越障機(jī)器人的設(shè)想及初步設(shè)計(jì)

昆明市第三中學(xué) 陳旭峰 祁銳 楊皓冉

主要內(nèi)容：

在現(xiàn)代生活中災(zāi)難突發(fā)頻率增高，科學(xué)探究進(jìn)入更深層次，在很多地方，人難以到達(dá)，所以我們就想設(shè)計(jì)一種能夠跨越障礙物的小型搜索定位，深入探索的機(jī)器人。

首先，我們?cè)O(shè)想完成了一個(gè)能夠爬上樓的機(jī)器人，該機(jī)器人可以是：仿生機(jī)器人，即學(xué)習(xí)爬行動(dòng)物四肢著地爬上去，但實(shí)踐之后很難由目前器材完成。之后又設(shè)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(jìn)行結(jié)構(gòu)搭建。爬行動(dòng)物四肢機(jī)器人結(jié)構(gòu)是齒輪和連桿復(fù)雜機(jī)械的機(jī)械結(jié)構(gòu)，多點(diǎn)著地支撐；像人一樣雙腿行走，也用齒輪連桿結(jié)構(gòu)，但僅為兩點(diǎn)支撐，結(jié)構(gòu)重心在行動(dòng)中會(huì)發(fā)生改變，更難以實(shí)現(xiàn)；履帶結(jié)構(gòu)由一個(gè)面著地重心比較低能更加穩(wěn)定地行動(dòng)，由此我們選擇以履帶為支撐結(jié)構(gòu)。

第一次：由固定三角態(tài)軀體為基礎(chǔ)搭建。其中以兩條履帶的端點(diǎn)接地，中間固定不會(huì)彎曲，在實(shí)驗(yàn)中只能夠爬上一段。

第二次：將其中一部分改為活動(dòng)彎曲的。在搭建中將它分為三段，每段一個(gè)動(dòng)力分開運(yùn)行。在完成搭建之后，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在后兩段被樓梯卡在中間。經(jīng)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(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，我們的機(jī)器人基本完成，實(shí)現(xiàn)了爬上地面摩擦大的樓梯。在光滑地面上難以實(shí)現(xiàn)，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(qiáng)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(jī)等。

運(yùn)用的科學(xué)原理：

針對(duì)關(guān)節(jié)履帶機(jī)器人爬樓梯的問題，嘗試制作一個(gè)模型來進(jìn)行具體的研究和探索，對(duì)以后制造跨越障礙機(jī)器人積累經(jīng)驗(yàn)。通過對(duì)機(jī)器人爬樓梯的分析，考慮機(jī)器人的重心，姿態(tài)的變化，驅(qū)動(dòng)輪和樓梯棱角對(duì)履帶的作用。機(jī)器人在爬樓梯時(shí)根據(jù)杠桿原理，可將機(jī)器人的頭部自然向下壓，并使其與地面接觸，之后靠驅(qū)動(dòng)輪對(duì)履帶的帶動(dòng)，履帶與地面之間產(chǎn)生摩擦，靠機(jī)器人的前半部分和后半部分的配合，使機(jī)器人在前半部拉，后半部推的情況下成功爬上樓梯。機(jī)器人的各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪依靠樂高NXT供電和控制，伺服電機(jī)提供動(dòng)力。

創(chuàng)新點(diǎn)：

①體積小巧，可進(jìn)入一些狹窄通道，執(zhí)行一些人不能完成的任務(wù)。

②應(yīng)用范圍廣泛，可應(yīng)用于災(zāi)難搜索，野外科學(xué)探索，幫助殘障人士等。

應(yīng)用價(jià)值：

在更深一步的研究設(shè)計(jì)后將可能完成更多越障任務(wù)，可能完成以下內(nèi)容：

①應(yīng)用于救災(zāi)。在地震，礦井事故及火災(zāi)中，小巧體型的機(jī)器人可以進(jìn)入一些人不能進(jìn)入的地方，及時(shí)為傷員輸送簡(jiǎn)單的補(bǔ)給品。也可在地震中搜尋被掩埋的人。

②用于野外科學(xué)探索。隨著科技的日新月異，科學(xué)探索的手段也在不斷變化。此機(jī)器人可用于墓葬發(fā)掘，古墓中往往因掩埋時(shí)間較長(zhǎng)，其中的隨葬品等腐敗變質(zhì)產(chǎn)生有毒氣體，這時(shí)可讓機(jī)器人先進(jìn)入，檢測(cè)里面的空氣以及采集樣本等。