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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 百變行者
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 通過(guò)輪腿式載運(yùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，可以大大改善目前的裝備運(yùn)輸平臺(tái)不能滿(mǎn)足戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境日益復(fù)雜化對(duì)多適應(yīng)性作戰(zhàn)平臺(tái)的需求，提升我軍在多種復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的有效戰(zhàn)斗載荷，提升部隊(duì)綜合戰(zhàn)斗力；在民用方面，可以有效克服復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn)輸，探測(cè)等傳統(tǒng)性難題，為新一代智能化多適應(yīng)性機(jī)器人的開(kāi)發(fā)提供新的思考。
- 詳細(xì)介紹：
- 當(dāng)前我軍作戰(zhàn)樣式日趨多樣化，輪式載運(yùn)平臺(tái)無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境的矛盾日益突出，腿式載運(yùn)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性又無(wú)法滿(mǎn)足機(jī)動(dòng)性需求。在此背景下我們?cè)O(shè)計(jì)了該款基于輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)的多適應(yīng)性作戰(zhàn)平臺(tái)原型。在輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，平臺(tái)采用零力矩點(diǎn)（ZMP）理論行走控制算法進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，通過(guò)Matlab圖形化界面對(duì)平臺(tái)進(jìn)行有效控制，結(jié)合運(yùn)動(dòng)模態(tài)切換，使之對(duì)各類(lèi)環(huán)境具有全面的適應(yīng)性。作為該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了輪式模態(tài)的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向，腿式模態(tài)的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向，輪式、腿式模態(tài)轉(zhuǎn)換以及一定環(huán)境下的越障等功能。 此原型經(jīng)過(guò)改造和升級(jí)可以搭載檢測(cè)和武器裝置，成為真正意義上的多適應(yīng)性載運(yùn)平臺(tái)，技術(shù)成熟之后，將成為軍民兩用的典范。例如，野戰(zhàn)環(huán)境中，無(wú)論是平坦大路還是連綿丘陵，平臺(tái)都可以滿(mǎn)足作戰(zhàn)需求，大型化可以作為多功能載運(yùn)平臺(tái)，小型化可以作為無(wú)人探測(cè)武器。搭載救護(hù)設(shè)備后，可以作為救援運(yùn)輸機(jī)器人，廣泛運(yùn)用于復(fù)雜環(huán)境下的搜救工作等。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 一、基本思路 1、問(wèn)題提出 當(dāng)前地面平臺(tái)多采用輪式，這與輪式平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、速度快等特點(diǎn)分不開(kāi)，但輪式平臺(tái)也存在對(duì)路面要求較高，越障能力較弱的突出缺點(diǎn)。 2、問(wèn)題解決 （1）我們提出了一種新型的輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)。 （2）使用零力矩點(diǎn)軌跡規(guī)劃的步態(tài)控制方法。 （3）我們將實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)模態(tài)的無(wú)擾切換，適應(yīng)不同的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。 二、創(chuàng)新點(diǎn) 本作品的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括： 1、新型輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 2、實(shí)現(xiàn)輪式、腿式和輪腿混合式的運(yùn)動(dòng)模態(tài)，滿(mǎn)足對(duì)多適應(yīng)性載運(yùn)平臺(tái)的需求。 3、針對(duì)不同環(huán)境實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)擾的運(yùn)動(dòng)模態(tài)切換。采取常規(guī)機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)的完全混合運(yùn)動(dòng)模態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)四肢的輪腿結(jié)構(gòu)的任意組合。 三、技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)和主要技術(shù)指標(biāo) 1、四足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃技術(shù)與四足協(xié)調(diào)控制技術(shù) 2、無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，圖像無(wú)線(xiàn)采集 3、智能舵機(jī)控制的學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā) 4、創(chuàng)造性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真 5、場(chǎng)景構(gòu)建與路徑規(guī)劃 四、技術(shù)指標(biāo) 輪式運(yùn)動(dòng)模態(tài)的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、原地轉(zhuǎn)向；腿式運(yùn)動(dòng)模態(tài)的前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)向、障礙穿越；混合運(yùn)動(dòng)模態(tài)的展示等。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 一、針對(duì)輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì) 我們提出了一種新型的輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)，平臺(tái)中車(chē)輪位于小腿中部，這樣利用腿式機(jī)構(gòu)的可折疊性，在輪式運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，腿部機(jī)構(gòu)和車(chē)體連接為一體，而當(dāng)采用四足步行移動(dòng)方式時(shí)，車(chē)輪又作為腿部機(jī)構(gòu)的一部分，兩種模態(tài)相互之間不發(fā)生干擾，充分發(fā)揮輪式移動(dòng)和腿式移動(dòng)方式各自的優(yōu)點(diǎn)，避免各自的缺點(diǎn)。模態(tài)之間的切換是利用腿部機(jī)構(gòu)的彎曲運(yùn)動(dòng)，避免了另外設(shè)計(jì)專(zhuān)用的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，減少了轉(zhuǎn)換時(shí)間。 二、針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和步態(tài)規(guī)劃 使用零力矩點(diǎn)軌跡規(guī)劃的步態(tài)控制方法。該方法由于有效地使用了基于模型的步態(tài)控制方法，降低了采用動(dòng)力學(xué)規(guī)劃方法的計(jì)算復(fù)雜度，滿(mǎn)足了算法實(shí)時(shí)性的要求。 三、針對(duì)多模態(tài)切換控制問(wèn)題 模態(tài)切換在初期采用有線(xiàn)控制器，到達(dá)指定位置后，采用手動(dòng)下達(dá)切換指令，實(shí)現(xiàn)模態(tài)的切換。到后期技術(shù)成熟，我們可以采用組件中的Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊嘗試實(shí)現(xiàn)模態(tài)的無(wú)線(xiàn)遙控,并嘗試加載傳感裝置通過(guò)模式識(shí)別來(lái)區(qū)分結(jié)構(gòu)化環(huán)境和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模態(tài)的自動(dòng)切換。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011年5月6-8日，在第九屆湖南省“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中獲得省一等獎(jiǎng)。 2011年6月，在我校第十屆“創(chuàng)新杯”競(jìng)賽中獲得二等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 已經(jīng)完成第三版作品制作，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 具有圖片、視頻、實(shí)物，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示。
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 一、技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì) 1）提出和實(shí)現(xiàn)了新式的輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)。 2）基于零力矩點(diǎn)算法的步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基本實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的穩(wěn)定控制。 3）無(wú)擾的模態(tài)切換，使平臺(tái)能夠滿(mǎn)足多功能作戰(zhàn)平臺(tái)的需求。 二、推廣前景及市場(chǎng)分析 該多適應(yīng)性載運(yùn)平臺(tái)原經(jīng)過(guò)改造和升級(jí)不僅可以搭載更多的檢測(cè)和武器裝置，實(shí)現(xiàn)其真正意義上的多適應(yīng)性多功能載運(yùn)平臺(tái)功能。極大滿(mǎn)足日趨復(fù)雜化的戰(zhàn)場(chǎng)和搜救環(huán)境對(duì)多功能載運(yùn)平臺(tái)的需求。例如，野戰(zhàn)環(huán)境中，目前的作戰(zhàn)平臺(tái)只能在結(jié)構(gòu)化環(huán)境下才能提供有效的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)支撐，而我們的多適應(yīng)性作戰(zhàn)平臺(tái)升級(jí)后能夠在不同的環(huán)境下自由切換運(yùn)動(dòng)模態(tài)，無(wú)論是平坦大路還是連綿丘陵都可以滿(mǎn)足作戰(zhàn)需求。除此之外，在搭載探測(cè)和必要的救護(hù)設(shè)備后，亦可以作為救援運(yùn)輸機(jī)器人，廣泛運(yùn)用于復(fù)雜環(huán)境的搜救工作。 綜上所述，該作品經(jīng)過(guò)升級(jí)后可以廣泛應(yīng)用于軍事和日常生產(chǎn)生活中，具有成本低、效率高、易操作等優(yōu)點(diǎn)。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 一、國(guó)外同類(lèi)課題研究水平概述 近年來(lái)美國(guó)研制的Bigdog是腿式地面平臺(tái)的典范之作，其精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、卓越的控制性能、超強(qiáng)的負(fù)載能力展現(xiàn)出廣闊的軍事應(yīng)用前景。履帶式移動(dòng)系統(tǒng)具有較好的越野能力，結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)載荷小，適用于多種地形，尤其是松軟易沉陷環(huán)境，但過(guò)高的自重以及由此導(dǎo)致的高能耗限制了它的推廣應(yīng)用。 輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)地面無(wú)人平臺(tái)的基本思想是地面無(wú)人平臺(tái)的移動(dòng)系統(tǒng)由輪式與腿式兩套獨(dú)立的移動(dòng)子系統(tǒng)構(gòu)成，其中輪式移動(dòng)子系統(tǒng)以現(xiàn)有汽車(chē)的輪式移動(dòng)系統(tǒng)為原型，腿式移動(dòng)子系統(tǒng)以新型的模式化機(jī)器人舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 二、國(guó)內(nèi)同類(lèi)課題研究水平概述 我國(guó)四足移動(dòng)機(jī)器人的研究從80年代開(kāi)始，也取得了一系列的成果，積累了一定的研究經(jīng)驗(yàn)，研制成功一批四足機(jī)器人樣機(jī)。吉林工業(yè)大學(xué)從2O世紀(jì)7O年代開(kāi)始，由陳秉聰教授和莊繼德教授分別帶領(lǐng)兩個(gè)研究小組，開(kāi)始進(jìn)行非常規(guī)行走機(jī)構(gòu)的研究。1985年，陸懷民博士研制出一臺(tái)具有兩條平行四邊形腿的步行機(jī)耕船試驗(yàn)臺(tái)車(chē)，在土槽試驗(yàn)中表現(xiàn)出較高的牽引效率，主要用于無(wú)硬底層的水田耕作。1991年，上海交通大學(xué)馬培蓀等研制出JTUWM 系列四足步行機(jī)器人JTUMM—III。另外，1989年，北京航空航天大學(xué)在張啟先教授的指導(dǎo)下，孫漢旭博士進(jìn)行了剛性足步行機(jī)的研究，試制成功了一臺(tái)四足步行機(jī)，并進(jìn)行了步行實(shí)驗(yàn)。清華大學(xué)機(jī)器人及智能自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室正在研制QW-1四足全方位步行機(jī)器人。輪腿混合式移動(dòng)系統(tǒng)兼有輪式和腿式移動(dòng)系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多年研究和發(fā)展，已經(jīng)研制出多種結(jié)構(gòu)形式，從結(jié)構(gòu)和功能上大體上可以分為兩類(lèi)： 第一類(lèi)從結(jié)構(gòu)上來(lái)看就是將“輪”安裝在“腿”的末端，功能上既能夠以單一方式移動(dòng)，又可以?xún)煞N移動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)發(fā)揮作用，以混合方式移動(dòng)。 第二類(lèi)從結(jié)構(gòu)上來(lái)看“輪”和“腿”完全分離，移動(dòng)中兩者或同時(shí)發(fā)揮作用以混合式移動(dòng)，或采用單一方式移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮輪式承載能力大的特點(diǎn)，載荷主要由輪式機(jī)構(gòu)承受，腿式機(jī)構(gòu)增大了路面附著力，可用于越障。
