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基本信息
- 項目名稱：
- 幾何精靈
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- “幾何精靈”的思想源于幾何形狀與機械拓撲結(jié)構(gòu)的相似性，根據(jù)熟知的幾何圖形變形特點，運用傳統(tǒng)的機構(gòu)學(xué)知識，實現(xiàn)連桿機構(gòu)的新用途?！皫缀尉`”是綜合幾何圖形特點和機構(gòu)學(xué)知識，具有變形和移動能力的特殊機器人。移動可分為步行、滾動、滑行。特點是采用閉鏈機構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)?！皫缀尉`”在教育教學(xué)、產(chǎn)品開發(fā)和軍事航天等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。
- 詳細介紹：
- 1.滑行四邊形精靈 原理：曲柄作用下，兩足會相對地面左右搖擺，使得兩側(cè)摩擦力差值交替變化，摩擦力較小的一側(cè)相對地面會有較大的位移，如此交替變化實現(xiàn)類似輪滑的滑行移動。 特點：單自由度機構(gòu)，通過單動力驅(qū)動，依靠兩側(cè)摩擦力差值的交替變化實現(xiàn)一種滑行的移動方式。 2.步行（雙側(cè)足）四邊形精靈 原理：改變足部機構(gòu)，使得機構(gòu)可以單足支撐，在曲柄作用下實現(xiàn)邁步動作，如此循環(huán)實現(xiàn)空間一維的運動。 特點：單自由度機構(gòu)，通過單動力驅(qū)動，依靠兩側(cè)足的交替支撐實現(xiàn)一種步行移動方式。 3.步行（內(nèi)外足）四邊形精靈 原理：兩個曲柄共同作用可以使內(nèi)足在空間運動，與外足輪流支撐，并在奇異位置處改變電機轉(zhuǎn)向，使機構(gòu)有四個運動方向。 特點：二自由度機構(gòu)，實現(xiàn)一種步行移動方式，內(nèi)外足輪流支撐，通過控制電機轉(zhuǎn)向，可實現(xiàn)多個方向上的運動。 4.滾動四邊形精靈 原理：電機轉(zhuǎn)動使得四邊形轉(zhuǎn)動形狀變化，其重心發(fā)生偏移出底邊，并在慣性作用下使四邊形翻滾，完成四邊形機器人的一個翻滾步態(tài)。 特點：單動力機構(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)運動四個桿輪流著地，實現(xiàn)四邊形的滾動運動。 5.步行三角形精靈 原理：三自由度六桿機構(gòu)，改變邊長，使得其中一個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一步，實現(xiàn)一維的運動。 特點：通過控制伸縮桿長度，利用三角形的變形，兩足輪流支撐，實現(xiàn)步行移動。 6.滾動三角形精靈 原理：改變?nèi)切纹渲幸粭l邊長，使三角形重心移動偏出與地面接觸的底邊，從而使三角形機器人翻滾，然后側(cè)邊再縮短恢復(fù)原長，完成一個步態(tài)。如此反復(fù)完成三角形機器人的直線滾動。 特點：三自由度機構(gòu)，螺旋傳動改變?nèi)切芜呴L，使得重心偏移，三邊輪流支撐，實現(xiàn)滾動。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計目的： 結(jié)合幾何圖形變形的特點，研究在移動方式上，連桿機構(gòu)的新應(yīng)用。 設(shè)計基本思路： 分析幾何形體的變形特征，運用機構(gòu)學(xué)知識與無線控制技術(shù)，設(shè)計一系列精靈，展示滑行、步行和滾動三類特殊移動方式。 創(chuàng)新點: 1.提出“幾何精靈”的思想，即“幾何精靈”是綜合幾何圖形特點和機構(gòu)學(xué)知識，具有變形和移動能力的特殊機器人。 2.分析封閉幾何圖形變形的特點，設(shè)計巧妙的機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了連桿機構(gòu)的滑行、步行和滾動三類特殊移動。 技術(shù)關(guān)鍵： 分析幾何圖形變形與機構(gòu)移動方式的相似性，設(shè)計相應(yīng)的連桿機構(gòu)，滿足滑行、步行、滾動特殊移動方式的要求。 主要技術(shù)指標(biāo)： 1.實現(xiàn)6類幾何精靈的滑行、步行和滾動3種特殊移動。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、三角形精靈步行、三角形精靈滾動。 2.建立無線控制平臺，實現(xiàn)1臺PC機對6類幾何精靈的無線通信。
科學(xué)性、先進性
- 作品科學(xué)性、先進性： 1.設(shè)計理念的新穎性：提出“幾何精靈”的思想，分析幾何圖形的變形，提出新型的可移動連桿機構(gòu)。國內(nèi)外研究與此思想相近只有NASA的機器人，以四面體為單元，組建空間復(fù)雜多面體，實現(xiàn)空間運動。我們的研究則從最基礎(chǔ)的幾何圖形開始，如三角形、四邊形等，探尋其中的可移動原理，然后逐漸向空間拓展。 2.機構(gòu)上的創(chuàng)新：本研究所涉及的都是閉鏈連桿機構(gòu)，并進行機構(gòu)創(chuàng)新，實現(xiàn)特定的運動。同樣的幾何形狀，改變關(guān)鍵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)不同的移動方式。 3.家族化的設(shè)計：各個精靈貫穿同一設(shè)計理念，采用多種移動方式，構(gòu)成“幾何精靈”大家族。 總之，“幾何精靈”在運動原理、機構(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)性和先進性。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2009年“挑戰(zhàn)杯”科技發(fā)明制作A類校級一等獎 2009年“挑戰(zhàn)杯”科技發(fā)明制作A類市級一等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓/技術(shù)入股
作品可展示的形式
- ■實物、產(chǎn)品 ■模型 ■現(xiàn)場演示 ■圖片 ■錄像 ■樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 技術(shù)特點及優(yōu)勢： 1.“幾何精靈”是一個原創(chuàng)性的思想，它是一系列具有變形、移動功能的幾何體。 2.熟知的幾何圖形，運用機構(gòu)學(xué)知識，設(shè)計整體閉鏈機構(gòu)，實現(xiàn)連桿機構(gòu)滑行、步行、滾動的特殊移動方式，機構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。 3.幾何圖形和連桿機構(gòu)都具有很深的拓撲性，還有很多奇特的精靈等待著開發(fā)。 應(yīng)用前景： 1、在教育方面： 機構(gòu)學(xué)教育：幾何圖形學(xué)與機構(gòu)學(xué)知識相結(jié)合，將變形和移動功能綜合起來，創(chuàng)造特殊的可移動連桿機構(gòu)，豐富機構(gòu)學(xué)的內(nèi)容，提高學(xué)生對機構(gòu)的理解。 中小學(xué)教育：建立教育平臺，以變形移動的幾何體為基礎(chǔ)，與幾何知識密切結(jié)合，融合機械、電子、計算機等多學(xué)科知識，使靜止、枯燥的幾何圖形活動起來，增強學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣，在娛樂中獲取知識。2、在產(chǎn)品開發(fā)方面：開發(fā)移動玩具產(chǎn)品，并借助于先進的控制方式，實現(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)移動機構(gòu)相結(jié)合，研發(fā)新型的地面特種移動作戰(zhàn)機器人、航天星球探測機器人。
同類課題研究水平概述
- 研究概況： 1輪式機器人 人類史上最成功的移動機構(gòu)便是輪式機構(gòu)，各種各樣的民用車輛全都是屬于輪式機構(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機器人的發(fā)展。 2履帶式機器人 履帶式機器人的研究也比較早，作為最常見的移動方式之一，已廣泛應(yīng)用車輛中。相對于輪式機器人來說，履帶的優(yōu)點在于越障性能好，但是相對的移動、轉(zhuǎn)向不靈活，總體比較笨重。 3 步行機器人 步行機器人越障能力比較強，具有較強的地面使用能力，在崎嶇路面上，步行車輛優(yōu)于輪式或履帶式車輛。步式機器人運動靠腿足系統(tǒng)。步行運動是最靈活也是適應(yīng)能力最強的一種運動方式，并與仿生學(xué)結(jié)合在一起，已成為機器人家族中重要的一份子。 4 滾動機器人 滾動機器人的移動方式不同于輪式的滾動，其中以球形機器人為代表。球形滾動機器人是一種以球形或近似球形為外殼的獨立運動體，是近幾年才出現(xiàn)的一種新的機器人機構(gòu)形式。它的運動方式以滾動運動為主。由于這種運動方式和外殼的特殊性，這種球形機器人用最少的自由度，以欠驅(qū)動的方式實現(xiàn)了全方位運動。比其他運動方式轉(zhuǎn)向靈活；并且當(dāng)運動機構(gòu)發(fā)生墜落等危險情況時，可以迅速的調(diào)整運行狀態(tài)，進行連 5 蠕動機器人 蠕動機器人是仿照蛇和蚯蚓的結(jié)構(gòu)特點和運動機理，它由多個相同的關(guān)節(jié)構(gòu)成，各節(jié)有獨立的驅(qū)動系統(tǒng)。蠕動機器人是利用模塊單元之間的相對轉(zhuǎn)動，或者單元之間的縮放使身體彎曲伸張實現(xiàn)運動。 6 NASA多面體機器人 NASA機器人研究所，根據(jù)多面體的變形特點，提出了一種由球副和移動副組成的復(fù)合機構(gòu)，通過整體的變形實現(xiàn)滾動移動。
