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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于風(fēng)滾草仿生的被動(dòng)驅(qū)動(dòng)型星球探測(cè)機(jī)器人（II代）
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 模仿風(fēng)滾草的形態(tài)及運(yùn)動(dòng)機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種被動(dòng)驅(qū)動(dòng)球形機(jī)器人，用于星球探測(cè)或極地勘探。由鋼絲制作的球形骨架和附著于骨架的多組氣囊組成。氣囊由氣泵通過(guò)電磁閥充氣，調(diào)節(jié)氣囊充氣狀態(tài)實(shí)現(xiàn)迎風(fēng)面大小和角度的調(diào)節(jié)，依靠風(fēng)力驅(qū)動(dòng)，初步實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)、調(diào)速、爬坡等功能。樣機(jī)可以整體收縮，便于發(fā)射。在探測(cè)階段的停止?fàn)顟B(tài)下，樣機(jī)內(nèi)部的太陽(yáng)能電池板伸出球體外部接受光照，為控制系統(tǒng)提供電能。節(jié)能環(huán)保，成本低，應(yīng)用前景廣闊。
- 詳細(xì)介紹：
- 模仿風(fēng)滾草（北美沙漠中的一種隨風(fēng)滾動(dòng)的植物）的形態(tài)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種被動(dòng)驅(qū)動(dòng)球形機(jī)器人，旨在用于星球或極端環(huán)境的探測(cè)任務(wù)。該機(jī)器人由一根中軸和若干球形龍骨構(gòu)成骨架，骨架上附著一組可充放氣的氣囊。 氣泵通過(guò)電磁閥為氣囊充氣，控制氣泵和電磁閥，改變氣囊充氣狀態(tài)，改變一定風(fēng)力下機(jī)器人迎風(fēng)面的大小和角度，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)、調(diào)速、爬坡和轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng)功能。 采用兩段式中軸，通過(guò)中軸收縮，實(shí)現(xiàn)球體折疊縮放，便于運(yùn)載和發(fā)射。 內(nèi)部安裝太陽(yáng)能帆板在機(jī)器人停止時(shí)伸出球體外部接受光照，為控制系統(tǒng)供給能源，減少自身能源攜帶。 內(nèi)部的傳感器可以在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行探測(cè)，為人類提供可靠的探測(cè)信息。 仿真實(shí)驗(yàn)表明：機(jī)器人在接近五級(jí)風(fēng)力的驅(qū)動(dòng)下，最大速度1.81m/s，球體收縮比例達(dá)到39.9%?？缮炜s的球形探測(cè)機(jī)器人可以在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行探測(cè)，具有節(jié)約能源，成本低，運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，有廣闊的應(yīng)用前景。
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)
- 一、設(shè)計(jì)目的 1、模仿風(fēng)滾草的原理設(shè)計(jì)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的球形滾動(dòng)機(jī)器人，用于星球探測(cè)或極地探測(cè)； 2、通過(guò)多組受力單元實(shí)現(xiàn)迎風(fēng)面大小和角度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在風(fēng)力不變條件下的加減速，急停和轉(zhuǎn)向等； 3、設(shè)計(jì)整個(gè)樣機(jī)的收縮，便于機(jī)器人搭載和發(fā)射； 4、解決控制系統(tǒng)的能源供給，減少自身能源攜帶。 二、設(shè)計(jì)方案 1、深入了解風(fēng)滾草的被動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理，模仿風(fēng)滾草的結(jié)構(gòu)，用輕質(zhì)高強(qiáng)度的鋼絲制成球形骨架，作為機(jī)器人的枝干構(gòu)型，用可充氣的多組氣囊附著于骨架上，充氣膨脹后作為機(jī)器人的葉冠，承受風(fēng)力； 2、內(nèi)部設(shè)置的氣泵通過(guò)電磁閥為氣囊充氣，通過(guò)氣囊的不同膨脹程度，改變機(jī)器人承受風(fēng)力的大小和方向，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的加減速和轉(zhuǎn)向； 3、借鑒宮燈的構(gòu)造，設(shè)計(jì)可收縮機(jī)器人骨架； 4、加入可伸縮太陽(yáng)能電池板，為控制系統(tǒng)供能。 三、創(chuàng)新點(diǎn) 風(fēng)滾草機(jī)器人是一種植物仿生機(jī)器人，利用風(fēng)力實(shí)現(xiàn)被動(dòng)驅(qū)動(dòng)功能，綠色環(huán)保，并能實(shí)現(xiàn)收縮，便于運(yùn)載和發(fā)射。 四、技術(shù)關(guān)鍵 1、多氣囊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)迎風(fēng)面可調(diào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的加減速和轉(zhuǎn)向等； 2、借鑒宮燈收縮方式，設(shè)計(jì)可調(diào)中軸，通過(guò)改變中軸長(zhǎng)度和骨架經(jīng)線弧度，將樣機(jī)收縮； 3、太陽(yáng)能電池板在機(jī)器人滾動(dòng)時(shí)收縮于球體內(nèi)部，機(jī)器人停止時(shí)，電池板伸出接受光照，提供電能。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 鑒于星球、極地的極端環(huán)境，機(jī)器人成為承擔(dān)這一戰(zhàn)略任務(wù)的重要工具。像美國(guó)的“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”那樣的輪式機(jī)器人或像Titan那樣的足式機(jī)器人，機(jī)械本體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對(duì)比較笨重，執(zhí)行任務(wù)時(shí)的能源供給是個(gè)大問(wèn)題，且輪式和足式運(yùn)動(dòng)速度較低、漫游范圍有限。相對(duì)于輪式和足式機(jī)器人，滾動(dòng)機(jī)器人具有更大的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低，在極端環(huán)境中的活動(dòng)范圍很大，適合環(huán)境探測(cè)任務(wù)。 目前國(guó)外研制的幾款風(fēng)滾草機(jī)器人都是單一球體，機(jī)器人隨風(fēng)而走，運(yùn)行路線完全聽(tīng)從風(fēng)的擺布，因此風(fēng)滾草機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題必須解決。 本設(shè)計(jì)模仿風(fēng)滾草的形態(tài)結(jié)構(gòu)，提出了一種球形骨架多充氣單元新型滾動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，采用輕質(zhì)高強(qiáng)度金屬絲彎曲形成球形骨架，每一根龍骨上附著的每一個(gè)單元可單獨(dú)充放氣。機(jī)器人采用風(fēng)力被動(dòng)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制充氣單元充氣程度，調(diào)節(jié)迎風(fēng)面積和迎風(fēng)面角度，來(lái)改變機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度和方向，從而對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效控制。并且機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)收縮便于運(yùn)載和發(fā)射，降低成本，自帶的太陽(yáng)能電池板供電，減小了自身能源攜帶，節(jié)能環(huán)保。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 1、2010年IEEE智能計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議上發(fā)表題目為《A Tumbleweed-mimicing Wind-Driven Rover for Planetary Exploration》的論文一篇； 2、在2011第四屆IEEE計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)國(guó)際會(huì)議上(ICCSIT、EI）發(fā)表題目為《A Deformable Spherical Planet Exploration Robot》的論文一篇，已收到錄用通知； 3、2011年03月07日，申請(qǐng)題目為可縮放的基于風(fēng)滾草仿生的被動(dòng)驅(qū)動(dòng)型探測(cè)機(jī)器人的國(guó)家發(fā)明專利，專利申請(qǐng)?zhí)枮?01110053045.1，目前已經(jīng)收到專利申請(qǐng)受理通知書。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段，樣機(jī)制作完畢，能實(shí)現(xiàn)樣機(jī)收縮、太陽(yáng)能電池供電及伸縮。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利，工程圖等
作品可展示的形式
- 實(shí)物、圖紙、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片以及錄像等。
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)
- 一、使用說(shuō)明： 1、發(fā)射階段，樣機(jī)收縮，便于運(yùn)載；著陸后恢復(fù)球體狀態(tài)，便于滾動(dòng)； 2、探測(cè)階段，風(fēng)力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)，控制電磁閥及氣泵的運(yùn)行，調(diào)整氣囊充氣狀態(tài)，改變機(jī)器人的迎風(fēng)面的大小和角度，實(shí)現(xiàn)加減速、急停、越障等； 3、急停狀態(tài)下，太陽(yáng)能電池板伸到球體外部接受光照，為控制系統(tǒng)供電。 二、技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 1、風(fēng)力驅(qū)動(dòng)屬于被動(dòng)驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人本身不攜帶驅(qū)動(dòng)裝置，減輕了設(shè)備重量； 2、仿生學(xué)思想，以風(fēng)滾草為原型設(shè)計(jì)，適應(yīng)惡劣環(huán)境； 3、樣機(jī)收縮降低發(fā)射難度； 4、太陽(yáng)能電池板為控制系統(tǒng)供電，降低了自身能源的攜帶。 三、適用范圍及推廣前景： 適用范圍是有大氣并且重力加速度達(dá)到一定值的環(huán)境，可應(yīng)用于星球、極地、甚至海洋探測(cè)。 風(fēng)滾草機(jī)器人是一種植物仿生機(jī)器人，利用風(fēng)力實(shí)現(xiàn)被動(dòng)驅(qū)動(dòng)功能，綠色環(huán)保，在星球探索和極端環(huán)境中具有應(yīng)用前景，研究工作具有較高的科技含量。 四、市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)： 探測(cè)器的制作和發(fā)射成本低，可以大量發(fā)射，實(shí)現(xiàn)星球漫游；不必回收，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
同類課題研究水平概述
- 風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的滾動(dòng)機(jī)器人與重力矩驅(qū)動(dòng)的滾動(dòng)機(jī)器人以及足式、輪式機(jī)器人相比，具有如下優(yōu)勢(shì)： 1、風(fēng)力驅(qū)動(dòng)屬于被動(dòng)驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人本身不攜帶驅(qū)動(dòng)裝置，減輕了整個(gè)設(shè)備的重量，運(yùn)動(dòng)速度更快； 2、風(fēng)力驅(qū)動(dòng)解決了極端環(huán)境探測(cè)的能源問(wèn)題，風(fēng)力可以做為直接驅(qū)動(dòng)力，而太陽(yáng)能需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換； 3、造價(jià)低廉、發(fā)射成本低，可以大量使用，不必回收。 2003年，美國(guó)國(guó)家宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制出了“Tumbleweed Rover” 極地探測(cè)器,Tumbleweed Rover近似一個(gè)圓球，直徑1.83米，重量大約40公斤，內(nèi)部裝載著多種天文探測(cè)儀器。在沙漠中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)證明，Tumbleweed Rover的平均移動(dòng)速度可以達(dá)到每小時(shí)1.3公里，能翻越高度1.5米的障礙物，爬上25度的陡坡。 北卡羅來(lái)納大學(xué)的研究人員詳細(xì)研究了“風(fēng)滾草”的滾動(dòng)機(jī)理和結(jié)構(gòu)，將研究數(shù)據(jù)用于風(fēng)力火星車TED的研制計(jì)劃。TED將被設(shè)計(jì)成一種能適應(yīng)著陸條件的火星車，借助于風(fēng)力滾動(dòng)，足夠大的直徑使它能逾越各種障礙物，因此復(fù)雜的地形并不會(huì)妨礙它的滾動(dòng)，火星車攜帶采集大氣和土壤試樣的工具、攝像機(jī)和其他研究?jī)x器。 但是，目前國(guó)外研制的幾款風(fēng)滾草機(jī)器人存在以下問(wèn)題： 1、機(jī)器人都是單一球體，迎風(fēng)面不可調(diào)，機(jī)器人運(yùn)行路線完全聽(tīng)從風(fēng)的擺布，很難控制運(yùn)動(dòng)速度和方向； 2、體積大，無(wú)法折疊或者收縮，不便于發(fā)射。 要讓風(fēng)滾草機(jī)器人真正派上用場(chǎng)，必須解決運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度和方向的調(diào)節(jié)，針對(duì)上述問(wèn)題，提出本課題予以解決。 模仿風(fēng)滾草的形態(tài)結(jié)構(gòu)，提出一種球形骨架多充氣單元新型滾動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)方案，采用輕質(zhì)高強(qiáng)度金屬絲彎曲形成球形骨架，每一根龍骨上附著梭形可膨脹充氣單元，每一個(gè)單元可單獨(dú)充放氣。機(jī)器人采用風(fēng)力被動(dòng)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制充氣單元充氣程度，調(diào)節(jié)迎風(fēng)面積，來(lái)改變機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度；模仿風(fēng)帆控制原理，以不同的充氣單元構(gòu)成迎風(fēng)面，調(diào)節(jié)迎風(fēng)面與風(fēng)的夾角，來(lái)改變機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的有效控制。并且整個(gè)樣機(jī)采用可收縮機(jī)構(gòu)，在發(fā)射時(shí)將樣機(jī)收縮為橢球形，減小發(fā)射成本，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)恢復(fù)到球形，樣機(jī)中設(shè)置太陽(yáng)電池板可伸縮機(jī)構(gòu)，可以通過(guò)轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能為控制機(jī)構(gòu)供電，解決控制系統(tǒng)的能源供給問(wèn)題。
