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北京高中生设计机器人替“蜘蛛人”高空作业

2017/1/12 11:37:11| 访问量:1504| 来自: 北京晚报

  耿逸芃手捧他设计的机器人。

  “我家住在高层建筑上,每年都会有城市‘蜘蛛人’清洗高楼的外墙,我觉得这非常危险。”怎么才能让高空作业不再使人提心吊胆呢?北京四中高二年级的耿逸芃设计的一款体积娇小、移动精确的“步足式爬壁机器人”可以做“蜘蛛人”的替身,为人类排忧解难。他的项目在刚刚结束的2016年全国青年科普创新实验暨作品大赛上获得了高中组亚军的好成绩。

  灵感来源:机器人替代“蜘蛛人”

  耿逸芃说,随着城市建筑的高度日益增加,外墙作业不仅变得困难重重,而且充满了危险。这正是他的作品“灵感”的来源:设计一种可以在壁面移动的特种机器人,可以代替人类去做一些难度大并且危险的任务,“利用机器人完成困难的高空作业,具有人类不具备的多种优势。比如,尺寸小、成本低、不存在疲惫等生理问题等。”

  为了设计、制作出完美的机器人替代品,耿逸芃广泛地查阅了资料,他了解到:目前,日本、韩国、西班牙和国内的许多高校都曾展开过适合高空作业的“爬壁机器人”的研发工作,有些也已投入了使用。不过,“目前的爬壁机器人普遍存在体积庞大、行动不灵活、成本昂贵、移动不精确、吸附不稳定等缺点。”

  针对这样的现状,耿逸芃认为爬壁机器人作为一种新型特种机器人,有着很广泛的发展前景,他决定研制一款体积小、吸附稳定、移动精确的步足式爬壁机器人。

  作品特色:机器人墙面能滚能走

  耿逸芃希望能研制出一款外形小巧、结构简单、行动灵活且具有多种行走方式的爬壁机器人。

  但怎样才能让机器人快速、灵活地在墙面上运动起来呢?一次在与家人下象棋时,棋子的滚落启发了他的灵感:可以让机器人在墙面翻滚起来!他设计了“三段式”结构——机器人由“吸盘足—机器人主体—吸盘足”三段构成。吸盘足的滚动可以带动机器人在墙面上运动。

  然而,当机器人滚动向前时,很难把握方向和角度的变化。尤其是耿逸芃还希望机器人除了在室外的高空作业外,还能协助人们做一些室内的工作,这就更需要精确的行进方式。于是,他又设计出了第二种行进方式——“双足交替”式前进。“在主体的两端和两个吸盘足的中部各安置一个舵机,使机器人具有四个自由度,这样的设计可以使机器人精确移动到平面上任何的位置。”

  “这个机器人实际上是一个高级的载具,在主体内添加不同的元件,可使其完成不同任务。”耿逸芃介绍,它同时具有完成:壁面上翻转行走;壁面上双足交替前进爬行行走;壁面上完成精确转弯、移动;强吸附能力;精确测距,通过自动计算完成任意角度面转换等任务的能力。此外,它的重量不超过2kg,可通过蓝牙或其他方式遥控工作。他希望这款机器人能在侦察、勘探、监控、反恐、壁面清洗等领域发挥作用。

  创作难点:精确调试展现“工匠精神”

  耿逸芃告诉记者,他设计的小型真空吸附步足式爬壁机器人利用真空泵产生真空转化为吸盘的吸力使机器人吸附在壁面上。而整个设计方案实施过程中最难的,就是对舵机的扭力、真空泵的吸力和吸盘尺寸三个数据的不断调试、斟酌。“其中任何一个参数的不合理,都可能导致其他参数没法‘达标’。比如,如果真空泵重量过大,就可能会导致舵机力量不足;而舵机旋转的角度稍有偏差,则会导致吸盘无法精确吸附墙面。因此,我在三者的调整上纠结了很久,中间也换过不少次配件,还摔坏过一个基本制作完成的机器人。付出了许多成本和时间。”

  在科普作品大赛的决赛上,一位评委用“工匠精神”来评价耿逸芃的机器人作品。而耿逸芃自己也说,这个机器人的结构设计非常精致,花了很大心思,“为此自己也感到很自豪。”由于各零件分布很不规则,想要把它们固定在一起需要非常复杂的设计,因此,耿逸芃最开始计划采用3D打印的方式,完成机器人外观的制作。不过,很快,他便打消了这个念头,“3D打印的成本过于高昂,需要的经费比其他所有配件加起来都多。”于是,耿逸芃决定自己测量、切割、制作,“每一个孔都是自己动手打的,每一个部件都是亲手组装的。”

  其中最困难的,要数吸盘的固定,由于吸盘是机器人受力的主要部位,因此仅使用胶水固定总觉得不太牢靠。怎么办才好呢?耿逸芃经过一番冥思苦想,最后灵机一动:“可以采用中国古建传统的连接方式——榫卯结构。”在机器人主体掏一个洞,将吸盘严丝合缝地塞进去,“甚至连胶水都不用涂,就非常结实了。”

  项目前景:“二代”机器人更加智能化

  “过去,人形机器人十分昂贵、高端,但随着科学技术的发展进步,如今它已经走进了人们的家庭中。同样,虽然现在爬壁机器人还非常小众,但我希望有一天也能在人们的生活中起到重要的作用。”

  目前,机器人已能通过手机端实现控制墙面翻滚、双足交替行走和转向等功能。他希望在不断的改进中,还能远程操作机器人完成更加精确的动作,“比如,在手机上输入一个角度,机器人可实现精确的旋转;输入一个坐标,机器人就能自动移动到相应的位置。”

  耿逸芃说,如今这款机器人只是一个“样机”,还存在着有待改进之处:如,只能在摩擦力较固定的粉墙、玻璃板或塑料板上运行,“如果平面更加光滑、更加粗糙或墙面条件更为恶劣,都容易吸附不住掉下来。”

  “接下来我希望能让机器人更加智能化”,耿逸芃说,建议目前已完成的机器人为雏形,设计制作改良版的“第二代机器人”。通过更换参数更加强大的配件,使机器人能够在更加“恶劣”的平面上实现工作。(记者 孙乐琪 文并图)


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