基本信息
- 项目名称：
- 面向老龄化社会服务的全方位移动机器人
- 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：
- 此项目为主要面向老龄化社会服务的全方位移动机器人。从设计整体上讲，组合式全方位轮解决了限制该类轮子应用的瓶颈问题，即轮子的强度及承载力的问题，有效地提高了全方位轮的承载能力，同时改善了越障能力。该全方位轮可以应用到轮椅上，帮助人们方便灵活地运动。也可以应用到自动化工厂，实现在拥挤环境下的重物搬运工作。具有广泛的市场空间和应用前景。
- 详细介绍：
- 在现代化设备聚集的工厂，人员众多的医院，机场，停车场等场合，现有的移动运输设备已经不能满足灵活操作和运输的需要。研制一种能够灵活运动的移动机构是本项目的研究目标。 目前灵活的全方位移动机构的全方位移动轮的强度及跨越障碍方面存在着很大局限性。为解决该问题，提出一种新型组合式全方位轮。解决困扰全方位轮应用的强度问题，同时提高全方位平台的越障能力。 该机构采用特殊的球轮结构，应用锥体侧边旋转运动和锥齿轮差速器原理，采用四个90度锥形球冠组成了一个近似球形的轮体，实现连续旋转和被动运动。结构上，该轮的锥体又组成了一个全封闭球形结构体，四个被动旋转轴组成了结构体的骨架，类似于轮子的轮毂部分，四个锥体的相互作用使作用力被分解在四个被动轴上，有效地提高了轮子的强度。采用两组该类结构实现了与地面的连续旋转。 整体上讲，组合式全方位轮解决了限制该类轮子应用的瓶颈问题，即轮子的强度及承载力的问题，有效地提高了全方位轮的承载能力，同时改善了越障能力。该全方位轮可以应用到轮椅上，帮助人们方便灵活地运动。也可以应用到自动化工厂，实现在拥挤环境下的重物搬运工作。具有广泛的市场空间和应用前景。
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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
- 面对当前移动设备的灵活性不足，以及传统全方位移动机构的承载能力及越障性能差的现状，设计一种全面克服承载及越障性能等缺陷的新型全方位移动机器人。 本研究创新性地设计了全方位轮，突破了困扰全方位轮应用的瓶颈问题——越障和强度。采用锥体的被动运动原理，应用多锥体组合成力封闭的近似球形机构，提高了承载能力。同时由于锥形球体具有大回转半径，提升了该轮的越障能力。由该轮组成的机器人平台可以实现全方位运动，具有较强的承载能力和越障能力。 理论上，在球形几何结构的基础上，利用锥体的侧边旋转运动和锥齿轮差速器原理解决了轮与地面接触过程中的运动约束问题。 机构上，设计了新型的组合式全方位轮形机构，具有力封闭的几何结构，提高了全方位轮的刚度和强度。 功能上，提高了全方位轮的越障能力，解决了困扰全方位轮承载能力的瓶颈问题。
科学性、先进性
- 目前灵活的全方位移动机器人的全方位移动轮的强度及跨越障碍方面存在着很大局限性。为解决该问题，提出一种新型多锥形球体组合式全方位轮。解决困扰全方位轮应用的强度问题，同时提高全方位平台的越障能力。 该机器人采用特殊的球轮结构，应用锥体侧边旋转运动和锥齿轮差速器原理，采用四个90度锥形球冠组成了一个近似球形的轮体，实现连续旋转和被动运动。结构上，该轮的锥体又组成了一个全封闭球形结构体，四个被动旋转轴组成了结构体的骨架，类似于轮子的轮毂部分，四个锥体的相互作用使作用力被分解在四个被动轴上，有效地提高了轮子的强度。采用两组该类结构实现了与地面的连续旋转。 整体上讲，全方位轮的设计解决了限制该类轮子应用的瓶颈问题，即轮子的强度及承载力的问题，有效地提高了全方位轮的承载能力，同时改善了越障能力。该全方位轮可以应用到轮椅上，帮助人们方便灵活地运动。也可以应用到自动化工厂，实现在拥挤环境下的重物搬运工作。具有广泛的市场空间和应用前景。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利
作品可展示的形式
- 实物、产品
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
- 该全方位机器人的研究成功，解决了目前全方位机器人的强度问题。完全可以实现全方位轮椅的功能，帮助残疾人实现无障碍性的活动，可以实现跨越小型障碍物，电梯与地面之间的间隙等。也可以应用到繁忙而拥挤的飞机场，汽车站和火车站，在这些场所内灵活地运输货物人员等。自动化工厂也需要灵活高负载的运输设备来运送工具、工件等，特别适合应用在两个工作岛之间的自动运输和作业。可以看出，该全方位轮具有广泛的市场前景。 该机器人技术的成熟应用将带来很好的社会效益和经济效益
同类课题研究水平概述
- 目前，全方位移动机构大致分为两种：一种是采用特殊轮结构，而另一种是应用传统轮结构。多数的特殊轮结构的设计理念是：在轮子的一个方向上具有约束以获得驱动力，而在另一个方向上去除约束以实现被动运动。作为特殊轮的一个经典的设计为：在一个传统轮结构的圆周上安装一系列的被动轮，这些被动轮的旋转轴垂直或倾斜于传统轮的旋转轴，例如：麦克纳姆轮的设计[1]。其它特殊轮结构的设计包括正交轮结构[2]和球轮结构[3]。特殊轮结构的全方位移动机器人具有很强的运动灵活性和稳定性[4]，而且能够非常精确地实现轨迹跟踪。但是该类移动机构除了机构比较复杂之外，还存在着越障能力差，承载能力低，被动滚轮容易引起车体振动等缺点。正交轮的机构简单，但承载能力不足。球轮结构驱动灵活，但机构过于复杂，驱动力不足[4,5]。基于传统轮结构的全方位移动机构主要采用转向和旋转都具有独立驱动的脚轮结构[6]，这种机构虽然承载能力强，但运动灵活性和稳定性较差，控制困难。 麦克纳姆轮是一种非常有效的全方位运动机构如图所示，它的轮体不是由普通的轮胎组成，而是分布了许多能够自由旋转的小棍子。这些小棍子类似斜齿轮的齿，棍子的回转轴线与轮子的回转轴线成一定的倾斜角度布置（通常为45度），而这些棍子的外廓线与轮子的理论圆周线相重合，保证了轮子与地面的连续接触及棍子的自由旋转。麦克纳姆轮具有三个自由度，一个是绕轮子轴线转动，第二个是绕棍子轴线的转动，第三个是绕轮子和地面接触点的转动。其中轮子由电机驱动，另两个自由度自由运动。 麦克纳姆轮及应用连续切换轮是由一个轮盘支架和固定在支架上的棍子构成，如图2所示，一周的棍子组成的外轮廓线恰好是连续切换轮的外轮廓线。轮的回转轴线与棍子的回转轴线垂直，这与麦克纳姆轮的角度不同，可以认为连续切换轮是麦克纳姆的一个特例，两种轮的运动原理基本相同。 正交轮是一种依靠两组机构交替与地面接触实现运动的机构，如图3所示，通常采用去除球冠的两个球体来运动。由于两个球体回转轴线的垂直布置，所以称这种轮为正交轮。 偏心轮机构通常是由一个处于偏心位置的驱动轮和一个带有偏心的驱动机构组成。偏心轮机构不采用轮盘上辊子切换的方式来运动，减少了运动过程中的震动和打滑现象，但这种机构在运动的灵活性不足。
