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科技论文:一个仿生行走机器人的制作研究(张舒凡)

【字体: 】  【编辑日期:2017/5/15】  【来源:合肥市琥珀小学】  【作者:刘嘉】  【点击次数:

一个仿生行走机器人的制作研究

合肥市琥珀小学(西区)六二班   张舒凡

人类是孤独的,作为唯一的有思想的智慧生物,人类一直渴望能够有另外一个智慧物种来做朋友。因此,拥有智慧的机器人是人类希望制作出来的朋友,然而这并不容易,仅让机器人能够像人类一样行走,就让科学家们付出了近百年的努力。

轮子是人类最伟大的发明之一,有了它我们能够轻松的移动比我们自身重很多倍的东西,大到火车、飞机,小到手推车,甚至我们脚下的轮滑鞋,轮子几乎是路上移动物体的基本元件。然而轮子却是典型的人造物,自然界中的所有有生命的物体没有是靠轮子移动的,因此带轮子的东西,我们很难把它当做有生命的物体。当今社会,机器人技术正逐步步入我们的生活,如何能让机器人真正融入我们的生活,我想,靠自己的腿行走的机器人,更容易让我们认同。

我的目标是重温当年科学家们的道路,制作一个仿生行走机器人,依靠自己的腿向前走,而不是轮子。为了实现这一目标,我们需要确定以下几个方面:

首先,需要弄清楚的是行走机器人的运动方式。自然界四条腿的生物,在走路的时候一般会有两种模式,走模式和跑跳模式。走模式一般是对侧腿同步,也就是说,左前和右后腿同步向前,右前和左后腿着地作为支撑,然后左前和右后腿着地支撑,右前和左后腿向前,轮流行动,拖动身躯前进。跑跳模式则不同,需要依靠腰部的力量,双前腿向后扒,双后腿向后蹬,然后让身体腾空前行,因而获得很快的前行速度。因此,我的机器人不需要考虑行动很快,因此,选择走模式就可以,也就是对侧腿同动方式。在这种行走方式下,需要做的对侧腿的同步,这将大大增加机械结构的复杂性,使得制作难度增大。为了使我的设计简单易行,我简化了我的设计,用机器人的前臂做主的力,后腿做支撑,所以机器人应该是前臂十分有力,后腿能够有力地支撑,机器人才能做到爬行。

其次动力系统,旋转马达是比较容易获得的动力源。供电系统采用电池供电,用两节五号电池作为机器人的总能源,也适合移动。但是一个问题是,马达是转动运动,而行走机器人需要的是往复运动,我们需要设计一个偏心轮,将转动运动变成往复运动。偏心轮的中心连接马达,而动力则通过连杆,连杆连接的地方与轮心偏离,轮子旋转的时候,连杆在轮子上的连接点则绕圆运动,对连杆后端通过活动关节固定在水平方向上,则连杆则可以输出前后的往复运动。在实际的制作中,可以对偏心轮进行简化,用固定杆替代轮子。

再者制作材料的准备。我采用木材进行制作,电池盒、马达等采用通用零件,另外制作眼睛,在两个铁丝上,可以弯曲变形,增加机器人的人性化。利用仿生学原理,模仿螳螂在地面爬行时候的腿脚运动,通过偏心轮驱动机器人的腿脚轮流抬起前进,再带动身体向前进,就像螳螂爬行一样。

材料准备好了,就要开始制作了。制作过程首先是按照设想画出简单构型图,画出躯干、腿、头、眼睛等的基本形状和安装位置;其次选取大小合适的马达,电池盒等元件;第三对木块进行加工,做成不同长度和形状,并在合适位置打孔;第四安装,先以一块大些的木块作为去干,在躯干上安装上马达,齿轮组盒子,电池盒,后端打通孔安装后支撑腿,前段在齿轮组上装上前臂,马达必须通过齿轮进行减速,因为现有的玩具马达转速都非常高,如果直接驱动运动则会导致机器人走的太快,而且转动的力量不够,通过齿轮组进行减速后,最后传出的转速会比较合适,而且力量很大;最后接通电池盒电源,试验机器人走路,调试。如果不能顺利走路,则从传动原件开始检查,主要检查调整偏心轮设置的角度,腿脚原件的一致性,供电系统是否正常等,直到机器人能够按照设计靠腿脚行走。制作过程中,我的马达使用双面胶站,行走时马达掉了下来,我换成了泡沫胶,马达掉不下来了。

机器人运作正常,我成功了,我们来反思一下制作的过程。

 通过这一个仿生行走机器人的制作,我们学习到,做一个制作一定要有清楚的设计,清楚设计目标,明白原理,并要设计好整体方案,设计好了做的时候才顺利。其次细心和耐心是成功的重要因素,不要想着一次就能安装成功,通过对设计元件的不断修正,最终能达到设计目标。

 经验总结方面,在设计的时候需要想清楚偏心轮动力传动的方式,注意偏心轮大和小导杆的长度等问题,对设计原件可以在行得通的基础上进行简化,比如偏心轮可以简化成一根杆子,一头套在马达上,另一头接着导杆,同样可以起到把转动变成前后运动。

指导教师:王茹

附照片: