基本信息
- 项目名称：
- 几何精灵
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- “几何精灵”的思想源于几何形状与机械拓扑结构的相似性，根据熟知的几何图形变形特点，运用传统的机构学知识，实现连杆机构的新用途。“几何精灵”是综合几何图形特点和机构学知识，具有变形和移动能力的特殊机器人。移动可分为步行、滚动、滑行。特点是采用闭链机构,结构简单，易于实现。“几何精灵”在教育教学、产品开发和军事航天等领域也有着广泛的应用前景。
- 详细介绍：
- 1.滑行四边形精灵 原理：曲柄作用下，两足会相对地面左右摇摆，使得两侧摩擦力差值交替变化，摩擦力较小的一侧相对地面会有较大的位移，如此交替变化实现类似轮滑的滑行移动。 特点：单自由度机构，通过单动力驱动，依靠两侧摩擦力差值的交替变化实现一种滑行的移动方式。 2.步行（双侧足）四边形精灵 原理：改变足部机构，使得机构可以单足支撑，在曲柄作用下实现迈步动作，如此循环实现空间一维的运动。 特点：单自由度机构，通过单动力驱动，依靠两侧足的交替支撑实现一种步行移动方式。 3.步行（内外足）四边形精灵 原理：两个曲柄共同作用可以使内足在空间运动，与外足轮流支撑，并在奇异位置处改变电机转向，使机构有四个运动方向。 特点：二自由度机构，实现一种步行移动方式，内外足轮流支撑，通过控制电机转向，可实现多个方向上的运动。 4.滚动四边形精灵 原理：电机转动使得四边形转动形状变化，其重心发生偏移出底边，并在惯性作用下使四边形翻滚，完成四边形机器人的一个翻滚步态。 特点：单动力机构，改变四边形形状使重心偏移出与地面接触的边，使其翻滚，继续运动四个杆轮流着地，实现四边形的滚动运动。 5.步行三角形精灵 原理：三自由度六杆机构，改变边长，使得其中一个足离地并向前跨出一步后着地，同样可以使另外一只足离地跟进一步，实现一维的运动。 特点：通过控制伸缩杆长度，利用三角形的变形，两足轮流支撑，实现步行移动。 6.滚动三角形精灵 原理：改变三角形其中一条边长，使三角形重心移动偏出与地面接触的底边，从而使三角形机器人翻滚，然后侧边再缩短恢复原长，完成一个步态。如此反复完成三角形机器人的直线滚动。 特点：三自由度机构，螺旋传动改变三角形边长，使得重心偏移，三边轮流支撑，实现滚动。
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： 结合几何图形变形的特点，研究在移动方式上，连杆机构的新应用。 设计基本思路： 分析几何形体的变形特征，运用机构学知识与无线控制技术，设计一系列精灵，展示滑行、步行和滚动三类特殊移动方式。 创新点: 1.提出“几何精灵”的思想，即“几何精灵”是综合几何图形特点和机构学知识，具有变形和移动能力的特殊机器人。 2.分析封闭几何图形变形的特点，设计巧妙的机械结构，实现了连杆机构的滑行、步行和滚动三类特殊移动。 技术关键： 分析几何图形变形与机构移动方式的相似性，设计相应的连杆机构，满足滑行、步行、滚动特殊移动方式的要求。 主要技术指标： 1.实现6类几何精灵的滑行、步行和滚动3种特殊移动。即四边形精灵滑行、四边形精灵(双侧足)步行、四边形精灵（内外足）步行、四边形精灵滚动、三角形精灵步行、三角形精灵滚动。 2.建立无线控制平台，实现1台PC机对6类几何精灵的无线通信。
科学性、先进性
- 作品科学性、先进性： 1.设计理念的新颖性：提出“几何精灵”的思想，分析几何图形的变形，提出新型的可移动连杆机构。国内外研究与此思想相近只有NASA的机器人，以四面体为单元，组建空间复杂多面体，实现空间运动。我们的研究则从最基础的几何图形开始，如三角形、四边形等，探寻其中的可移动原理，然后逐渐向空间拓展。 2.机构上的创新：本研究所涉及的都是闭链连杆机构，并进行机构创新，实现特定的运动。同样的几何形状，改变关键结构实现不同的移动方式。 3.家族化的设计：各个精灵贯穿同一设计理念，采用多种移动方式，构成“几何精灵”大家族。 总之，“几何精灵”在运动原理、机构原理和应用领域的拓展空间巨大，具有较高的科学性和先进性。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年“挑战杯”科技发明制作A类校级一等奖 2009年“挑战杯”科技发明制作A类市级一等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利转让/技术入股
作品可展示的形式
- ■实物、产品 ■模型 ■现场演示 ■图片 ■录像 ■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
- 技术特点及优势： 1.“几何精灵”是一个原创性的思想，它是一系列具有变形、移动功能的几何体。 2.熟知的几何图形，运用机构学知识，设计整体闭链机构，实现连杆机构滑行、步行、滚动的特殊移动方式，机构简单，易于实现。 3.几何图形和连杆机构都具有很深的拓扑性，还有很多奇特的精灵等待着开发。 应用前景： 1、在教育方面： 机构学教育：几何图形学与机构学知识相结合，将变形和移动功能综合起来，创造特殊的可移动连杆机构，丰富机构学的内容，提高学生对机构的理解。 中小学教育：建立教育平台，以变形移动的几何体为基础，与几何知识密切结合，融合机械、电子、计算机等多学科知识，使静止、枯燥的几何图形活动起来，增强学生对学习的兴趣，在娱乐中获取知识。2、在产品开发方面：开发移动玩具产品，并借助于先进的控制方式，实现精灵间的互相通信，最终建立几何精灵的家族。 3、在军事、航天方面：可以和其他传统移动机构相结合，研发新型的地面特种移动作战机器人、航天星球探测机器人。
同类课题研究水平概述
- 研究概况： 1轮式机器人 人类史上最成功的移动机构便是轮式机构，各种各样的民用车辆全都是属于轮式机构，但是轮式的越障性能较差，在崎岖地面的行走性能很差，因此大大制约了轮式移动机器人的发展。 2履带式机器人 履带式机器人的研究也比较早，作为最常见的移动方式之一，已广泛应用车辆中。相对于轮式机器人来说，履带的优点在于越障性能好，但是相对的移动、转向不灵活，总体比较笨重。 3 步行机器人 步行机器人越障能力比较强，具有较强的地面使用能力，在崎岖路面上，步行车辆优于轮式或履带式车辆。步式机器人运动靠腿足系统。步行运动是最灵活也是适应能力最强的一种运动方式，并与仿生学结合在一起，已成为机器人家族中重要的一份子。 4 滚动机器人 滚动机器人的移动方式不同于轮式的滚动，其中以球形机器人为代表。球形滚动机器人是一种以球形或近似球形为外壳的独立运动体，是近几年才出现的一种新的机器人机构形式。它的运动方式以滚动运动为主。由于这种运动方式和外壳的特殊性，这种球形机器人用最少的自由度，以欠驱动的方式实现了全方位运动。比其他运动方式转向灵活；并且当运动机构发生坠落等危险情况时，可以迅速的调整运行状态，进行连 5 蠕动机器人 蠕动机器人是仿照蛇和蚯蚓的结构特点和运动机理，它由多个相同的关节构成，各节有独立的驱动系统。蠕动机器人是利用模块单元之间的相对转动，或者单元之间的缩放使身体弯曲伸张实现运动。 6 NASA多面体机器人 NASA机器人研究所，根据多面体的变形特点，提出了一种由球副和移动副组成的复合机构，通过整体的变形实现滚动移动。
