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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(zhuǎn)的動力源帶動機構(gòu)前進。電機起的作用是改變機構(gòu)外形，該機構(gòu)是多邊形結(jié)構(gòu)，通過電機的往復(fù)正反轉(zhuǎn)可以改變機構(gòu)重心位置，然后由重力做功向前翻轉(zhuǎn)。這種設(shè)計概念非常適用于復(fù)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(yīng)用可以帶動兩個直流電機的L298N芯片來實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)的控制功能。
- 詳細(xì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相似性，利用熟知的幾何圖形，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?？梢苿佣噙呅问鞘蔷C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、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(gòu)。機構(gòu)由一個電機驅(qū)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(xiàn)滾動。 機構(gòu)初始位置時，幾何外形是正八邊形，電機正轉(zhuǎn)一定角度，由于機構(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，實現(xiàn)移動。 目前已經(jīng)設(shè)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(gòu)運動鏈和幾何參數(shù)的條件下，可以設(shè)計平面更復(fù)雜的多邊形以及空間多面體連桿機構(gòu)。 3、雙雪花移動機器人的技術(shù)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(zhuǎn)的動力源帶動機構(gòu)前進。電機起的作用是改變機構(gòu)外形，該機構(gòu)是多邊形結(jié)構(gòu)，通過電機的往復(fù)正反轉(zhuǎn)可以改變機構(gòu)重心位置，然后由重力做功向前翻轉(zhuǎn)。這種設(shè)計概念非常適用于復(fù)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(zhuǎn)實現(xiàn)的，在控制上，應(yīng)用可以帶動兩個直流電機的L298N芯片來實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)的控制功能。
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)
- 1、設(shè)計目的。 結(jié)合幾何拓?fù)鋵W(xué)和傳統(tǒng)機構(gòu)學(xué)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(gòu)的建立 根據(jù)圖形對稱性和機構(gòu)學(xué)的基本原理，設(shè)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(zhuǎn)時實現(xiàn)機構(gòu)的縮放效果。 雙雪花移動機器人在其移動過程中要根據(jù)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(gòu)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(shù)學(xué)和運動模型 （4）雙雪花移動機器人機構(gòu)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(jù)設(shè)計的尺寸以及運動學(xué)仿真和運動可行性的分析，繪制工程圖紙，設(shè)計出一系列的加工工序。 （6）設(shè)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(diào)試 3、創(chuàng)新點。 根據(jù)運動鏈知識設(shè)計具有多邊形外形的單自由度連桿機構(gòu)的方法；利用多邊形變形實現(xiàn)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(shù)關(guān)鍵。 鑒于本機器人不同于一般的車輪和履帶式機器人，在設(shè)計中間的機構(gòu)時要充分考慮到兩側(cè)上下自由度和傳遞扭矩兩方面的特點。 5、技術(shù)指標(biāo)。 中間驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速v，八角的設(shè)計尺寸，控制電路的設(shè)計。
科學(xué)性、先進性
- 1、作品的科學(xué)性。 雙雪花機器人利用幾何拓?fù)鋵W(xué)和機構(gòu)學(xué)的基本原理，分別由兩個電機驅(qū)動幾何外形來實現(xiàn)移動的單自由度連桿機構(gòu)。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(xiàn)滾動。 初始位置時，幾何外形是正八邊形，電機正轉(zhuǎn)一定角度，由于機構(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，實現(xiàn)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(fù)合型機器人。 上述移動機器人，或是簡單的將電機單向轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為平動，或是利用曲柄搖桿將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)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(jié)合幾何拓?fù)鋵W(xué)與機構(gòu)學(xué)，將機構(gòu)變形與移動結(jié)合在一起，利用變形后機構(gòu)重心前移實現(xiàn)機構(gòu)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(shù)及其應(yīng)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(xiàn)狀及趨勢[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2001(3):1-14.
獲獎情況及鑒定結(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(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 成套設(shè)備引進和轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 作品視頻、實物現(xiàn)場展示
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
- 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(gòu)，其外形為八邊形，通過中間的驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)帶動機構(gòu)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(qū)動電機只是改變機構(gòu)的外形，節(jié)省了能量的損耗。 3、適應(yīng)范圍：可實現(xiàn)太空探索，也可用于機械原理的課程教學(xué)。 4、推廣前景技術(shù)性說明：不論是應(yīng)用于太空探索，還是課堂教學(xué)，成本都不會太高，而且零部件加工要求低，適合批量生產(chǎn)。 5、市場分析：目前的機械領(lǐng)域教學(xué)，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(xué)的工具不但可讓學(xué)生進一步了解機構(gòu)組成，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。 6、經(jīng)濟效益預(yù)測：由于雙雪花機器人的運動趣味性較高，有較大的市場應(yīng)用前景，經(jīng)濟效益高。
同類課題研究水平概述
- 20世紀(jì)80年代，國外掀起智能機器人研究熱潮。初期主要是從學(xué)術(shù)的角度去研究移動機器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理能力，然后建立實驗系統(tǒng)進行驗證。足式機器人的相關(guān)研究獲得飛躍式發(fā)展。20世紀(jì)90年代，借助先進技術(shù)和以往積累的基礎(chǔ)，移動機器人逐漸在各個領(lǐng)域朝實用化發(fā)展。 步行機器人適應(yīng)路面相對復(fù)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(gòu)改裝的基礎(chǔ)上實現(xiàn)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(qū)動系統(tǒng)位于球殼(或球體)內(nèi)部,通過內(nèi)驅(qū)動方式實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(xiàn)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(gòu)不同，雪花機構(gòu)是利用其重心進行翻轉(zhuǎn)，控制電機的正反轉(zhuǎn)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(gòu)的運行上較為成功的基礎(chǔ)上，將兩個雪花機構(gòu)進行連接組合以實現(xiàn)其類似于車輪的轉(zhuǎn)向，在單個雪花機構(gòu)基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新與改進，以實現(xiàn)其更多的功能。
