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基本信息

項目名稱:
面向老齡化社會服務的全方位移動機器人
小類:
機械與控制
簡介:
此項目為主要面向老齡化社會服務的全方位移動機器人。從設計整體上講,組合式全方位輪解決了限制該類輪子應用的瓶頸問題,即輪子的強度及承載力的問題,有效地提高了全方位輪的承載能力,同時改善了越障能力。該全方位輪可以應用到輪椅上,幫助人們方便靈活地運動。也可以應用到自動化工廠,實現在擁擠環境下的重物搬運工作。具有廣泛的市場空間和應用前景。
詳細介紹:
在現代化設備聚集的工廠,人員眾多的醫院,機場,停車場等場合,現有的移動運輸設備已經不能滿足靈活操作和運輸的需要。研制一種能夠靈活運動的移動機構是本項目的研究目標。 目前靈活的全方位移動機構的全方位移動輪的強度及跨越障礙方面存在著很大局限性。為解決該問題,提出一種新型組合式全方位輪。解決困擾全方位輪應用的強度問題,同時提高全方位平臺的越障能力。 該機構采用特殊的球輪結構,應用錐體側邊旋轉運動和錐齒輪差速器原理,采用四個90度錐形球冠組成了一個近似球形的輪體,實現連續旋轉和被動運動。結構上,該輪的錐體又組成了一個全封閉球形結構體,四個被動旋轉軸組成了結構體的骨架,類似于輪子的輪轂部分,四個錐體的相互作用使作用力被分解在四個被動軸上,有效地提高了輪子的強度。采用兩組該類結構實現了與地面的連續旋轉。 整體上講,組合式全方位輪解決了限制該類輪子應用的瓶頸問題,即輪子的強度及承載力的問題,有效地提高了全方位輪的承載能力,同時改善了越障能力。該全方位輪可以應用到輪椅上,幫助人們方便靈活地運動。也可以應用到自動化工廠,實現在擁擠環境下的重物搬運工作。具有廣泛的市場空間和應用前景。

作品圖片

  • 面向老齡化社會服務的全方位移動機器人
  • 面向老齡化社會服務的全方位移動機器人

作品專業信息

設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

面對當前移動設備的靈活性不足,以及傳統全方位移動機構的承載能力及越障性能差的現狀,設計一種全面克服承載及越障性能等缺陷的新型全方位移動機器人。 本研究創新性地設計了全方位輪,突破了困擾全方位輪應用的瓶頸問題——越障和強度。采用錐體的被動運動原理,應用多錐體組合成力封閉的近似球形機構,提高了承載能力。同時由于錐形球體具有大回轉半徑,提升了該輪的越障能力。由該輪組成的機器人平臺可以實現全方位運動,具有較強的承載能力和越障能力。 理論上,在球形幾何結構的基礎上,利用錐體的側邊旋轉運動和錐齒輪差速器原理解決了輪與地面接觸過程中的運動約束問題。 機構上,設計了新型的組合式全方位輪形機構,具有力封閉的幾何結構,提高了全方位輪的剛度和強度。 功能上,提高了全方位輪的越障能力,解決了困擾全方位輪承載能力的瓶頸問題。

科學性、先進性

目前靈活的全方位移動機器人的全方位移動輪的強度及跨越障礙方面存在著很大局限性。為解決該問題,提出一種新型多錐形球體組合式全方位輪。解決困擾全方位輪應用的強度問題,同時提高全方位平臺的越障能力。 該機器人采用特殊的球輪結構,應用錐體側邊旋轉運動和錐齒輪差速器原理,采用四個90度錐形球冠組成了一個近似球形的輪體,實現連續旋轉和被動運動。結構上,該輪的錐體又組成了一個全封閉球形結構體,四個被動旋轉軸組成了結構體的骨架,類似于輪子的輪轂部分,四個錐體的相互作用使作用力被分解在四個被動軸上,有效地提高了輪子的強度。采用兩組該類結構實現了與地面的連續旋轉。 整體上講,全方位輪的設計解決了限制該類輪子應用的瓶頸問題,即輪子的強度及承載力的問題,有效地提高了全方位輪的承載能力,同時改善了越障能力。該全方位輪可以應用到輪椅上,幫助人們方便靈活地運動。也可以應用到自動化工廠,實現在擁擠環境下的重物搬運工作。具有廣泛的市場空間和應用前景。

獲獎情況及鑒定結果

作品所處階段

實驗室階段

技術轉讓方式

專利

作品可展示的形式

實物、產品

使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

該全方位機器人的研究成功,解決了目前全方位機器人的強度問題。完全可以實現全方位輪椅的功能,幫助殘疾人實現無障礙性的活動,可以實現跨越小型障礙物,電梯與地面之間的間隙等。也可以應用到繁忙而擁擠的飛機場,汽車站和火車站,在這些場所內靈活地運輸貨物人員等。自動化工廠也需要靈活高負載的運輸設備來運送工具、工件等,特別適合應用在兩個工作島之間的自動運輸和作業??梢钥闯?,該全方位輪具有廣泛的市場前景。 該機器人技術的成熟應用將帶來很好的社會效益和經濟效益

同類課題研究水平概述

目前,全方位移動機構大致分為兩種:一種是采用特殊輪結構,而另一種是應用傳統輪結構。多數的特殊輪結構的設計理念是:在輪子的一個方向上具有約束以獲得驅動力,而在另一個方向上去除約束以實現被動運動。作為特殊輪的一個經典的設計為:在一個傳統輪結構的圓周上安裝一系列的被動輪,這些被動輪的旋轉軸垂直或傾斜于傳統輪的旋轉軸,例如:麥克納姆輪的設計[1]。其它特殊輪結構的設計包括正交輪結構[2]和球輪結構[3]。特殊輪結構的全方位移動機器人具有很強的運動靈活性和穩定性[4],而且能夠非常精確地實現軌跡跟蹤。但是該類移動機構除了機構比較復雜之外,還存在著越障能力差,承載能力低,被動滾輪容易引起車體振動等缺點。正交輪的機構簡單,但承載能力不足。球輪結構驅動靈活,但機構過于復雜,驅動力不足[4,5]?;趥鹘y輪結構的全方位移動機構主要采用轉向和旋轉都具有獨立驅動的腳輪結構[6],這種機構雖然承載能力強,但運動靈活性和穩定性較差,控制困難。 麥克納姆輪是一種非常有效的全方位運動機構如圖所示,它的輪體不是由普通的輪胎組成,而是分布了許多能夠自由旋轉的小棍子。這些小棍子類似斜齒輪的齒,棍子的回轉軸線與輪子的回轉軸線成一定的傾斜角度布置(通常為45度),而這些棍子的外廓線與輪子的理論圓周線相重合,保證了輪子與地面的連續接觸及棍子的自由旋轉。麥克納姆輪具有三個自由度,一個是繞輪子軸線轉動,第二個是繞棍子軸線的轉動,第三個是繞輪子和地面接觸點的轉動。其中輪子由電機驅動,另兩個自由度自由運動。 麥克納姆輪及應用連續切換輪是由一個輪盤支架和固定在支架上的棍子構成,如圖2所示,一周的棍子組成的外輪廓線恰好是連續切換輪的外輪廓線。輪的回轉軸線與棍子的回轉軸線垂直,這與麥克納姆輪的角度不同,可以認為連續切換輪是麥克納姆的一個特例,兩種輪的運動原理基本相同。 正交輪是一種依靠兩組機構交替與地面接觸實現運動的機構,如圖3所示,通常采用去除球冠的兩個球體來運動。由于兩個球體回轉軸線的垂直布置,所以稱這種輪為正交輪。 偏心輪機構通常是由一個處于偏心位置的驅動輪和一個帶有偏心的驅動機構組成。偏心輪機構不采用輪盤上輥子切換的方式來運動,減少了運動過程中的震動和打滑現象,但這種機構在運動的靈活性不足。
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