请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版

作品展示

原创作品:107985

系统分类: 机器人创想秀 - 技术流

作品版权:107985 版权所有,禁止匿名转载;禁止个人使用。

107985

2016-6-4 22:42:30

决赛得分

总分(0)点赞数(0)评委打分(0)

初赛得分

总分(60.88)点赞数(15)评委打分(59.85)

评委[创想秀_评委6]:非常好的设计,实用,让人想起空气悬浮底盘

评委[创想秀_评委1]:现在有履带变形技术的。现在的问题是,你如何避免缠绕,比如在杂草中行驶。

作品亮点:

随着国家经济发展,沙漠探测、月球探测等项目的进行,人们对车辆或者机械越障能力的要求越来越高。而变直径车轮作为作为一种新式的行走机构,由于其适应多地形的能力及体积可变化的优点逐渐受到人们的重视。为了解决行走机构与车轮越障性能之间的矛盾,本文提出了一种仿伞型的新式可变直径轮式结构,由伞型变直径、直线驱动、变直径与行走隔离等模块组成。由此结构而制作的样机,可以实现1~2.3倍轮径的变化,在不同直径前进时实现了平稳作动,且可以根据不同环境自动调节轮径从而获得较优的越障性能。

作品说明:

引言在国际环境日益复杂的今天,各个国家在经济、科技、资源、军事方面的竞争愈演愈烈。想要赢得现代化战争,已不是简单枪炮对战就能解决的,信息在战场上显得尤为重要。而机器人正是获取敌方信息的重要武器,智能机器人扮演侦查兵,战士的角色在各国的演习中也频繁出现。  除了在军事方面的巨大潜力之外,在月球、沙漠等未知地形的探测中,机器人平台也发挥着不可替代的作用。
但是我们可以看到,机器人要发挥出自己的作用有一个不可或缺的前提,那就是其必须拥有优秀的越障性能,能适应多种多样的地形,这是因为野外作业的环境都是十分复杂险恶的,拥有较强的越障性能能够显著提高机械的机动性。然而在一些对机器人体积有一定要求的情况下,履带式、腿式及复合式等机器人却无能为力,在设计时定好尺寸的同时也限制了其应用场景,于是可变直径的轮式结构越来越受到人们的重视。变直径轮式结构可以打破传统机器人应用场景较单一的局面,使越野性能有了显著提高。目前的可变直径轮机构都较为复杂,为了提高性能,我们设计并制作了一种新型的变直径轮式结构。相比较其他固定结构的越野平台来说,这种结构可以适应更加丰富的地形,如沙漠、崎岖不平的地面、有一定高度的洞穴等环境。
、研究内容
本项目旨在设计一种全新的可变直径结构,其除了拥有一般的越野能力之外,还能够根据地形的不同,自动调节自身高度,调节范围在1~3倍最小直径之间,并能够拥有较好的平稳性及较小的冲击。
关键问题:
1.变直径结构设计。由于本系统主要目的是实现1~3的直径范围变化,所以一个可靠且新颖的结构设计是非常必须的。这样本系统在与同类越野平台比较时也更有优势,更能实现在多种地形上进行工作。
2.减震。本系统与传统轮式结构相比,在前进时有较大的差异:传统轮式—固定轮径、连续不间断与地面的接触,本系统—可变直径、与地面断续接触。由于与地面断续接触,本项目会在前进时产生不稳定的震动,所以减震装置的好坏直接影响系统的行走平稳性。理想状态下,在每个不同直径时,轮子所呈现的状态均为对地面连续,这样便能综合两种轮式结构的特点。
3.图像的处理。为了适应环境,本系统必须有识别外部的模块。利用摄像头、超声模块可以有效识别其外部的障碍物的尺寸,之后再经过图像处理算法来得到越障所需的最佳直径。这种方法需要较成熟的算法和设计理念。
4.电路设计。为了脱离室内环境,此系统必须有独立的电源设计,包括驱动模块、传感器模块、稳压模块、控制器模块。同时由于需要较小的体积,本系统电路所需的集成度较高,这也是一个比较大的难点。
5.运动的分离。由于本系统采用丝杆直线驱动,所以在前进的同时会造成直径的变化。而我们所需要解决的问题就是如何有效的解除两者的耦合关系,使其互相独立。
6.无线调试及控制。为了方便我们对系统进行调试及动作控制,同时得到障碍物的高度数据,我们可以利用无线模块进行测试。
二、总体系统设计
(一)硬件选择
1)电机选择
辐条车轮的运动需要足够大的转矩带动其车体前进,而车轮的转动线速度不能太大以免车轮与地面打滑,由此,车体前进的驱动电机选择大扭矩比直流减速电机,经多次试验定为转速为30r/min、扭矩14kg·cm的减速电机,而变直径驱动电机不承担态大的扭矩,但需要较大的转速使得直径的变化快速准确,因此选择转速120r/min、扭矩4kg·cm的减速电机。
2)丝杆选择
车轮直径变化需要水平方向的运动,而电机则以转动为主,因此,在电机和辐条间需要连接机构将电机的圆周运动转为辐条的水平运动。常用的转换机构有齿轮齿条和丝杆机构,考虑到仿雨伞的辐条结构,丝杆结构更牢固可靠且可控,便选择导程为2mm、总长度为250mm的丝杆。
3)车轮材料选择
车体每个触地时刻左右轮分别有四根丝杆着地,比起橡胶车轮的大面积接触地面,每根丝杆都承担着更大的车体压强以及前进扭矩,基于以上力学考虑,需选择能够承受一定压力及扭矩的车轮辐条材料。铝合金材料密度低,强度高,塑性好,装在车轮上既减轻了车体总重,又能承受一定的压力,满足越障平台的机械需求。
(二)机械结构设计
1)车轮结构
车轮采用仿雨伞式辐条结构,每根辐条采用型设计,的一边通过螺丝与放松螺母固定在丝杆的两头,的另一边则旋上弧形触地脚,增大与地面的接触面积和摩擦力,使车体运动更加平稳。通过丝杆顶端减速电机的转动,可改变辐条的夹角,以此达到改变车轮直径的效果。单边车轮的整体翻转,则可以带动整个车身向前移动。
1.jpg
2)齿轮啮合
车体的前进与变直径在车轮的机械结构设计上需要一定的配合才能进行同步工作,因此,机械上选择通过齿轮的啮合来带动车体前进,而变直径则通过穿过齿轮的丝杆与联轴器连接实现转动而不影响车体前进。
3)连接机构
辐条的前进及伸缩需要灵活的转动机构,通过Solidworks设计出特殊形状的连接机构,实现辐条的自由转动,同时,由于车体重量主要通过辐条支撑,需在联轴器上与车体连接附着点,减少车体力矩过大造成的丝杆轴弯扭。
4)车体结构
车体的运动需要电源、驱动、电机等模块,车体的结构据此设计为黑箱体结构,电机及齿轮从两边向外伸出丝杆,上面接有辐条车轮,箱体内部放置所有电路设备。箱体的后下方安装有万向轮,作为车体另一个着地点,减轻车体力对轴弯曲的作用。
(三)电路设计
1)电源
电源是本系统的重要组成部分,考虑到越野车需要在野外进行运动,所以我们采用了独立电源供电。在整个系统中,电机所需电压为8V,单片机与传感器电压为5V,最终我们选择11.2V的锂电池,利用稳压模块进行供电。稳压电源部分我们选择了两块开关电源模块LM2596,分别实现了从11.2V降到了5V和8V,完成电源模块的设计。
(2)控制芯片
AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置精简指令集高速单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域,是一款性能优越的嵌入式系统。但是由于其配置较为复杂,所以我们采用了基于AVR芯片开发的ARduino 最小系统板。Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的,在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。ARduino 板具有控制简单,调试方便且能缩短开发周期的优点。其拥有丰富的AD/DA转换端口,普通I/O端口及pwm波输出口,可以极大地方便我们的使用,从而提高开发效率。
3.png
(3)无线通信
由于本系统机械结构复杂,但是又需要经常更改一些程序的参数,所以需要一个远程调试模块。根据调试的距离我们最终选择HC-05蓝牙模块,此模块可以高速率低功耗的传递信息,便于我们的开发与调试。
(4)视觉模块
由于越障时我们需要知道障碍物的尺寸及类型,所以视觉系统的加入是必须的且重要的。本系统采用摄像头与超声波相结合的方式来作为视觉部分。超声波发生器内部结构有一个共振板和两个压电晶片。当它外加脉冲信号,频率会等于压电晶片的固有振荡频时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,从而产生超声波。反之,如果未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,就成为超声波接收器。在超声探测电路中,发射端得到输出脉冲为一系列方波,其宽度为发射超声的时间间隔,被测物距离越大,脉冲宽度越大,输出脉冲个数与被测距离成正比。所以我们利用超声波来分别测量两轮的直径,从而能够实现转弯或者前进。而摄像头是用来实现观察车前方障碍物的作用。通过摄像头得到的数据,越野车可以自动判断所需轮径,然后调节轮径来实现越障的目的。
(四)运动模式
1)变直径
本系统最大的特点是可以通过丝杆的运动来使整个轮子的直径进行变化,从而改变车身的高度。经验证,本系统所设计的结构可以实现直径从1~2.3倍变化,能够在很大范围内适应环境。在小直径时,系统适用于平缓和有一定高度限制的有障碍环境,且由于底盘较低,爬坡性能也十分优异;而在较大直径时,系统可以轻松跨越一些较大的障碍物,且在崎岖的路面上有不错的表现。
(2)前进
此越障平台可以通过超声波模块来检测自身轮径的高度,所以在需要直线前行时,可以调节两轮速度与直径分别相等来实现直线前行。
3)转弯
由于本系统的特殊结构,其可以实现普通轮式结构无法实现的转弯方式。总的来说,此越障车有三种转弯模式。
1.轮径相同,差速运行。在这种状态下,两轮直径相同,速度不同,从而导致对地的线速度不同,这样能够有效的实现转弯。
2.轮径相同,两轮反向运行。在速度大小相同,方向相反的情况下,系统可以实现原地转弯。
3.轮径不同。这是一个比较特殊的模式,也是本项目特有的转弯方式。在轮径不同时,即使速度相同,两轮对地的线速度也不同,所以可以实现在两边高度不同,半径不同时进行转弯。
三、创意应用前景
本平台的核心创意是仿伞型辐条结构以及变直径行进,可通过对周围环境的感知改变直径进行相应的跨障运动,因此,它可以广泛应用于各类恶劣的地形环境中,完成相应任务。现代建筑群里,该越障平台可以实现自由灵活运动,台阶、矮洞等障碍可通过环境感知设备进行相应的直径变换以进行规避,对于大范围物体搜寻、目标灵活跟踪等任务可以顺利完成;在火灾或毒气泄漏等人类难以进入的环境中,该越障平台可以发挥其优势,进入灾区,识别躲避障碍物,搜寻被困人员,发送当前地址信息,以待后续救援;山区等地形变化较大的范围里,该平台可通过直径变换执行爬坡、翻越低矮灌木、躲过根须丛林等跨障任务;甚至在外星球科技探索中,该平台可平稳地在星球表面行动,大直径跨越星球表面的沟壑,小直径实现平稳快速运行,准确完成科考任务。
结论
该变直径越障平台基于环境感知,能够通过自身的视觉感知系统对周围环境进行分析判断,并进行适当的变直径、调速控制以规避环境中的障碍。本平台的创意核心是直径可变性,大直径可轻松跨过地上的小型障碍物,小直径则能灵活地穿过悬空的障碍物,而在空间狭小的区域,平台还可以通过不同直径差速运动实现原地转弯,躲过大型障碍物。该平台直径可变的特性使其适用于多种实际环境,包括森林搜寻、灾难救援、环境勘探等。经过进一步的优化改进,该平台将变得更加轻巧灵活,适用范围也将扩到更深的生活、科研领域中去。

视频地址:http://v.youku.com/v_show/id_XMTU5Njg0ODY0NA==.html?from=s1.8-1-1.2




其他作品
在你身边发表于 2016-6-7 10:36:15 | 显示全部楼层
加油赞赞
返回列表