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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 雙雪花移動(dòng)機(jī)器人
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 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：
- 雙雪花機(jī)器人是通過(guò)改變自身形狀，由重力作為向前翻轉(zhuǎn)的動(dòng)力源帶動(dòng)機(jī)構(gòu)前進(jìn)。電機(jī)起的作用是改變機(jī)構(gòu)外形，該機(jī)構(gòu)是多邊形結(jié)構(gòu)，通過(guò)電機(jī)的往復(fù)正反轉(zhuǎn)可以改變機(jī)構(gòu)重心位置，然后由重力做功向前翻轉(zhuǎn)。這種設(shè)計(jì)概念非常適用于復(fù)雜地形的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)克服自身重力比克服地形阻力要相對(duì)輕松一些。 在控制上，應(yīng)用可以帶動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)的L298N芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制功能。
- 詳細(xì)介紹：
- 1、多邊形滾動(dòng)雪花的概念 可移動(dòng)多邊形的思想源于幾何形狀與機(jī)械拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相似性，利用熟知的幾何圖形，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?？梢苿?dòng)多邊形是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、運(yùn)動(dòng)原理及過(guò)程 可移動(dòng)多邊形是具有規(guī)則的幾何外形且能移動(dòng)的單自由度連桿機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，多邊形頂點(diǎn)在各桿件約束下按不同順序縮放，通過(guò)變形實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)。 機(jī)構(gòu)初始位置時(shí)，幾何外形是正八邊形，電機(jī)正轉(zhuǎn)一定角度，由于機(jī)構(gòu)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(shí)現(xiàn)移動(dòng)。 目前已經(jīng)設(shè)計(jì)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(dòng)多邊形系列具有很強(qiáng)的拓展性能，在滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈和幾何參數(shù)的條件下，可以設(shè)計(jì)平面更復(fù)雜的多邊形以及空間多面體連桿機(jī)構(gòu)。 3、雙雪花移動(dòng)機(jī)器人的技術(shù)創(chuàng)新。 雙雪花機(jī)器人是通過(guò)改變自身形狀，由重力作為向前翻轉(zhuǎn)的動(dòng)力源帶動(dòng)機(jī)構(gòu)前進(jìn)。電機(jī)起的作用是改變機(jī)構(gòu)外形，該機(jī)構(gòu)是多邊形結(jié)構(gòu)，通過(guò)電機(jī)的往復(fù)正反轉(zhuǎn)可以改變機(jī)構(gòu)重心位置，然后由重力做功向前翻轉(zhuǎn)。這種設(shè)計(jì)概念非常適用于復(fù)雜地形的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)克服自身重力比克服地形阻力要相對(duì)輕松一些。 由于雙雪花式移動(dòng)機(jī)器人的前進(jìn)是依托于電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的，在控制上，應(yīng)用可以帶動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)的L298N芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制功能。
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)
- 1、設(shè)計(jì)目的。 結(jié)合幾何拓?fù)鋵W(xué)和傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)學(xué)建立一種新型的移動(dòng)機(jī)器人走行方式，為移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展開(kāi)辟新的研究道路。 2、基本思路。 （1）移動(dòng)機(jī)構(gòu)的建立 根據(jù)圖形對(duì)稱(chēng)性和機(jī)構(gòu)學(xué)的基本原理，設(shè)定其各邊為相同曲桿；中心以?xún)蓚€(gè)相同桿相連，并錯(cuò)開(kāi)一定角度，保證電機(jī)在正反轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的縮放效果。 雙雪花移動(dòng)機(jī)器人在其移動(dòng)過(guò)程中要根據(jù)多邊形形狀的改變來(lái)保持重心的穩(wěn)定，并要進(jìn)行ZMP點(diǎn)的分析。 （2）雙雪花移動(dòng)機(jī)器人的尺寸和材料的選擇 考慮到實(shí)驗(yàn)的條件和電機(jī)型號(hào)及功率的問(wèn)題，合理選定機(jī)構(gòu)尺寸。在選擇制作機(jī)器人的材料時(shí)不宜選擇密度過(guò)大的如鐵等材料。 （3）建立雙雪花移動(dòng)機(jī)器人的數(shù)學(xué)和運(yùn)動(dòng)模型 （4）雙雪花移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核 （5）雙雪花移動(dòng)機(jī)器人實(shí)體模型的制作 根據(jù)設(shè)計(jì)的尺寸以及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和運(yùn)動(dòng)可行性的分析，繪制工程圖紙，設(shè)計(jì)出一系列的加工工序。 （6）設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制程序并對(duì)雙雪花移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行控制和運(yùn)動(dòng)的調(diào)試 3、創(chuàng)新點(diǎn)。 根據(jù)運(yùn)動(dòng)鏈知識(shí)設(shè)計(jì)具有多邊形外形的單自由度連桿機(jī)構(gòu)的方法；利用多邊形變形實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的原理。 另外機(jī)器人有一個(gè)有趣的功能：用一物塊支撐一下將要落地的多邊形頂點(diǎn)，則會(huì)改變其運(yùn)動(dòng)方向。 4、技術(shù)關(guān)鍵。 鑒于本機(jī)器人不同于一般的車(chē)輪和履帶式機(jī)器人，在設(shè)計(jì)中間的機(jī)構(gòu)時(shí)要充分考慮到兩側(cè)上下自由度和傳遞扭矩兩方面的特點(diǎn)。 5、技術(shù)指標(biāo)。 中間驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速v，八角的設(shè)計(jì)尺寸，控制電路的設(shè)計(jì)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1、作品的科學(xué)性。 雙雪花機(jī)器人利用幾何拓?fù)鋵W(xué)和機(jī)構(gòu)學(xué)的基本原理，分別由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)幾何外形來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的單自由度連桿機(jī)構(gòu)。使多邊形頂點(diǎn)在各桿件約束下按不同順序縮放，通過(guò)變形實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)。 初始位置時(shí)，幾何外形是正八邊形，電機(jī)正轉(zhuǎn)一定角度，由于機(jī)構(gòu)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(shí)現(xiàn)移動(dòng)。 2、作品的先進(jìn)性。 目前存在的移動(dòng)機(jī)器人類(lèi)型主要有輪式、步行、履帶式、蠕動(dòng)、滾動(dòng)及其他復(fù)合型機(jī)器人。 上述移動(dòng)機(jī)器人，或是簡(jiǎn)單的將電機(jī)單向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為平動(dòng)，或是利用曲柄搖桿將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為步進(jìn)式移動(dòng)。運(yùn)動(dòng)形式比較單一，運(yùn)動(dòng)原理比較簡(jiǎn)單。 而雙雪花移動(dòng)機(jī)器人是結(jié)合幾何拓?fù)鋵W(xué)與機(jī)構(gòu)學(xué)，將機(jī)構(gòu)變形與移動(dòng)結(jié)合在一起，利用變形后機(jī)構(gòu)重心前移實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)，開(kāi)辟了一種新型的移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展道路。 3、參考文獻(xiàn)。 [1].張毅.移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007. [2].徐國(guó)華，譚民.移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2001(3):1-14.
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 北京交通大學(xué)2010-2011年度大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目北京市級(jí)項(xiàng)目。
作品所處階段
- 完成實(shí)物樣機(jī)。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 成套設(shè)備引進(jìn)和轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 作品視頻、實(shí)物現(xiàn)場(chǎng)展示
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)
- 1、使用說(shuō)明：雙雪花移動(dòng)機(jī)器人屬于一種新型的移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其外形為八邊形，通過(guò)中間的驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)構(gòu)變形，使其重心改變，在重力作用下，向前翻滾。 2、特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：提出了一種新型的移動(dòng)方式，以重力為前進(jìn)的動(dòng)力來(lái)源，驅(qū)動(dòng)電機(jī)只是改變機(jī)構(gòu)的外形，節(jié)省了能量的損耗。 3、適應(yīng)范圍：可實(shí)現(xiàn)太空探索，也可用于機(jī)械原理的課程教學(xué)。 4、推廣前景技術(shù)性說(shuō)明：不論是應(yīng)用于太空探索，還是課堂教學(xué)，成本都不會(huì)太高，而且零部件加工要求低，適合批量生產(chǎn)。 5、市場(chǎng)分析：目前的機(jī)械領(lǐng)域教學(xué)，實(shí)體模型較少，而且授課形式單一，雙雪花機(jī)器人作為課堂教學(xué)的工具不但可讓學(xué)生進(jìn)一步了解機(jī)構(gòu)組成，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。 6、經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：由于雙雪花機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)趣味性較高，有較大的市場(chǎng)應(yīng)用前景，經(jīng)濟(jì)效益高。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 20世紀(jì)80年代，國(guó)外掀起智能機(jī)器人研究熱潮。初期主要是從學(xué)術(shù)的角度去研究移動(dòng)機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理能力，然后建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。足式機(jī)器人的相關(guān)研究獲得飛躍式發(fā)展。20世紀(jì)90年代，借助先進(jìn)技術(shù)和以往積累的基礎(chǔ)，移動(dòng)機(jī)器人逐漸在各個(gè)領(lǐng)域朝實(shí)用化發(fā)展。 步行機(jī)器人適應(yīng)路面相對(duì)復(fù)雜的情況，因此近年其研究發(fā)展取得重大成果。美國(guó)NASA資助研制的八足行走機(jī)器人在斯珀火山火山口成功進(jìn)行演示；美國(guó)NASA火星探測(cè)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(jìn)行了成功的實(shí)驗(yàn)。 美國(guó)在多邊形滾動(dòng)機(jī)器人的研究和探索方面也取得了很多成就。在對(duì)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)改裝的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)其移動(dòng)和變形功能。圖3所示為多邊形移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)方式。 球形滾動(dòng)機(jī)器人是一類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)位于球殼(或球體)內(nèi)部,通過(guò)內(nèi)驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)球體運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)平衡性，同時(shí)具有很好的密封性。北航機(jī)器人研究所研制了三種不同結(jié)構(gòu)形式的、可安裝視覺(jué)相機(jī)的球形移動(dòng)機(jī)器人樣機(jī)BHQ-1、BHQ-2、BHQ-3，進(jìn)行了爬坡能力、越障能力及轉(zhuǎn)彎的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，完成了基于無(wú)線(xiàn)回傳圖像的環(huán)境觀(guān)察遙控試驗(yàn)。 目前沒(méi)有類(lèi)似的課題研究，現(xiàn)有的走行機(jī)器人有輪式、履帶式、腿式機(jī)器人等，他們的走行原理與雪花機(jī)構(gòu)不同，雪花機(jī)構(gòu)是利用其重心進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)使其運(yùn)動(dòng)，開(kāi)辟了一種新型的機(jī)器人移動(dòng)方式。 在控制單個(gè)雪花機(jī)構(gòu)的運(yùn)行上較為成功的基礎(chǔ)上，將兩個(gè)雪花機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接組合以實(shí)現(xiàn)其類(lèi)似于車(chē)輪的轉(zhuǎn)向，在單個(gè)雪花機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)其更多的功能。
