越障機器人的設想及初步設計

昆明市第三中學 陳旭峰 祁銳 楊皓冉

主要內容：

在現代生活中災難突發頻率增高，科學探究進入更深層次，在很多地方，人難以到達，所以我們就想設計一種能夠跨越障礙物的小型搜索定位，深入探索的機器人。

首先，我們設想完成了一個能夠爬上樓的機器人，該機器人可以是：仿生機器人，即學習爬行動物四肢著地爬上去，但實踐之后很難由目前器材完成。之后又設想了像人一樣雙腿走上去，不盡理想。最后決定以履帶代替腳，進行結構搭建。爬行動物四肢機器人結構是齒輪和連桿復雜機械的機械結構，多點著地支撐；像人一樣雙腿行走，也用齒輪連桿結構，但僅為兩點支撐，結構重心在行動中會發生改變，更難以實現；履帶結構由一個面著地重心比較低能更加穩定地行動，由此我們選擇以履帶為支撐結構。

第一次：由固定三角態軀體為基礎搭建。其中以兩條履帶的端點接地，中間固定不會彎曲，在實驗中只能夠爬上一段。

第二次：將其中一部分改為活動彎曲的。在搭建中將它分為三段，每段一個動力分開運行。在完成搭建之后，實驗中發現在后兩段被樓梯卡在中間。經受力分析后，決定將后兩段的履帶連接在同一根軸上，這樣就解決了中間卡住的問題。經過多次實驗，我們的機器人基本完成，實現了爬上地面摩擦大的樓梯。在光滑地面上難以實現，為此我們將履帶最后一段換為了輪子，減小與地面的接觸面積，增大壓強使之能爬上較光滑樓梯。在此之中，我們所使用的器材是樂高積木及其系列中的NXT，伺服電機等。

運用的科學原理：

針對關節履帶機器人爬樓梯的問題，嘗試制作一個模型來進行具體的研究和探索，對以后制造跨越障礙機器人積累經驗。通過對機器人爬樓梯的分析，考慮機器人的重心，姿態的變化，驅動輪和樓梯棱角對履帶的作用。機器人在爬樓梯時根據杠桿原理，可將機器人的頭部自然向下壓，并使其與地面接觸，之后靠驅動輪對履帶的帶動，履帶與地面之間產生摩擦，靠機器人的前半部分和后半部分的配合，使機器人在前半部拉，后半部推的情況下成功爬上樓梯。機器人的各個驅動輪依靠樂高NXT供電和控制，伺服電機提供動力。

創新點：

①體積小巧，可進入一些狹窄通道，執行一些人不能完成的任務。

②應用范圍廣泛，可應用于災難搜索，野外科學探索，幫助殘障人士等。

應用價值：

在更深一步的研究設計后將可能完成更多越障任務，可能完成以下內容：

①應用于救災。在地震，礦井事故及火災中，小巧體型的機器人可以進入一些人不能進入的地方，及時為傷員輸送簡單的補給品。也可在地震中搜尋被掩埋的人。

②用于野外科學探索。隨著科技的日新月異，科學探索的手段也在不斷變化。此機器人可用于墓葬發掘，古墓中往往因掩埋時間較長，其中的隨葬品等腐敗變質產生有毒氣體，這時可讓機器人先進入，檢測里面的空氣以及采集樣本等。