可變形全方位移動機構(gòu)學(xué)校:上海交通大學(xué)第二附屬中學(xué)作者:趙一陽輔導(dǎo)老師:汪迪玲、金釗、李培波

可變形全方位移動機構(gòu)學(xué)校:上海交通大學(xué)第二附屬中自我介紹－－－閔行區(qū)青少年科學(xué)研究院成員1、獲2008年Robocup青少年世界杯中國賽區(qū)上海地區(qū)選拔賽“機器人舞蹈項目”中學(xué)組亞軍；2、獲2007年上海閔行區(qū)“莘格杯”未來工程師大賽“陸地機器人創(chuàng)意設(shè)計(中學(xué))”二等獎;3、獲2008閔行區(qū)“卡西歐杯”多媒休作品設(shè)計與創(chuàng)作大賽三等獎；4、獲2008上海閔行區(qū)“田園杯”高一物理基礎(chǔ)知識大賽(一般高中組)二等獎。

自我介紹－－－閔行區(qū)青少年科學(xué)研究院成員課題來源5、12汶川大地震救災(zāi)場景觸發(fā)靈感七十二小時黃金救援時間時間就是生命課題來源5、12汶川大地震救災(zāi)場景觸發(fā)靈感課題來源(續(xù))提出一種“可變形全方位移動機構(gòu)”結(jié)構(gòu)簡單、運動靈活、可通過狹窄空間；采用四個獨立驅(qū)動的全方位輪作為移動載體，設(shè)計有四個關(guān)節(jié)可以變換出各種形狀課題來源(續(xù))課題實施過程課題選題方案設(shè)計，選定外購件初步設(shè)計整體結(jié)構(gòu)自制零件設(shè)計與加工組裝，接線軟件分段設(shè)計，調(diào)試課題總結(jié)，提煉研究報告課題實施過程課題選題結(jié)構(gòu)四個關(guān)節(jié),舵機驅(qū)動四個獨立驅(qū)動的全方位輪全方位輪采用連續(xù)切換輪結(jié)構(gòu)四個關(guān)節(jié),舵機驅(qū)動結(jié)構(gòu)(續(xù))(關(guān)節(jié)和全方位輪處結(jié)構(gòu))(可變形全方位移動機構(gòu)三維模型)結(jié)構(gòu)(續(xù))(關(guān)節(jié)和全方位輪處結(jié)構(gòu))(可變形全方位移動機構(gòu)三工作原理“可變形全方位移動機構(gòu)”的運動原理圖每個輪子速度是由電機控制的繞軸心轉(zhuǎn)動速度Vz和不可控的側(cè)移速度Vq組成舵機用來控制關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度，使機構(gòu)變形機構(gòu)整體速度可以看成是平動和轉(zhuǎn)動的合成。由于機構(gòu)看作剛體，所以機構(gòu)上每一處（包括輪子處）具有和機構(gòu)整體一致的運動狀態(tài)。所以四個輪子處都具有V（VX，Vy）的運動速度。由全方位輪的運動特性可知，每個輪子具有可控的軸向運動速度Vz和不可控的側(cè)移速度Vq組成，所以（VX，Vy）和（Vz，Vq）在X-Y坐標(biāo)軸上的投影值相等。假設(shè)“可變形全方位移動機構(gòu)”當(dāng)前的方位角為φ，則可以得到輪子1如下公式:可以得到輪子的控制速度Vz，控制四個輪子按照以此得到的控制速度旋轉(zhuǎn)可實現(xiàn)設(shè)定方向的指定運動工作原理“可變形全方位移動機構(gòu)”的運動原理圖所以四個輪子處都工作原理（續(xù)）部分演示動作相關(guān)電機/關(guān)節(jié)的控制（a）直行（b）橫向移動（c）原地旋轉(zhuǎn)工作原理（續(xù)）部分演示動作（a）直行（b）橫向移動（c）原地電源與控制系統(tǒng)控制器采用VEX控制驅(qū)動器，它搭載兩片MicrochipPIC18F8520處理器，每秒處理千萬條指令，集成32K代碼存儲空間。擁有8個電機接口，6個中斷接口，16個數(shù)字/模擬信號接口，可同時使用兩個RX接口，擁有遙控、程控、線控多種控制方式。電機和舵機直接接到控制器的電機接口。系統(tǒng)電源采用9.6V鎳鎘充電電池。電源與控制系統(tǒng)控制器采用VEX控制驅(qū)動器，它搭載兩片Micr軟件設(shè)計“可變性全方位移動機構(gòu)”的軟件在EasyC_V2軟件開發(fā)環(huán)境下編制（圖16為其編程界面），編譯通過后通過ProlificUSB-to-Serial編程電纜下載到控制器當(dāng)中。軟件設(shè)計“可變性全方位移動機構(gòu)”的軟件在EasyC_V2軟件軟件設(shè)計（續(xù)）#include“Main.h”//主程序Voidmain(void){ //控制舵機2和7偏轉(zhuǎn)90度Setservo(2,255); Setservo(7,30); //等待3.5秒 Wait(3500) //控制機構(gòu)正向橫移 Setmotor(1,160); Setmotor(8,160); //等待1秒 Wait(1000); //機構(gòu)反向橫移setmotor(1,94); setmotor(8,94); //等待2秒 Wait(2000); //機構(gòu)正向橫移 setmotor(1,160); setmotor(8,160); //等待1秒 Wait(1000);

//電機停止轉(zhuǎn)動 setmotor(1,127); setmotor(8,127); //等待2秒 Wait(1000); //四個全方位輪呈直線分布 Setservo(2,115); Setservo(7,185); //機構(gòu)原地轉(zhuǎn)動 setmotor(1,170); setmotor(3,170); setmotor(6,170); setmotor(8,170); wait(4000); //反向轉(zhuǎn)動 setmotor(1,84); setmotor(3,84); setmotor(6,84); setmotor(8,84); wait(4000); //電機停止轉(zhuǎn)動 setmotor(1,127); setmotor(3,127); setmotor(6,127); setmotor(8,127);}軟件設(shè)計（續(xù)）#include“Main.h” //電機問題分析與解決全方位輪與地面的接觸不一致原因:1)外購件不是工業(yè)用途,精度不高 2)自制零件為板金折彎,加工精度不高解決方式:在關(guān)節(jié)連接處加墊片,調(diào)整高度,使四個輪子同時著地問題分析與解決全方位輪與地面的接觸不一致問題分析與解決（續(xù)）舵機的零位與設(shè)想零位不一致；解決辦法:軟件補償:先使關(guān)節(jié)復(fù)零，然后通過補償每個關(guān)節(jié)上舵機的角度使四個輪子的軸心在一條直線上

問題分析與解決（續(xù)）舵機的零位與設(shè)想零位不一致；問題分析與解決（續(xù)）舵機反轉(zhuǎn)力矩不足以及傳動環(huán)節(jié)存在過大間隙導(dǎo)致整個機構(gòu)無法保持預(yù)定形狀；問題分析:1)這是由于所選電機/舵機本身特性決定的 2)傳動間隙的存在導(dǎo)致機構(gòu)整體形狀無法保持,即,整個機構(gòu)在運動過程中不能視為剛體,導(dǎo)致設(shè)定的運動在給定的控制條件下無法實現(xiàn)問題分析與解決（續(xù)）舵機反轉(zhuǎn)力矩不足以及傳動環(huán)節(jié)存在過大間隙問題分析與解決（續(xù)）調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)四個輪子無法在同一直線上作橫向移動原因分析:根據(jù)機構(gòu)的工作原理，當(dāng)四個輪子在一條直線上時四個輪子的可控軸向速度與軸線垂直，無法合成。解決辦法:至少改變兩個關(guān)節(jié)的角度。問題分析與解決（續(xù)）調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)四個輪子無法在同一直線上作學(xué)到的知識對運動與力合成知識有了更深刻的理解。更加理解了正壓力與摩擦力之間的關(guān)系。試驗中發(fā)現(xiàn)，有的電機會發(fā)生打滑或空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這主要是由于輪子不在同一平面或地面不平所造成的，實驗時必須現(xiàn)將四個輪子調(diào)整到同一平面，否則會造成運動不平穩(wěn)的現(xiàn)象發(fā)生。學(xué)到的知識對運動與力合成知識有了更深刻的理解。總結(jié)“可變形全方位移動機構(gòu)”具有以下特點：可變形以及可以平面范圍內(nèi)全方位移動；結(jié)構(gòu)簡單，便于編程與控制；適應(yīng)于狹窄空間移動與作業(yè)；總結(jié)“可變形全方位移動機構(gòu)”具有以下特點：展望如果將驅(qū)動器與控制器集成并使其外形尺寸小于全方位輪子的直徑以及增加關(guān)節(jié)自由度的話，則該機構(gòu)即使翻滾與傾倒后仍然可以正常工作，而其他機構(gòu)要實現(xiàn)上述功能的話機構(gòu)會非常復(fù)雜。該特性是本機構(gòu)的重要特性，也決定了它有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域展望如果將驅(qū)動器與控制器集成并使其外謝謝!請評委老師批評指教謝謝!請評委老師批評指教可變形全方位移動機構(gòu)學(xué)校:上海交通大學(xué)第二附屬中學(xué)作者:趙一陽輔導(dǎo)老師:汪迪玲、金釗、李培波

可變形全方位移動機構(gòu)學(xué)校:上海交通大學(xué)第二附屬中自我介紹－－－閔行區(qū)青少年科學(xué)研究院成員1、獲2008年Robocup青少年世界杯中國賽區(qū)上海地區(qū)選拔賽“機器人舞蹈項目”中學(xué)組亞軍；2、獲2007年上海閔行區(qū)“莘格杯”未來工程師大賽“陸地機器人創(chuàng)意設(shè)計(中學(xué))”二等獎;3、獲2008閔行區(qū)“卡西歐杯”多媒休作品設(shè)計與創(chuàng)作大賽三等獎；4、獲2008上海閔行區(qū)“田園杯”高一物理基礎(chǔ)知識大賽(一般高中組)二等獎。

自我介紹－－－閔行區(qū)青少年科學(xué)研究院成員課題來源5、12汶川大地震救災(zāi)場景觸發(fā)靈感七十二小時黃金救援時間時間就是生命課題來源5、12汶川大地震救災(zāi)場景觸發(fā)靈感課題來源(續(xù))提出一種“可變形全方位移動機構(gòu)”結(jié)構(gòu)簡單、運動靈活、可通過狹窄空間；采用四個獨立驅(qū)動的全方位輪作為移動載體，設(shè)計有四個關(guān)節(jié)可以變換出各種形狀課題來源(續(xù))課題實施過程課題選題方案設(shè)計，選定外購件初步設(shè)計整體結(jié)構(gòu)自制零件設(shè)計與加工組裝，接線軟件分段設(shè)計，調(diào)試課題總結(jié)，提煉研究報告課題實施過程課題選題結(jié)構(gòu)四個關(guān)節(jié),舵機驅(qū)動四個獨立驅(qū)動的全方位輪全方位輪采用連續(xù)切換輪結(jié)構(gòu)四個關(guān)節(jié),舵機驅(qū)動結(jié)構(gòu)(續(xù))(關(guān)節(jié)和全方位輪處結(jié)構(gòu))(可變形全方位移動機構(gòu)三維模型)結(jié)構(gòu)(續(xù))(關(guān)節(jié)和全方位輪處結(jié)構(gòu))(可變形全方位移動機構(gòu)三工作原理“可變形全方位移動機構(gòu)”的運動原理圖每個輪子速度是由電機控制的繞軸心轉(zhuǎn)動速度Vz和不可控的側(cè)移速度Vq組成舵機用來控制關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度，使機構(gòu)變形機構(gòu)整體速度可以看成是平動和轉(zhuǎn)動的合成。由于機構(gòu)看作剛體，所以機構(gòu)上每一處（包括輪子處）具有和機構(gòu)整體一致的運動狀態(tài)。所以四個輪子處都具有V（VX，Vy）的運動速度。由全方位輪的運動特性可知，每個輪子具有可控的軸向運動速度Vz和不可控的側(cè)移速度Vq組成，所以（VX，Vy）和（Vz，Vq）在X-Y坐標(biāo)軸上的投影值相等。假設(shè)“可變形全方位移動機構(gòu)”當(dāng)前的方位角為φ，則可以得到輪子1如下公式:可以得到輪子的控制速度Vz，控制四個輪子按照以此得到的控制速度旋轉(zhuǎn)可實現(xiàn)設(shè)定方向的指定運動工作原理“可變形全方位移動機構(gòu)”的運動原理圖所以四個輪子處都工作原理（續(xù)）部分演示動作相關(guān)電機/關(guān)節(jié)的控制（a）直行（b）橫向移動（c）原地旋轉(zhuǎn)工作原理（續(xù)）部分演示動作（a）直行（b）橫向移動（c）原地電源與控制系統(tǒng)控制器采用VEX控制驅(qū)動器，它搭載兩片MicrochipPIC18F8520處理器，每秒處理千萬條指令，集成32K代碼存儲空間。擁有8個電機接口，6個中斷接口，16個數(shù)字/模擬信號接口，可同時使用兩個RX接口，擁有遙控、程控、線控多種控制方式。電機和舵機直接接到控制器的電機接口。系統(tǒng)電源采用9.6V鎳鎘充電電池。電源與控制系統(tǒng)控制器采用VEX控制驅(qū)動器，它搭載兩片Micr軟件設(shè)計“可變性全方位移動機構(gòu)”的軟件在EasyC_V2軟件開發(fā)環(huán)境下編制（圖16為其編程界面），編譯通過后通過ProlificUSB-to-Serial編程電纜下載到控制器當(dāng)中。軟件設(shè)計“可變性全方位移動機構(gòu)”的軟件在EasyC_V2軟件軟件設(shè)計（續(xù)）#include“Main.h”//主程序Voidmain(void){ //控制舵機2和7偏轉(zhuǎn)90度Setservo(2,255); Setservo(7,30); //等待3.5秒 Wait(3500) //控制機構(gòu)正向橫移 Setmotor(1,160); Setmotor(8,160); //等待1秒 Wait(1000); //機構(gòu)反向橫移setmotor(1,94); setmotor(8,94); //等待2秒 Wait(2000); //機構(gòu)正向橫移 setmotor(1,160); setmotor(8,160); //等待1秒 Wait(1000);

//電機停止轉(zhuǎn)動 setmotor(1,127); setmotor(8,127); //等待2秒 Wait(1000); //四個全方位輪呈直線分布 Setservo(2,115); Setservo(7,185); //機構(gòu)原地轉(zhuǎn)動 setmotor(1,170); setmotor(3,170); setmotor(6,170); setmotor(8,170); wait(4000); //反向轉(zhuǎn)動 setmotor(1,84); setmotor(3,84); setmotor(6,84); setmotor(8,84); wait(4000); //電機停止轉(zhuǎn)動 setmotor(1,127); setmotor(3,127); setmotor(6,127); setmotor(8,127);}軟件設(shè)計（續(xù)）#include“Main.h” //電機問題分析與解決全方位輪與地面的接觸不一致原因:1)外購件不是工業(yè)用途,精度不高 2)自制零件為板金折彎,加工精度不高解決方式:在關(guān)節(jié)連接處加墊片,調(diào)整高度,使四個輪子同時著地問題分析與解決全方位輪與地面的接觸不一致問題分析與解決（續(xù)）舵機的零位與設(shè)想零位不一致；解決辦法:軟件補償:先使關(guān)節(jié)復(fù)零，然后通過補償每個關(guān)節(jié)上舵機的角度使四個輪子的軸心在一條直線上

問題分析與解決（續(xù)）舵機的零位與設(shè)想零位不一致；問題分析與解決（續(xù)）舵機反轉(zhuǎn)力矩不足以及傳動環(huán)節(jié)存在過大間隙導(dǎo)致整個機構(gòu)無法保持預(yù)定形狀；問題分析:1)這是由于所選電機/舵機本身特性決定的 2)傳動間隙的存在導(dǎo)致機構(gòu)整體形狀無法保持,即,整個機構(gòu)在運動