1、可变形全方位移动机构可变形全方位移动机构学校学校:上海交通大学第二附属中学上海交通大学第二附属中学作者作者:赵一阳赵一阳辅导老师辅导老师:汪迪玲汪迪玲 、金钊、金钊 、李培波、李培波 自我介绍闵行区青少年科学研究院成员闵行区青少年科学研究院成员 1、获、获2008年年Robocup青少年世界杯中国赛区上海地区选青少年世界杯中国赛区上海地区选拔赛拔赛“机器人舞蹈项目机器人舞蹈项目”中学组中学组 亚军；亚军；2、获、获2007年年 上海闵行区上海闵行区“莘格杯莘格杯”未来工程师大赛未来工程师大赛“陆陆地机器人创意设计地机器人创意设计(中学中学)”二等奖二等奖;3、获、获2008闵行区闵行区“卡西欧
2、杯卡西欧杯”多媒休作品设计与创作大多媒休作品设计与创作大赛三等奖；赛三等奖；4、获、获2008上海闵行区上海闵行区“田园杯田园杯”高一物理基础知识大赛高一物理基础知识大赛(一般高中组一般高中组)二等奖。二等奖。课题来源课题来源 5、12汶川大地震救灾场景触发灵感汶川大地震救灾场景触发灵感 七十二小时黄金救援时间七十二小时黄金救援时间 时间就是生命时间就是生命课题来源课题来源(续续)l 提出一种提出一种“可变形全方位移动机构可变形全方位移动机构”l 结构简单、运动灵活、可通过狭窄空间；结构简单、运动灵活、可通过狭窄空间；l 采用四个独立驱动的全方位轮作为移动载体，设计有四采用四个独立驱动的全方位
3、轮作为移动载体，设计有四个关节可以变换出各种形状个关节可以变换出各种形状课题实施过程课题实施过程课题选题课题选题方案设计，选定外购方案设计，选定外购件件初步设计整体结构初步设计整体结构自制零件设计与加工自制零件设计与加工组装，接线组装，接线软件分段设计，调试软件分段设计，调试课题总结，提炼研究课题总结，提炼研究报告报告结构 四个关节四个关节,舵机驱动舵机驱动 四个独立驱动的全方位轮四个独立驱动的全方位轮 全方位轮采用连续切换轮全方位轮采用连续切换轮结构(续)(关节和全方位关节和全方位轮处结构轮处结构)(可变形全方位移动机构三维模型可变形全方位移动机构三维模型)工作原理“可变形全方位移动机构可变
4、形全方位移动机构”的运动原理的运动原理图图每个轮子速度是由电机控制的绕轴心转每个轮子速度是由电机控制的绕轴心转动速度动速度Vz和不可控的侧移速度和不可控的侧移速度Vq组成组成舵机用来控制关节转动角度，使机构变舵机用来控制关节转动角度，使机构变形形机构整体速度可以看成是平动和转动的机构整体速度可以看成是平动和转动的合成。由于机构看作刚体，所以机构上合成。由于机构看作刚体，所以机构上每一处（包括轮子处）具有和机构整体每一处（包括轮子处）具有和机构整体一致的运动状态。一致的运动状态。所以四个轮子处都具有V（VX，Vy）的运动速度。由全方位轮的运动特性可知，每个轮子具有可控的轴向运动速度Vz和不可控的
5、侧移速度Vq组成，所以（VX，Vy）和（Vz，Vq）在X-Y坐标轴上的投影值相等。假设“可变形全方位移动机构”当前的方位角为，则可以得到轮子1如下公式:可以得到轮子的控制速度Vz，控制四个轮子按照以此得到的控制速度旋转可实现设定方向的指定运动工作原理（续）部分演示动部分演示动作作 相关电机相关电机/关关节的控制节的控制（a）直行）直行（b）横）横向移动向移动（c）原地）原地旋转旋转电源与控制系统控制器采用控制器采用VEX控制驱动器，它搭载两片控制驱动器，它搭载两片Microchip PIC 18F8520处理器，每秒处理处理器，每秒处理千万条指令，集成千万条指令，集成32K代码存储空间。拥有代
6、码存储空间。拥有8个电机接口，个电机接口，6个中断接口，个中断接口，16个数字个数字/模模拟信号接口，可同时使用两个拟信号接口，可同时使用两个RX接口，拥有遥控、程控、线控多种控制方式。电机接口，拥有遥控、程控、线控多种控制方式。电机和舵机直接接到控制器的电机接口。系统电源采用和舵机直接接到控制器的电机接口。系统电源采用9.6V镍镉充电电池。镍镉充电电池。软件设计“可变性全方位移动机可变性全方位移动机构构”的软件在的软件在EasyC_V2软件开发环软件开发环境下编制（图境下编制（图16为其编为其编程界面），编译通过后程界面），编译通过后通过通过Prolific USB-to-Serial编程电
7、缆下载到编程电缆下载到控制器当中控制器当中。软件设计（续）#include“Main.h”/主程序Void main(void)/控制舵机2和7偏转90度Setservo(2,255);Setservo(7,30);/等待3.5秒Wait(3500)/控制机构正向横移Setmotor(1,160);Setmotor(8,160);/等待1秒Wait(1000);/机构反向横移setmotor(1,94);setmotor(8,94);/等待2秒Wait(2000);/机构正向横移setmotor(1,160);setmotor(8,160);/等待1秒Wait(1000);/电机停止转动set
8、motor(1,127);setmotor(8,127);/等待2秒Wait(1000);/四个全方位轮呈直线分布Setservo(2,115);Setservo(7,185);/机构原地转动setmotor(1,170);setmotor(3,170);setmotor(6,170);setmotor(8,170);wait(4000);/反向转动setmotor(1,84);setmotor(3,84);setmotor(6,84);setmotor(8,84);wait(4000);/电机停止转动setmotor(1,127);setmotor(3,127);setmotor(6,127
9、);setmotor(8,127);问题分析与解决问题分析与解决I.全方位轮与地面的接触不一致全方位轮与地面的接触不一致原因原因:1)外购件不是工业用途外购件不是工业用途,精度不高精度不高 2)自制零件为板金折弯自制零件为板金折弯,加工精度不高加工精度不高解决方式解决方式:在关节连接处加垫片在关节连接处加垫片,调整高度调整高度,使四个轮子同时着地使四个轮子同时着地问题分析与解决（续）问题分析与解决（续）II.舵机的零位与设想零位不一致；舵机的零位与设想零位不一致；解决办法解决办法:软件补偿软件补偿:先使关节复零，然后通过补偿每个关节上先使关节复零，然后通过补偿每个关节上舵机的角度使四个轮子的轴
10、心在一条直线上舵机的角度使四个轮子的轴心在一条直线上问题分析与解决（续）问题分析与解决（续）III.舵机反转力矩不足以及传动环节存在过大间隙导致整个舵机反转力矩不足以及传动环节存在过大间隙导致整个机构无法保持预定形状；机构无法保持预定形状；问题分析问题分析:1)这是由于所选电机这是由于所选电机/舵机本身特性决定的舵机本身特性决定的 2)传动间隙的存在导致机构整体形状无法保持传动间隙的存在导致机构整体形状无法保持,即即,整个机构在运动过程中不能视为刚体整个机构在运动过程中不能视为刚体,导致设定的运动导致设定的运动在给定的控制条件下无法实现在给定的控制条件下无法实现问题分析与解决（续）问题分析与解
11、决（续）调试过程中发现四个轮子无法在同一直线上作横向移动调试过程中发现四个轮子无法在同一直线上作横向移动原因分析原因分析:根据机构的工作原理，当四个轮子在一条直线上时根据机构的工作原理，当四个轮子在一条直线上时四个轮子的可控轴向速度与轴线垂直，无法合成。四个轮子的可控轴向速度与轴线垂直，无法合成。解决办法解决办法:至少改变两个关节的角度。至少改变两个关节的角度。学到的知识 对运动与力合成知识有了更深刻的理解。对运动与力合成知识有了更深刻的理解。更加理解了正压力与摩擦力之间的关系。更加理解了正压力与摩擦力之间的关系。试验中发现，有的电机会发生打滑或空转现象，这试验中发现，有的电机会发生打滑或空转
12、现象，这主要是由于轮子不在同一平面或地面不平所造成的，实验主要是由于轮子不在同一平面或地面不平所造成的，实验时必须现将四个轮子调整到同一平面，否则会造成运动不时必须现将四个轮子调整到同一平面，否则会造成运动不平稳的现象发生。平稳的现象发生。总结总结“可变形全方位移动机构可变形全方位移动机构”具有以下特点：具有以下特点：可变形以及可以平面范围内全方位移动；可变形以及可以平面范围内全方位移动；结构简单，便于编程与控制；结构简单，便于编程与控制；适应于狭窄空间移动与作业；适应于狭窄空间移动与作业；展望展望 如果将驱动器与控制器集成并使其外形尺寸小于如果将驱动器与控制器集成并使其外形尺寸小于全方位轮子的直径以及增加关节自由度的话，则该机全方位轮子的直径以及增加关节自由度的话，则该机构即使翻滚与倾倒后仍然可以正常工作，而其他机构构即使翻滚与倾倒后仍然可以正常工作，而其他机构要实现上述功能的话机构会非常复杂。该特性是本机要实现上述功能的话机构会非常复杂。该特性是本机构的重要特性，也决定了它有广阔的应用领域构的重要特性，也决定了它有广阔的应用领域
