基本信息
- 项目名称：
- 基于风滚草仿生的被动驱动型星球探测机器人（II代）
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 模仿风滚草的形态及运动机理，设计了一种被动驱动球形机器人，用于星球探测或极地勘探。由钢丝制作的球形骨架和附着于骨架的多组气囊组成。气囊由气泵通过电磁阀充气，调节气囊充气状态实现迎风面大小和角度的调节，依靠风力驱动，初步实现滚动、调速、爬坡等功能。样机可以整体收缩，便于发射。在探测阶段的停止状态下，样机内部的太阳能电池板伸出球体外部接受光照，为控制系统提供电能。节能环保，成本低，应用前景广阔。
- 详细介绍：
- 模仿风滚草（北美沙漠中的一种随风滚动的植物）的形态结构及运动机理，设计了一种被动驱动球形机器人，旨在用于星球或极端环境的探测任务。该机器人由一根中轴和若干球形龙骨构成骨架，骨架上附着一组可充放气的气囊。 气泵通过电磁阀为气囊充气，控制气泵和电磁阀，改变气囊充气状态，改变一定风力下机器人迎风面的大小和角度，实现滚动、调速、爬坡和转向等运动功能。 采用两段式中轴，通过中轴收缩，实现球体折叠缩放，便于运载和发射。 内部安装太阳能帆板在机器人停止时伸出球体外部接受光照，为控制系统供给能源，减少自身能源携带。 内部的传感器可以在机器人运动过程中进行探测，为人类提供可靠的探测信息。 仿真实验表明：机器人在接近五级风力的驱动下，最大速度1.81m/s，球体收缩比例达到39.9%。可伸缩的球形探测机器人可以在复杂环境下进行探测，具有节约能源，成本低，运动能力强等特点，有广阔的应用前景。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、设计目的 1、模仿风滚草的原理设计风力驱动的球形滚动机器人，用于星球探测或极地探测； 2、通过多组受力单元实现迎风面大小和角度调整，实现机器人在风力不变条件下的加减速，急停和转向等； 3、设计整个样机的收缩，便于机器人搭载和发射； 4、解决控制系统的能源供给，减少自身能源携带。 二、设计方案 1、深入了解风滚草的被动驱动原理，模仿风滚草的结构，用轻质高强度的钢丝制成球形骨架，作为机器人的枝干构型，用可充气的多组气囊附着于骨架上，充气膨胀后作为机器人的叶冠，承受风力； 2、内部设置的气泵通过电磁阀为气囊充气，通过气囊的不同膨胀程度，改变机器人承受风力的大小和方向，实现机器人的加减速和转向； 3、借鉴宫灯的构造，设计可收缩机器人骨架； 4、加入可伸缩太阳能电池板，为控制系统供能。 三、创新点 风滚草机器人是一种植物仿生机器人，利用风力实现被动驱动功能，绿色环保，并能实现收缩，便于运载和发射。 四、技术关键 1、多气囊结构实现迎风面可调，进而实现机器人的加减速和转向等； 2、借鉴宫灯收缩方式，设计可调中轴，通过改变中轴长度和骨架经线弧度，将样机收缩； 3、太阳能电池板在机器人滚动时收缩于球体内部，机器人停止时，电池板伸出接受光照，提供电能。
科学性、先进性
- 鉴于星球、极地的极端环境，机器人成为承担这一战略任务的重要工具。像美国的“勇气号”和“机遇号”那样的轮式机器人或像Titan那样的足式机器人，机械本体结构复杂，相对比较笨重，执行任务时的能源供给是个大问题，且轮式和足式运动速度较低、漫游范围有限。相对于轮式和足式机器人，滚动机器人具有更大的机动性和稳定性，且结构简单、能耗低，在极端环境中的活动范围很大，适合环境探测任务。 目前国外研制的几款风滚草机器人都是单一球体，机器人随风而走，运行路线完全听从风的摆布，因此风滚草机器人的运动控制问题必须解决。 本设计模仿风滚草的形态结构，提出了一种球形骨架多充气单元新型滚动机器人机构，采用轻质高强度金属丝弯曲形成球形骨架，每一根龙骨上附着的每一个单元可单独充放气。机器人采用风力被动驱动，通过控制充气单元充气程度，调节迎风面积和迎风面角度，来改变机器人运动速度和方向，从而对机器人运动进行有效控制。并且机器人能实现收缩便于运载和发射，降低成本，自带的太阳能电池板供电，减小了自身能源携带，节能环保。
获奖情况及鉴定结果
- 1、2010年IEEE智能计算技术与自动化国际会议上发表题目为《A Tumbleweed-mimicing Wind-Driven Rover for Planetary Exploration》的论文一篇； 2、在2011第四届IEEE计算机科学与信息技术国际会议上(ICCSIT、EI）发表题目为《A Deformable Spherical Planet Exploration Robot》的论文一篇，已收到录用通知； 3、2011年03月07日，申请题目为可缩放的基于风滚草仿生的被动驱动型探测机器人的国家发明专利，专利申请号为201110053045.1，目前已经收到专利申请受理通知书。
作品所处阶段
- 实验室阶段，样机制作完毕，能实现样机收缩、太阳能电池供电及伸缩。
技术转让方式
- 专利，工程图等
作品可展示的形式
- 实物、图纸、现场演示、图片以及录像等。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、使用说明： 1、发射阶段，样机收缩，便于运载；着陆后恢复球体状态，便于滚动； 2、探测阶段，风力驱动实现滚动，控制电磁阀及气泵的运行，调整气囊充气状态，改变机器人的迎风面的大小和角度，实现加减速、急停、越障等； 3、急停状态下，太阳能电池板伸到球体外部接受光照，为控制系统供电。 二、技术特点和优势： 1、风力驱动属于被动驱动，机器人本身不携带驱动装置，减轻了设备重量； 2、仿生学思想，以风滚草为原型设计，适应恶劣环境； 3、样机收缩降低发射难度； 4、太阳能电池板为控制系统供电，降低了自身能源的携带。 三、适用范围及推广前景： 适用范围是有大气并且重力加速度达到一定值的环境，可应用于星球、极地、甚至海洋探测。 风滚草机器人是一种植物仿生机器人，利用风力实现被动驱动功能，绿色环保，在星球探索和极端环境中具有应用前景，研究工作具有较高的科技含量。 四、市场分析和经济效益预测： 探测器的制作和发射成本低，可以大量发射，实现星球漫游；不必回收，经济效益可观。
同类课题研究水平概述
- 风力驱动的滚动机器人与重力矩驱动的滚动机器人以及足式、轮式机器人相比，具有如下优势： 1、风力驱动属于被动驱动，机器人本身不携带驱动装置，减轻了整个设备的重量，运动速度更快； 2、风力驱动解决了极端环境探测的能源问题，风力可以做为直接驱动力，而太阳能需要进行光电转换； 3、造价低廉、发射成本低，可以大量使用，不必回收。 2003年，美国国家宇航局喷气推进实验室研制出了“Tumbleweed Rover” 极地探测器,Tumbleweed Rover近似一个圆球，直径1.83米，重量大约40公斤，内部装载着多种天文探测仪器。在沙漠中进行运动实验证明，Tumbleweed Rover的平均移动速度可以达到每小时1.3公里，能翻越高度1.5米的障碍物，爬上25度的陡坡。 北卡罗来纳大学的研究人员详细研究了“风滚草”的滚动机理和结构，将研究数据用于风力火星车TED的研制计划。TED将被设计成一种能适应着陆条件的火星车，借助于风力滚动，足够大的直径使它能逾越各种障碍物，因此复杂的地形并不会妨碍它的滚动，火星车携带采集大气和土壤试样的工具、摄像机和其他研究仪器。 但是，目前国外研制的几款风滚草机器人存在以下问题： 1、机器人都是单一球体，迎风面不可调，机器人运行路线完全听从风的摆布，很难控制运动速度和方向； 2、体积大，无法折叠或者收缩，不便于发射。 要让风滚草机器人真正派上用场，必须解决运动控制问题，实现对机器人运动速度和方向的调节，针对上述问题，提出本课题予以解决。 模仿风滚草的形态结构，提出一种球形骨架多充气单元新型滚动机器人机构方案，采用轻质高强度金属丝弯曲形成球形骨架，每一根龙骨上附着梭形可膨胀充气单元，每一个单元可单独充放气。机器人采用风力被动驱动，通过控制充气单元充气程度，调节迎风面积，来改变机器人运动速度；模仿风帆控制原理，以不同的充气单元构成迎风面，调节迎风面与风的夹角，来改变机器人运动方向，从而实现对机器人运动的有效控制。并且整个样机采用可收缩机构，在发射时将样机收缩为椭球形，减小发射成本，机器人运动时恢复到球形，样机中设置太阳电池板可伸缩机构，可以通过转化太阳能为控制机构供电，解决控制系统的能源供给问题。
