基本信息
- 项目名称：
- 自动荡秋千机器人
- 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B类
- 简介：
- 单摆运动的摆幅往往会越来越小，为了维持单摆长时间摆动，必须周期性地补充能量。荡秋千越荡越高的方法是，当秋千荡至最高点时人的重心要求升高，而荡至最低点时人的重心要求降低，这样通过人的内力做功可以补偿摆动中的损耗能量。自动荡秋千机器人，该发明采用空心滑块上下移动模拟人的重心上下运动，通过步进电机转动带动空心滑块上下运动。由脉冲个数控制步进电机转轴旋转的角度，由脉冲频率来控制空心滑块上下运动的速率。
- 详细介绍：
- 自动荡秋千机器人，该发明包括单摆系统和驱动控制两个模块。在单摆系统上设置了摆动传感器，其中，驱动控制模块包括电源、控制器和驱动器；电源通过控制器与驱动器相联，驱动控制模块通过数据线与单摆系统中的摆动传感器和步进电机相联；单摆系统的上端是支杆，支杆被支起或者悬挂，支杆通过两根金属丝与摆体相联。 为实现空心滑块上下移动，由控制器发送出的脉冲个数来实现；其优选的方案是控制器发送250个脉冲，从而控制驱动器驱使步进电机顺时针和逆时针旋转（从上向下看），由于每个脉冲驱使螺杆旋转7.5度，即每次旋转1875度，从而每次发出的脉冲带动空心滑块移动的位移是相同的，确保空心滑块的上限位与下限位的位置不变。 实验中必须实现空心滑块的快速上升，缓慢下降，其实现方式为由控制器通过发送的脉冲频率来实现；其优选方式是控制器每秒钟发送1200个脉冲，从而控制驱动器驱使步进电机逆时针旋转（从上向下看），带动空心滑块缓慢下降；控制器每秒钟发送2400个脉冲，从而控制驱动器驱使步进电机顺时针旋转（从上向下看），带动空心滑块快速上升。 实验操作只要接通电源，将摆体偏离平衡位置10度，松手后，当摆体摆至最大位移处，传感器触发控制器驱使步进电机旋转，滑块下降，随后快速上升，当摆至另一侧最大位移处则同样传感器触发控制器驱使步进电机旋转，滑块下降，随后快速上升，每次触发摆体能有效地获得一定能量，从而实现长时间地摆动。
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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
- 由于种种因素的影响，单摆运动的摆幅会越来越小，为了维持单摆长时间摆动，必须周期性地补充能量。荡秋千越荡越高的方法是，当秋千荡至最高点时人的重心要求升高，而秋千荡至最低点时人的重心要求降低，这样通过人的内力做功可以补偿摆动中的损耗能量。采用空心滑块上下移动模拟人的重心上下运动，通过步进电机转动带动空心滑块上下运动。用脉冲个数控制步进电机转轴旋转的角度，用脉冲频率来控制空心滑块上下运动的速率。 自动荡秋千机器人创新点与关键技术： （1）采用摆动传感器，确保能量补偿的周期是单摆摆动周期的一半； （2）采用螺杆旋转带动滑块上升或者下降，确保系统运动稳定； （3）采用脉冲个数控制转轴旋转角度，脉冲频率控制转轴的转速，使滑块上升快而下降慢，确保系统补偿运动过程中损耗的能量。 生动地演示自动荡秋千的道理。自动荡秋千时间在3小时以上。
科学性、先进性
- 科学性：荡秋千越荡越高的原理是，当秋千荡至最高点时人的重心要求升高，而秋千荡至最低点时人的重心要求降低，这样通过人的内力做功可以补偿摆动中的损耗能量。 先进性：空心滑块通过螺钉嵌入到螺杆某一位置，螺杆上端为自由端，下端与步进电机共轴，驱动控制模块通过摆动传感器与步进电机相连；当摆体摆至最大位移处，摆动传感器触发驱动控制模块驱动步进电机旋转，从而带动滑块缓慢下降，随后快速上升，摆体摆至另一侧最大位移时摆动传感器又触发一次相同的动作，从而驱使单摆长时间摆动。驱动控制模块包括电源、控制器和驱动器。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品的初级作品于2010年11月在南通大学由江苏省物理学会举办的江苏省第七届大学生物理及实验科技作品创新竞赛中荣获二等奖。
作品所处阶段
- 已完成
技术转让方式
- 一次性转让
作品可展示的形式
- 实物、产品 现场演示 图片 样品
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
- 该作品演示操作时，只要接通电源，将摆体偏离平衡位置10度左右，松手后，就能长时间摆动。当摆至最大位移处，传感器触发控制器驱使步进电机旋转，滑块下降，随后快速上升，当摆至另一侧最大位移处则同样传感器触发控制器驱使步进电机旋转，滑块下降，随后快速上升，每次触发摆体能获得一定能量，从而实现长时间地摆动。适合于演示教学，也可拓展至玩具行业，好玩，市场广，经济效益可观。
同类课题研究水平概述
- 目前国外的电动摇篮，采用偏心轮、弹簧结构，外观美观，实用性好，但是必须置于地面，不能悬挂在空中不停地摆动。 国内王树泽先生提出的专利，名称为：一种用于单摆运动的自动驱动装置. 专利申请号为96235339，是将磁铁分成三段，中间一段没有磁性，经过磁力来促使物块上下运动，但是经过无穷次试验后，发现无法实现长时间摆动。
