项目名称:自动转移重心的运输机器人

组 别: 小学组 奖 项: 一等奖
代表团: 北京 参赛队:
队 员: 王冠恒 龙祺天 刘品墨 辅导教师: 王冲

项目摘要:

通过查阅资料和向他人请教,我们得知:现有的运输车可以深入到地形较为复杂的内陆地区,但存在的最大问题是续航能力和倾翻问题。 续航能力我们推荐使用越发成熟的“太阳能技术”和“燃料电池”解决,基本可以满足运输车的自给自足。 倾翻问题是我们在设计制作运输车的过程中,着重思考、改善和设计制作的方面。 倾翻的原理 物体能够直立在地面上,力学原理可以简单理解为:它的重心位于所有支撑脚的内部区域。如果重心移出了支撑脚的范围,必然发生倾倒。 (准确表述应该是:重心的重力方向垂线与支撑脚平面的交叉点,但这种表述过于深奥,我们小学生太难理解了。) 对于车辆而言,它的支撑脚则是与地面接触的所有车轮(或履带),理想的重心应该存在于所有车轮范围的正中心处。此时车辆的稳定性是最好的,所有车轮所承受的压力也是相同的。 但是在车辆爬坡、侧方倾斜时,重心虽然不变,但由于车辆本身发生倾斜,重力施加位置发生改变。 以车辆爬坡为例:重心依然存在于车辆的原处,但由于爬坡,重力依然垂直于地面施加,车辆后轮承受的压力变大,前轮承受的压力变小。如果坡度继续增大,后轮承受的压力继续增大。直至重力施加位置移动到后轮范围之外,车辆发生向后倾翻。 爬山的启发和我们的方案 平时我们都有爬山的生活经验。在爬山上坡时,我们会很自然地向前倾斜身体,弯腰爬山。其实这样做的目的是将身体的重心向前移动,避免身体向后倾倒。利用这样一个简单的生活现象,我们实现了通过转移重心防止车辆倾翻的目的。 通过移动重心解决解决倾翻问题及其原理 为了使车辆在倾斜时依然保持重心位置,我们需要在车辆不同姿态时相应地移动重心位置: 车辆爬坡:后轮压力增大,重心需前移; 车辆下坡:前轮压力增大,重心需后移; 车辆左侧升高:右轮压力增大,重心需左移; 车辆右侧升高:左轮压力增大,重心需右移。 为了应对车辆既爬坡,又侧向倾斜的状况,我们需要将转移重心的装置设置成独立的前后和左右移动功能,实现重心二维任意移动。 我们使用LEGO的EV3套装来完成创意作品制作。 其中一台EV3控制器控制的A、B、C、D马达分别通过减速齿轮组驱动四组履带,实现四轮驱动,增大了抓地力,提高通过能力; 另一台EV3控制器控制的A、B马达分别通过齿轮齿条传动系统实现载重平台的二维移动;C、D马达通过减速齿轮组驱动四个伸缩臂(乐高编号:61927),用作调节载重平台的角度,防止载重平台上的物品过于倾斜而造成损坏。 EV3核心控制器和部分马达等比较重的零件模拟了探索资源用的装备,它们被安装在移动载重平台上。 通过两个单轴陀螺仪(乐高编号:6008916)分别侦测车辆的前后、左右倾斜情况,根据侦测结果自动调节载重平台的前后、左右位置,实现自动转移重心。

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