人家族中重要的一份子。 4 滾動(dòng)機(jī)器人 滾動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)方式不同于輪式的滾動(dòng)，其中以球形機(jī)器人為代表。球形滾動(dòng)機(jī)器人是一種以球形或近似球形為外殼的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)體，是近幾年才出現(xiàn)的一種新的機(jī)器人機(jī)構(gòu)形式。它的運(yùn)動(dòng)方式以滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)為主。由于這種運(yùn)動(dòng)方式和外殼的特殊性，這種球形機(jī)器人用最少的自由度，以欠驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)了全方位運(yùn)動(dòng)。比其他運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)向靈活；并且當(dāng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)生墜落等危險(xiǎn)情況時(shí)，可以迅速的調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行連 5 蠕動(dòng)機(jī)器人 蠕動(dòng)機(jī)器人是仿照蛇和蚯蚓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，它由多個(gè)相同的關(guān)節(jié)構(gòu)成，各節(jié)有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。蠕動(dòng)機(jī)器人是利用模塊單元之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，或者單元之間的縮放使身體彎曲伸張實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。 6 NASA多面體機(jī)器人 NASA機(jī)器人研究所，根據(jù)多面體的變形特點(diǎn)，提出了一種由球副和移動(dòng)副組成的復(fù)合機(jī)構(gòu)，通過(guò)整體的變形實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)移動(dòng)。
