基本信息
- 項目名稱：
- 雙雪花移動機器人
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 雙雪花機器人是通過改變自身形狀，由重力作為向前翻轉的動力源帶動機構前進。電機起的作用是改變機構外形，該機構是多邊形結構，通過電機的往復正反轉可以改變機構重心位置，然后由重力做功向前翻轉。這種設計概念非常適用于復雜地形的運動，此時克服自身重力比克服地形阻力要相對輕松一些。 在控制上，應用可以帶動兩個直流電機的L298N芯片來實現電機正反轉的控制功能。
- 詳細介紹：
- 1、多邊形滾動雪花的概念 可移動多邊形的思想源于幾何形狀與機械拓撲結構的相似性，利用熟知的幾何圖形，運用傳統的機構學知識，實現連桿機構的新用途?？梢苿佣噙呅问鞘蔷C合幾何圖形特點和機構學知識，具有變形和移動能力的特殊機器人。 2、運動原理及過程 可移動多邊形是具有規(guī)則的幾何外形且能移動的單自由度連桿機構。機構由一個電機驅動，多邊形頂點在各桿件約束下按不同順序縮放，通過變形實現滾動。 機構初始位置時，幾何外形是正八邊形，電機正轉一定角度，由于機構慣性力使得多邊形向前翻滾，這樣多邊形每條邊依次著地，實現移動。 目前已經設計并制作出四角雪花、六角雪花和八角雪花等一系列作品。滾動多邊形系列具有很強的拓展性能，在滿足機構運動鏈和幾何參數的條件下，可以設計平面更復雜的多邊形以及空間多面體連桿機構。 3、雙雪花移動機器人的技術創(chuàng)新。 雙雪花機器人是通過改變自身形狀，由重力作為向前翻轉的動力源帶動機構前進。電機起的作用是改變機構外形，該機構是多邊形結構，通過電機的往復正反轉可以改變機構重心位置，然后由重力做功向前翻轉。這種設計概念非常適用于復雜地形的運動，此時克服自身重力比克服地形阻力要相對輕松一些。 由于雙雪花式移動機器人的前進是依托于電機的正反轉實現的，在控制上，應用可以帶動兩個直流電機的L298N芯片來實現電機正反轉的控制功能。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 1、設計目的。 結合幾何拓撲學和傳統機構學建立一種新型的移動機器人走行方式，為移動機器人的發(fā)展開辟新的研究道路。 2、基本思路。 （1）移動機構的建立 根據圖形對稱性和機構學的基本原理，設定其各邊為相同曲桿；中心以兩個相同桿相連，并錯開一定角度，保證電機在正反轉時實現機構的縮放效果。 雙雪花移動機器人在其移動過程中要根據多邊形形狀的改變來保持重心的穩(wěn)定，并要進行ZMP點的分析。 （2）雙雪花移動機器人的尺寸和材料的選擇 考慮到實驗的條件和電機型號及功率的問題，合理選定機構尺寸。在選擇制作機器人的材料時不宜選擇密度過大的如鐵等材料。 （3）建立雙雪花移動機器人的數學和運動模型 （4）雙雪花移動機器人機構的強度和穩(wěn)定性校核 （5）雙雪花移動機器人實體模型的制作 根據設計的尺寸以及運動學仿真和運動可行性的分析，繪制工程圖紙，設計出一系列的加工工序。 （6）設計運動控制程序并對雙雪花移動機器人進行控制和運動的調試 3、創(chuàng)新點。 根據運動鏈知識設計具有多邊形外形的單自由度連桿機構的方法；利用多邊形變形實現移動的原理。 另外機器人有一個有趣的功能：用一物塊支撐一下將要落地的多邊形頂點，則會改變其運動方向。 4、技術關鍵。 鑒于本機器人不同于一般的車輪和履帶式機器人，在設計中間的機構時要充分考慮到兩側上下自由度和傳遞扭矩兩方面的特點。 5、技術指標。 中間驅動電機的轉速v，八角的設計尺寸，控制電路的設計。
科學性、先進性
- 1、作品的科學性。 雙雪花機器人利用幾何拓撲學和機構學的基本原理，分別由兩個電機驅動幾何外形來實現移動的單自由度連桿機構。使多邊形頂點在各桿件約束下按不同順序縮放，通過變形實現滾動。 初始位置時，幾何外形是正八邊形，電機正轉一定角度，由于機構慣性力使得多邊形向前翻滾，這樣多邊形每條邊依次著地，實現移動。 2、作品的先進性。 目前存在的移動機器人類型主要有輪式、步行、履帶式、蠕動、滾動及其他復合型機器人。 上述移動機器人，或是簡單的將電機單向轉動轉換為平動，或是利用曲柄搖桿將轉動轉換為步進式移動。運動形式比較單一，運動原理比較簡單。 而雙雪花移動機器人是結合幾何拓撲學與機構學，將機構變形與移動結合在一起，利用變形后機構重心前移實現機構的移動，開辟了一種新型的移動機器人發(fā)展道路。 3、參考文獻。 [1].張毅.移動機器人技術及其應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007. [2].徐國華，譚民.移動機器人的發(fā)展現狀及趨勢[J].機器人技術與應用，2001(3):1-14.
獲獎情況及鑒定結果
- 北京交通大學2010-2011年度大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目北京市級項目。
作品所處階段
- 完成實物樣機。
技術轉讓方式
- 成套設備引進和轉讓
作品可展示的形式
- 作品視頻、實物現場展示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 1、使用說明：雙雪花移動機器人屬于一種新型的移動機器人機構，其外形為八邊形，通過中間的驅動電機正反轉帶動機構變形，使其重心改變，在重力作用下，向前翻滾。 2、特點和優(yōu)勢：提出了一種新型的移動方式，以重力為前進的動力來源，驅動電機只是改變機構的外形，節(jié)省了能量的損耗。 3、適應范圍：可實現太空探索，也可用于機械原理的課程教學。 4、推廣前景技術性說明：不論是應用于太空探索，還是課堂教學，成本都不會太高，而且零部件加工要求低，適合批量生產。 5、市場分析：目前的機械領域教學，實體模型較少，而且授課形式單一，雙雪花機器人作為課堂教學的工具不但可讓學生進一步了解機構組成，而且有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。 6、經濟效益預測：由于雙雪花機器人的運動趣味性較高，有較大的市場應用前景，經濟效益高。
同類課題研究水平概述
- 20世紀80年代，國外掀起智能機器人研究熱潮。初期主要是從學術的角度去研究移動機器人的體系結構和信息處理能力，然后建立實驗系統進行驗證。足式機器人的相關研究獲得飛躍式發(fā)展。20世紀90年代，借助先進技術和以往積累的基礎，移動機器人逐漸在各個領域朝實用化發(fā)展。 步行機器人適應路面相對復雜的情況，因此近年其研究發(fā)展取得重大成果。美國NASA資助研制的八足行走機器人在斯珀火山火山口成功進行演示；美國NASA火星探測器于1997成功登上火星；Rocky7在火星Lavic湖的巖溶流和干枯的湖床上進行了成功的實驗。 美國在多邊形滾動機器人的研究和探索方面也取得了很多成就。在對移動機器人機構改裝的基礎上實現其移動和變形功能。圖3所示為多邊形移動機器人的移動方式。 球形滾動機器人是一類驅動系統位于球殼(或球體)內部,通過內驅動方式實現球體運動的機器人，具有良好的動態(tài)和靜態(tài)平衡性，同時具有很好的密封性。北航機器人研究所研制了三種不同結構形式的、可安裝視覺相機的球形移動機器人樣機BHQ-1、BHQ-2、BHQ-3，進行了爬坡能力、越障能力及轉彎的測試實驗，完成了基于無線回傳圖像的環(huán)境觀察遙控試驗。 目前沒有類似的課題研究，現有的走行機器人有輪式、履帶式、腿式機器人等，他們的走行原理與雪花機構不同，雪花機構是利用其重心進行翻轉，控制電機的正反轉使其運動，開辟了一種新型的機器人移動方式。 在控制單個雪花機構的運行上較為成功的基礎上，將兩個雪花機構進行連接組合以實現其類似于車輪的轉向，在單個雪花機構基礎上進行創(chuàng)新與改進，以實現其更多的功能。
