可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)閔行區(qū)青少年活動(dòng)中心課件

可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)學(xué)校:上海交通大學(xué)第二附屬中學(xué)作者:趙一陽輔導(dǎo)老師:汪迪玲、金釗、李培波

可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)學(xué)校:上海交通大學(xué)第二附屬中自我介紹－－－閔行區(qū)青少年科學(xué)研究院成員1、獲2008年Robocup青少年世界杯中國賽區(qū)上海地區(qū)選拔賽“機(jī)器人舞蹈項(xiàng)目”中學(xué)組亞軍；2、獲2007年上海閔行區(qū)“莘格杯”未來工程師大賽“陸地機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計(jì)(中學(xué))”二等獎(jiǎng);3、獲2008閔行區(qū)“卡西歐杯”多媒休作品設(shè)計(jì)與創(chuàng)作大賽三等獎(jiǎng)；4、獲2008上海閔行區(qū)“田園杯”高一物理基礎(chǔ)知識(shí)大賽(一般高中組)二等獎(jiǎng)。

自我介紹－－－閔行區(qū)青少年科學(xué)研究院成員課題來源5、12汶川大地震救災(zāi)場(chǎng)景觸發(fā)靈感七十二小時(shí)黃金救援時(shí)間時(shí)間就是生命課題來源5、12汶川大地震救災(zāi)場(chǎng)景觸發(fā)靈感課題來源(續(xù))提出一種“可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)”結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)靈活、可通過狹窄空間；采用四個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的全方位輪作為移動(dòng)載體，設(shè)計(jì)有四個(gè)關(guān)節(jié)可以變換出各種形狀課題來源(續(xù))課題實(shí)施過程課題選題方案設(shè)計(jì)，選定外購件初步設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)自制零件設(shè)計(jì)與加工組裝，接線軟件分段設(shè)計(jì)，調(diào)試課題總結(jié)，提煉研究報(bào)告課題實(shí)施過程課題選題結(jié)構(gòu)四個(gè)關(guān)節(jié),舵機(jī)驅(qū)動(dòng)四個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的全方位輪全方位輪采用連續(xù)切換輪結(jié)構(gòu)四個(gè)關(guān)節(jié),舵機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)(續(xù))(關(guān)節(jié)和全方位輪處結(jié)構(gòu))(可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型)結(jié)構(gòu)(續(xù))(關(guān)節(jié)和全方位輪處結(jié)構(gòu))(可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)三工作原理“可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)”的運(yùn)動(dòng)原理圖每個(gè)輪子速度是由電機(jī)控制的繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)速度Vz和不可控的側(cè)移速度Vq組成舵機(jī)用來控制關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，使機(jī)構(gòu)變形機(jī)構(gòu)整體速度可以看成是平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的合成。由于機(jī)構(gòu)看作剛體，所以機(jī)構(gòu)上每一處（包括輪子處）具有和機(jī)構(gòu)整體一致的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。所以四個(gè)輪子處都具有V（VX，Vy）的運(yùn)動(dòng)速度。由全方位輪的運(yùn)動(dòng)特性可知，每個(gè)輪子具有可控的軸向運(yùn)動(dòng)速度Vz和不可控的側(cè)移速度Vq組成，所以（VX，Vy）和（Vz，Vq）在X-Y坐標(biāo)軸上的投影值相等。假設(shè)“可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)”當(dāng)前的方位角為φ，則可以得到輪子1如下公式:可以得到輪子的控制速度Vz，控制四個(gè)輪子按照以此得到的控制速度旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)設(shè)定方向的指定運(yùn)動(dòng)工作原理“可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)”的運(yùn)動(dòng)原理圖所以四個(gè)輪子處都工作原理（續(xù)）部分演示動(dòng)作相關(guān)電機(jī)/關(guān)節(jié)的控制（a）直行（b）橫向移動(dòng)（c）原地旋轉(zhuǎn)工作原理（續(xù)）部分演示動(dòng)作（a）直行（b）橫向移動(dòng)（c）原地電源與控制系統(tǒng)控制器采用VEX控制驅(qū)動(dòng)器，它搭載兩片MicrochipPIC18F8520處理器，每秒處理千萬條指令，集成32K代碼存儲(chǔ)空間。擁有8個(gè)電機(jī)接口，6個(gè)中斷接口，16個(gè)數(shù)字/模擬信號(hào)接口，可同時(shí)使用兩個(gè)RX接口，擁有遙控、程控、線控多種控制方式。電機(jī)和舵機(jī)直接接到控制器的電機(jī)接口。系統(tǒng)電源采用9.6V鎳鎘充電電池。電源與控制系統(tǒng)控制器采用VEX控制驅(qū)動(dòng)器，它搭載兩片Micr軟件設(shè)計(jì)“可變性全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)”的軟件在EasyC_V2軟件開發(fā)環(huán)境下編制（圖16為其編程界面），編譯通過后通過ProlificUSB-to-Serial編程電纜下載到控制器當(dāng)中。軟件設(shè)計(jì)“可變性全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)”的軟件在EasyC_V2軟件軟件設(shè)計(jì)（續(xù)）#include“Main.h”//主程序Voidmain(void){ //控制舵機(jī)2和7偏轉(zhuǎn)90度Setservo(2,255); Setservo(7,30); //等待3.5秒 Wait(3500) //控制機(jī)構(gòu)正向橫移 Setmotor(1,160); Setmotor(8,160); //等待1秒 Wait(1000); //機(jī)構(gòu)反向橫移setmotor(1,94); setmotor(8,94); //等待2秒 Wait(2000); //機(jī)構(gòu)正向橫移 setmotor(1,160); setmotor(8,160); //等待1秒 Wait(1000);

//電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng) setmotor(1,127); setmotor(8,127); //等待2秒 Wait(1000); //四個(gè)全方位輪呈直線分布 Setservo(2,115); Setservo(7,185); //機(jī)構(gòu)原地轉(zhuǎn)動(dòng) setmotor(1,170); setmotor(3,170); setmotor(6,170); setmotor(8,170); wait(4000); //反向轉(zhuǎn)動(dòng) setmotor(1,84); setmotor(3,84); setmotor(6,84); setmotor(8,84); wait(4000); //電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng) setmotor(1,127); setmotor(3,127); setmotor(6,127); setmotor(8,127);}軟件設(shè)計(jì)（續(xù)）#include“Main.h” //電機(jī)問題分析與解決全方位輪與地面的接觸不一致原因:1)外購件不是工業(yè)用途,精度不高 2)自制零件為板金折彎,加工精度不高解決方式:在關(guān)節(jié)連接處加墊片,調(diào)整高度,使四個(gè)輪子同時(shí)著地問題分析與解決全方位輪與地面的接觸不一致問題分析與解決（續(xù)）舵機(jī)的零位與設(shè)想零位不一致；解決辦法:軟件補(bǔ)償:先使關(guān)節(jié)復(fù)零，然后通過補(bǔ)償每個(gè)關(guān)節(jié)上舵機(jī)的角度使四個(gè)輪子的軸心在一條直線上

問題分析與解決（續(xù)）舵機(jī)的零位與設(shè)想零位不一致；問題分析與解決（續(xù)）舵機(jī)反轉(zhuǎn)力矩不足以及傳動(dòng)環(huán)節(jié)存在過大間隙導(dǎo)致整個(gè)機(jī)構(gòu)無法保持預(yù)定形狀；問題分析:1)這是由于所選電機(jī)/舵機(jī)本身特性決定的 2)傳動(dòng)間隙的存在導(dǎo)致機(jī)構(gòu)整體形狀無法保持,即,整個(gè)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中不能視為剛體,導(dǎo)致設(shè)定的運(yùn)動(dòng)在給定的控制條件下無法實(shí)現(xiàn)問題分析與解決（續(xù)）舵機(jī)反轉(zhuǎn)力矩不足以及傳動(dòng)環(huán)節(jié)存在過大間隙問題分析與解決（續(xù)）調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)四個(gè)輪子無法在同一直線上作橫向移動(dòng)原因分析:根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作原理，當(dāng)四個(gè)輪子在一條直線上時(shí)四個(gè)輪子的可控軸向速度與軸線垂直，無法合成。解決辦法:至少改變兩個(gè)關(guān)節(jié)的角度。問題分析與解決（續(xù)）調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)四個(gè)輪子無法在同一直線上作學(xué)到的知識(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)與力合成知識(shí)有了更深刻的理解。更加理解了正壓力與摩擦力之間的關(guān)系。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，有的電機(jī)會(huì)發(fā)生打滑或空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這主要是由于輪子不在同一平面或地面不平所造成的，實(shí)驗(yàn)時(shí)必須現(xiàn)將四個(gè)輪子調(diào)整到同一平面，否則會(huì)造成運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)的現(xiàn)象發(fā)生。學(xué)到的知識(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)與力合成知識(shí)有了更深刻的理解。總結(jié)“可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)”具有以下特點(diǎn)：可變形以及可以平面范圍內(nèi)全方位移動(dòng)；結(jié)構(gòu)簡單，便于編程與控制；適應(yīng)于狹窄空間移動(dòng)與作業(yè)；總結(jié)“可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)”具有以下特點(diǎn)：展望如果將驅(qū)動(dòng)器與控制器集成并使其外形尺寸小于全方位輪子的直徑以及增加關(guān)節(jié)自由度的話，則該機(jī)構(gòu)即使翻滾與傾倒后仍然可以正常工作，而其他機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)上述功能的話機(jī)構(gòu)會(huì)非常復(fù)雜。該特性是本機(jī)構(gòu)的重要特性，也決定了它有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域展望如果將驅(qū)動(dòng)器與控制器集成并使其外謝謝!請(qǐng)?jiān)u委老師批評(píng)指教謝謝!請(qǐng)?jiān)u委老師批評(píng)指教可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)學(xué)校:上海交通大學(xué)第二附屬中學(xué)作者:趙一陽輔導(dǎo)老師:汪迪玲、金釗、李培波

可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)學(xué)校:上海交通大學(xué)第二附屬中自我介紹－－－閔行區(qū)青少年科學(xué)研究院成員1、獲2008年Robocup青少年世界杯中國賽區(qū)上海地區(qū)選拔賽“機(jī)器人舞蹈項(xiàng)目”中學(xué)組亞軍；2、獲2007年上海閔行區(qū)“莘格杯”未來工程師大賽“陸地機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計(jì)(中學(xué))”二等獎(jiǎng);3、獲2008閔行區(qū)“卡西歐杯”多媒休作品設(shè)計(jì)與創(chuàng)作大賽三等獎(jiǎng)；4、獲2008上海閔行區(qū)“田園杯”高一物理基礎(chǔ)知識(shí)大賽(一般高中組)二等獎(jiǎng)。

自我介紹－－－閔行區(qū)青少年科學(xué)研究院成員課題來源5、12汶川大地震救災(zāi)場(chǎng)景觸發(fā)靈感七十二小時(shí)黃金救援時(shí)間時(shí)間就是生命課題來源5、12汶川大地震救災(zāi)場(chǎng)景觸發(fā)靈感課題來源(續(xù))提出一種“可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)”結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)靈活、可通過狹窄空間；采用四個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的全方位輪作為移動(dòng)載體，設(shè)計(jì)有四個(gè)關(guān)節(jié)可以變換出各種形狀課題來源(續(xù))課題實(shí)施過程課題選題方案設(shè)計(jì)，選定外購件初步設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)自制零件設(shè)計(jì)與加工組裝，接線軟件分段設(shè)計(jì)，調(diào)試課題總結(jié)，提煉研究報(bào)告課題實(shí)施過程課題選題結(jié)構(gòu)四個(gè)關(guān)節(jié),舵機(jī)驅(qū)動(dòng)四個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的全方位輪全方位輪采用連續(xù)切換輪結(jié)構(gòu)四個(gè)關(guān)節(jié),舵機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)(續(xù))(關(guān)節(jié)和全方位輪處結(jié)構(gòu))(可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型)結(jié)構(gòu)(續(xù))(關(guān)節(jié)和全方位輪處結(jié)構(gòu))(可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)三工作原理“可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)”的運(yùn)動(dòng)原理圖每個(gè)輪子速度是由電機(jī)控制的繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)速度Vz和不可控的側(cè)移速度Vq組成舵機(jī)用來控制關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，使機(jī)構(gòu)變形機(jī)構(gòu)整體速度可以看成是平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的合成。由于機(jī)構(gòu)看作剛體，所以機(jī)構(gòu)上每一處（包括輪子處）具有和機(jī)構(gòu)整體一致的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。所以四個(gè)輪子處都具有V（VX，Vy）的運(yùn)動(dòng)速度。由全方位輪的運(yùn)動(dòng)特性可知，每個(gè)輪子具有可控的軸向運(yùn)動(dòng)速度Vz和不可控的側(cè)移速度Vq組成，所以（VX，Vy）和（Vz，Vq）在X-Y坐標(biāo)軸上的投影值相等。假設(shè)“可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)”當(dāng)前的方位角為φ，則可以得到輪子1如下公式:可以得到輪子的控制速度Vz，控制四個(gè)輪子按照以此得到的控制速度旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)設(shè)定方向的指定運(yùn)動(dòng)工作原理“可變形全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)”的運(yùn)動(dòng)原理圖所以四個(gè)輪子處都工作原理（續(xù)）部分演示動(dòng)作相關(guān)電機(jī)/關(guān)節(jié)的控制（a）直行（b）橫向移動(dòng)（c）原地旋轉(zhuǎn)工作原理（續(xù)）部分演示動(dòng)作（a）直行（b）橫向移動(dòng)（c）原地電源與控制系統(tǒng)控制器采用VEX控制驅(qū)動(dòng)器，它搭載兩片MicrochipPIC18F8520處理器，每秒處理千萬條指令，集成32K代碼存儲(chǔ)空間。擁有8個(gè)電機(jī)接口，6個(gè)中斷接口，16個(gè)數(shù)字/模擬信號(hào)接口，可同時(shí)使用兩個(gè)RX接口，擁有遙控、程控、線控多種控制方式。電機(jī)和舵機(jī)直接接到控制器的電機(jī)接口。系統(tǒng)電源采用9.6V鎳鎘充電電池。電源與控制系統(tǒng)控制器采用VEX控制驅(qū)動(dòng)器，它搭載兩片Micr軟件設(shè)計(jì)“可變性全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)”的軟件在EasyC_V2軟件開發(fā)環(huán)境下編制（圖16為其編程界面），編譯通過后通過ProlificUSB-to-Serial編程電纜下載到控制器當(dāng)中。軟件設(shè)計(jì)“可變性全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)”的軟件在EasyC_V2軟件軟件設(shè)計(jì)（續(xù)）#include“Main.h”//主程序Voidmain(void){ //控制舵機(jī)2和7偏轉(zhuǎn)90度Setservo(2,255); Setservo(7,30); //等待3.5秒 Wait(3500) //控制機(jī)構(gòu)正向橫移 Setmotor(1,160); Setmotor(8,160); //等待1秒 Wait(1000); //機(jī)構(gòu)反向橫移setmotor(1,94); setmotor(8,94); //等待2秒 Wait(2000); //機(jī)構(gòu)正向橫移 setmotor(1,160); setmotor(8,160); //等待1秒 Wait(1000);

//電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng) setmotor(1,127); setmotor(8,127); //等待2秒 Wait(1000); //四個(gè)全方位輪呈直線分布 Setservo(2,115); Setservo(7,185); //機(jī)構(gòu)原地轉(zhuǎn)動(dòng) setmotor(1,170); setmotor(3,170); setmotor(6,170); setmotor(8,170); wait(4000); //反向轉(zhuǎn)動(dòng) setmotor(1,84); setmotor(3,84); setmotor(6,84); setmotor(8,84); wait(4000); //電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng) setmotor(1,127); setmotor(3,127); setmotor(6,127); setmotor(8,127);}軟件設(shè)計(jì)（續(xù)）#include“Main.h” //電機(jī)問題分析與解決全方位輪與地面的接觸不一致原因:1)外購件不是工業(yè)用途,精度不高 2)自制零件為板金折彎,加工精度不高解決方式:在關(guān)節(jié)連接處加墊片,調(diào)整高度,使四個(gè)輪子同時(shí)著地問題分析與解決全方位輪與地面的接觸不一致問題分析與解決（續(xù)）舵機(jī)的零位與設(shè)想零位不一致；解決辦法:軟件補(bǔ)償:先使關(guān)節(jié)復(fù)零，然后通過補(bǔ)償每個(gè)關(guān)節(jié)上舵機(jī)的角度使四個(gè)輪子的軸心在一條直線上

問題分析與解決（續(xù)）舵機(jī)的零位與設(shè)想零位不一致；問題分析與解決（續(xù)）舵機(jī)反轉(zhuǎn)力矩不足以及傳動(dòng)環(huán)節(jié)存在過大間隙導(dǎo)致整個(gè)機(jī)構(gòu)無法保持預(yù)定形狀；問題分析:1)這是由于所選電機(jī)/舵機(jī)本身特性決定的 2)傳動(dòng)間隙的存在導(dǎo)致機(jī)構(gòu)整體形狀無法保持,即,整個(gè)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)