基本信息
- 项目名称：
- 仿蝎变形履带越障机器人
- 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：
- 该作品是一款基于轮履复合技术的移动机器人，可根据不同地形条件在履带与轮两种行进方式间转换，兼顾了移动效率和越障性能；同时加装仿蝎尾结构，为机器人后部提供一个附加着力点，提高越障能力。该机器人具有良好的地形适应性，可应用于军事侦察、地形勘探、灾后救援等领域。
- 详细介绍：
- 1.轮履复合技术 该机器人可以在履带和轮式两种运动方式之间切换，从而适应各种不同的地形条件。当陆地环境较为平坦时，机器人以轮式行进，可以最大限度的提高行进速度；当路面复杂，轮式模式无法通过时，撑开杆机构将履带撑开，切换为履带运动模式进行工作； 2.辅助运动的仿蝎尾结构 在机器人主体的尾部加装一个仿蝎尾机构，给机器人越障是提供一个着力点，提高机器人的越障能力。在机器人下坡时则可轻微的钩住地面防止机器人行进过快导致翻倒。机器人在尾部结构配合下可以适应更多更复杂的地形条件。 3.可变形履带 一般的履带不能改变长度，为配合本机器人运动方式的切换，设计了一种可伸缩的履带。在轮式运动状态下，履带收缩为近似圆形，其作用相当于轮胎；在履带式运动状态下，履带在伸缩杆机构的作用下拉伸至最大长度，其作用相当于普通履带。 4.控制系统 该机器人控制系统可分为主控系统和驱动控制系统两大部分。 主控系统以ATmega64为控制芯片，搭建控制电路。而驱动控制系统又可划分为三部分：行进部分、撑开部分、尾部仿蝎尾收放部分。主控电路板集成了控制芯片、I/O、液晶屏、通讯接口等设备，外围驱动设备通过RS-485协议与主控进行通讯。 经过设计的主控系统硬件，具有12路独立的In口及Out口，采用TLP621光耦进行光电隔离；预留RS-485通讯用USB串行接口，与下位机进行通讯；主控面板集成17键控制按钮及液晶屏。 直流伺服电机采用PWM方式进行驱动控制，实验采用MCL2805驱动器。该驱动器采用FAULHABER公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500Hz；具有共振抑制和控制功能，可涵盖机械的刚性不足，从而实现高速定位；具有全闭环控制功能，通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。
作品图片
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
- 设计目的： 设计一款越障性能良好、适应地形能力强、移动效率高的移动搭载平台，代替人员进入复杂地形环境执行任务。 设计基本思路： 1、设计轮-履复合行走机构，使机器人可以在轮和履带两种运动方式间进行切换； 2、设计模仿蝎子尾部的运动辅助机构，提高机器人翻越障碍的能力。 创新点： 1. 轮-履复合技术： 平坦路面采用轮式前进，速度较快；崎岖路面履带伸开，增加轮与地面的接触面积，同时改变行进方式，以适应各种复杂地形。 2. 仿蝎尾辅助运动技术： 平时收起，越障时展开，为机器人提供一个附加着力点。 3. 可变形履带技术： 为配合本机器人轮-履运动方式的切换，设计了一种可伸缩的履带。该履带可根据机构的装换过程改变周长，同时有效传递动力。 技术关键： 1．轮-履转换机构:轮-履转换机构的主体是两个近似对称分布的四连杆机构，既可以将履带撑到近似三角形，也可以完全收到轮内。 2. 仿蝎尾辅助运动机构：为了给机器人一个附加着力点，机构要完成平面250°旋转，同时能将车体承平。 3. 可变形履带设计:在轮式运动状态下，履带收缩为近似圆形，其作用相当于轮胎；在履带式运动状态下，履带在撑开杆机构的作用下拉伸至最大长度，其作用相当于普通履带。 主要技术指标： 机器人在水平地面以轮式状态行进时，最高时速可以达到18km/h;以履带式状态行进时，可以攀爬坡度最大为35度的斜坡，可以翻越最高为105mm的台阶（履带轮直径为170mm）。
科学性、先进性
- 目前国内外行走机构按移动方式可分为轮式、腿式、履带式等。但轮式、履带式等各类移动机器人都具有各自的优点和缺点，例如轮式移动机器人跨越壕沟、台阶的能力差，腿式移动机器人速度慢、效率低，履带式移动机器人重量大、能耗高等。而复合式机器人可以将同时具有多种移动方式，对地形环境的适应能力也就更强。以轮-履复合运动机器人为例，可以在履带和轮式两种运动方式之间切换，当陆地环境较为平坦时，机器人以轮式行进，可以最大限度的提高行进速度，保障运动的灵活性；当路面复杂，轮式模式无法通过时，切换为越障能力更强的履带运动模式进行工作。这样就达到了比单一移动方式更强大的运动性能。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年5月，获得由黑龙江省教育厅举办的“第四届全国大学生机械创新设计大赛黑龙江赛区”一等奖； 2010年12月，获得由黑龙江省科技厅、黑龙江省教育厅、中国共产主义青年团黑龙江省委员会举办的“黑龙江省首届‘TRIZ’杯大学生创新设计大赛”二等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 模型、现场演示
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
- 该机器人采用轮履复合技术，将履带与轮的两种行进方式结合。该技术最大的特点在于能够实现可以改变自身周长的履带，同时又能有效传递动力的履带：平面行走变为轮形，提高行进效率；越障时变为履带形，提高攀爬能力。另外该机器人结合仿生蝎尾，在越障时得到附加的着力点，使机器人能够越过近似自身高度的垂直障碍物，从而进一步拓展了机器人作为移动越障载体的攀爬移动能力。该机器人可通过搭载不同的应用设备，广泛应用于各领域。如： （1）地震等突发灾难时的搜救； （2）军事侦查； （3）反恐安保工作； （4）核电站泄露的事故探查等。
同类课题研究水平概述
- 近些年来，机器人开始逐渐应用于灾难救援、反恐排爆、军事侦查等领域代替人类执行危险任务，其工作环境往往复杂多变。因此要求机器人的移动机构具有高度的机动灵活性和环境适应性。 已经出现的机器人的移动机构主要有轮式、履带式和腿式，其中以轮式的效率最高，但其适应能力相对较差，而腿式的适应能力最强但其效率最低⋯；履带式移动机构具有良好越障能力，适合在崎岖的地面上行使。但由于沉重的履带和繁多的驱动轮使得整体机构笨重，消耗的功率也相对较大。 轮式移动机器人具有运动速度快、能量利用率高、结构简单、控制方便等优点，只是越障性能不太强。但随着各种各样的车轮底盘的出现，如日本NASDA的六轮柔性底盘月球漫游车LRTV，俄罗斯TRANSMASH的六轮三体柔性框架移动机器人Marsokohod，美国CMU的六轮三体柔性机器人Robby系列以及美国肌的六轮摇臂悬吊式行星漫游车Rocky系列，已使轮式机器人越野能力大大提高。 履带式机器人是在传统的轮式移动机器人的基础上发展起来的。主要的代表有Faster-Miller公司的SOLEM机器人，Inuktum公司的Minitrac机器人，SPAWAR公司的urbot机器人,他们体积普遍偏大,不太适合在狭小空间内作业。近年来在传统履带式机器人平台基础上,又研制出了形态可变的履带式多态搜救机器人。如美国iRobot公司生产的PackBot系列机器人,加拿大Inuktun公司MicroVGTV多态搜救机器人。 就对非结构环境的适应能力而言,普通的履带式移动机器人具有越野性能好,爬坡、越障、跨沟能力强等优点,同时也存在转弯性较差、能耗较大等缺点。与之相比,履带可变形移动机器人和一些复合型移动机器人不仅具有较好的对非结构环境的适应能力,而且也具有较好的运动灵活性和较低的能耗。 目前,国内外已经研制出一些专门适用于非结构环境的履带可变形移动机器人和复合型移动机器人。较为典型的履带可变形移动机器人有CALEB-2机器人、VSTR机器人、ROBHAZ-DT系列机器人、Single-Tracked机器人、VGTV机器人等；较为典型的复合型移动机器人有AZIMUT机器人、HYBRID移动机器人等。 随着科学技术的发展，对于机器人的移动方式研究更加深入，从传统的轮式、腿式、履带式到出现较晚的复合式，机器人的移动方式将不断被扩展。
