基本信息
- 项目名称：
- 用于皮影的悬索驱动机构设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目将悬索驱动机构应用于皮影艺术，对于某个皮影人的运动动作进行分解，构建其理论数学模型，进而通过一定的控制方法实现皮影人的连续控制。一个皮影人的四肢共有4根竹棍操纵，为了实现该过程的自动化，需要4个驱动电机驱动悬索，并通过一台总控机对4个驱动分支进行协调控制。
- 详细介绍：
- 用于皮影人的索驱动机构控制系统，其控制策略是通过主机中的运动控制卡实现四个驱动回路的协调控制，其中包含四大模块： 其一，主控机模块，主要由基于VC软件的控制界面、时序控制和与动作协调的音乐所组成。控制界面完成系统的回原点、启动、停止等控制操作的人/机交互；时序控制完成四肢随音乐的协调运行；而音乐则是实现索驱动机构艺术化的重要艺术手段。 其二，索驱动系统的硬件模块，主要由运动控制卡和四肢的并行驱动系统所组成。主控机依据控制要求发出控制信号通过运动控制卡向四路电机驱动系统发送脉冲信号，实现电机的加速、减速、正转、反转等运行操作，电机运行过程中将通过收放索部分实现四肢的协调运动。 其三，机械装置模块，鉴于索驱动机构的控制对象轻质、控制电机旋转轴细，收放索机构部分采用橡胶材料，同时通过拧紧滚索轴的径向小螺钉实现电机轴和滚索筒内圈的结合，这样一方面不会增加电机的负荷，另一方面也使滚索机构小巧而灵活。 其四，外围装饰模块，主要包含背景、灯和皮影人的艺术化效果。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计及发明的目的：将悬索驱动机构应用于皮影艺术，实现计算机与传统艺术的完美结合，是对传统艺术表现形式的大胆创新。 基本思路：一个皮影人的四肢共有4根竹棍操纵，为了实现该过程的自动化，需要4个驱动电机驱动悬索，并通过一台总控机对4个驱动分支进行协调控制。以下分机械实现部分和控制部分分别详述整个系统的实现。 创新点：1、索驱动机构实现皮影艺术的自动化；2、通过一系列理论和实验研究为开发索驱动机构的新产品提供理论依据和验证手段，从而推动并联机构向多种驱动方式发展，也为进一步应用于制造加工、绘图和雕刻等工程、艺术领域奠定理论和实验基础。 技术关键和主要技术指标：对于某个皮影人的运动动作进行分解，构建其运动控制模型，进而通过并行控制方法实现皮影人的连续控制。
科学性、先进性
- 本项目的科学性先进性在于： 1. 探索性地提出了一种用于皮影的自动化操纵机构的机械结构和控制系统设计，是对传统艺术手段的革新。 2．将新型并联机构与计算机控制技术相结合，对计算机艺术手段进行了大胆尝试。 3. 通过一系列理论和实验研究为开发索驱动机构的新产品提供理论依据和验证手段，从而推动并联机构向多种驱动方式发展，也为进一步应用于制造加工、绘图和雕刻等工程、艺术领域奠定理论和实验基础。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 完成
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物模型、现场演示、磁盘等
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 围绕着索驱动机构在传统皮影艺术的应用做探索性研究工作，旨在为皮影艺术的自动化操纵做实验性的分析研究。 该机构拟完成的机械平台、控制系统设计等可以为该机构进一步推广应用于多自由度机器人的操作臂、轻载机床、绘图和雕刻机等工程、艺术领域，应用前景广阔。
同类课题研究水平概述
- 柔索驱动并联机构用悬索取代刚性杆作为驱动臂，因此可将驱动电机放置在基座上，能有效地减轻机器人的自重，从而克服了传统刚性连杆机器人带载能力弱的缺点，由于自重减轻，因此，WDPM具有惯性小、速度快、加速度高、工作空间大等优点，其广泛应用于港口货物装卸、桥梁维护、风洞试验、医疗机械、太空探索、仿生学等领域。 构型与机构性能分析 构型设计即型综合问题是并联机器人理论研究和应用的基础性工作，它包括机构的自由度、构件数目、运动副数目、运动副种类及其组合方式的确定等内容机构性能指标包括：机器人的结构对称性、雅可比矩阵的各向同性、速度及承载能力、刚度、精度、奇异位形、冗余度以及工作空间的大小等。 运动学分析 机构的运动分析包括位置分析、速度分析和加速度分析三部分，位置分析是运动分析的最基本的任务。机构的运动分析包括两种问题，即运动分析的正解和运动分析的反解。 动力学分析与控制 动力学分析是进行机器人的运动控制和动态特性研究的基础。动力学研究的对象是建立描述并联机构动平台动力学状况的数学模型。主要的研究内容包括以下几个方面：构件惯性力的计算、受力分析、驱动力矩分析、主要运动副约束反力分析、动力学模型的建立、动态仿真、动态参数识别等。动力学分析也包括正、逆两类问题：①逆动力学(动态静力分析)；②正动力学(动力学响应)。由于柔性并联机构的复杂性，其动力学分析的难度非常大。 索驱动并联机构的研究才刚刚起步，由于系统本身的非线性、复杂性、现有理论方法的局限性和控制系统软硬件设计的难实现性，对其研究和实际应用还任重道远。这也是该领域内国内外学者所面临的重要挑战。 本项目即是通过索驱动机构并基于一定的控制策略实现皮影人的计算机控制。
