足球激发少年创造灵感-球轮机器人摘得发明大奖

在电线密布的车间、摆放精密仪器的实验室、人潮拥挤的城市中，轮式、履带式机器人有太多不便完成的任务。而我设计的机器人，运动灵活、占地极小，正是填补轮式、履带式机器人不足的完美替代品。人大附中高中三年级的男生吕宁一，花了近3年的时间制作出一款具有自启动功能的球轮机器人平台，集自启、爬坡、负重功能于一体，先后获得日内瓦国际发明展金奖和全国青少年科技创新大赛二等奖两项发明大奖。足球场上灵感乍现2012年7月，初三毕业的暑假，吕宁一和其他完成中考、即将走入高中校园的学生一样，暂时放下了学习的压力，开始享受轻松的假期。那个暑假里，他把大部分的时间都放在与同学们一起奔跑、驰骋在球场上。就是在轻松踢球的过程中，这个勤于观察、善于发现的男孩，找到了自己的关注点我发现足球的滚动有它自己的特点：首先，球体滚动的方向具有任意性，不受转弯半径的限制。也就是说，球的滚动不像汽车车轮一样，需要拐弯才能改变方向。其次，球体滚动向各个方向的动力相同。这一点也不像汽车车轮，向前行驶和倒车时的马力是不同的。没有转弯半径和全向机动的特点使球体的运动要比轮式和履带式运动方式灵活、优越许多。发现了这一点，吕宁一决定据此制作一款球轮机器人，将球体运动的这个优越性运用到具体实践中去，为日常生活带来便利。从支架支撑到独自站立有了创作的灵感，吕宁一很快投入到创作工作中，2012年8月，通过论证，写出了机器人的初步设想。经过紧张的研制过程，3个多月后，机器人初步的形态就制作出来了。球形轮运动机器人，由三个驱动电机、三个万向轮和一个支撑球体组成，三个万向轮与球体成一定倾斜角固定对称安装，通过协调转动，驱动球体在地面滚动，可以使机器人平顺地向任何方向运动而不改变机器人本身的朝向。为了使其能够实现自启动、平衡、行走功能，球形轮机器人加载了惯性传感器以实现姿态、角速度、速度的测量，同时由车载计算机和单片机作为控制器，对测量数据进行处理，实现精确稳定控制。但此时的机器人自身有一个明显的不足，那就是稳定性比较弱，最开始制作出来时，机器人只能用3根支架支撑着，不然就会倒下。我们花费了两三个月的时间把3根支架撤掉，使机器人能够独立站立。这时的机器人能够实现独立站立并行走一段不长的距离，但稳定性和实用功能都未能达到吕宁一的预期，此时的机器人，首先对地形的适应能力较弱，如果遇到坡度就会倒下。同时，机器人如果断电倒下是无法自行站起来的，这影响了自动化程度，要知道仅在实验阶段，机器人配重就达20多公斤，如果投入生产则可能会达到上百公斤，每次起摆都要人工手扶是非常困难、繁琐的工序。为解决制作中的难题，吕宁一很快投入到第二阶段关于稳定性的调试和研究中。历时三年调试数千次为解决上述两个问题，吕宁一决定为机器人增加自动原地起摆功能和爬坡功能，我设计了一个与地面成12°角的助力支架，同时编写了起摆程序，通过三个电机带动三个轮子，通过轮子的摩擦力大小带动、改变球体转动的速度、方式。然而，这时机器人行驶的平衡是一种动态的平衡，靠几个力相互制衡维持，这种制衡依靠内部程序的不断检测和调整，通过参数的测算、分析、实验，不断完善、调试程序。起摆、上坡、下坡、平衡……吕宁一一共为机器人编写了多套程序，通过几十个参数的不断调整，试图找到能使机器人行走最稳定的值。前前后后一共进行了数千次实验，如果说创作这个机器人有什么难点，那么这个漫长、枯燥的调试过程恐怕就是最大的困难所在。这时的吕宁一已经开始了高一年级的学习，为了保证机器人的研制进度，他坚持每周至少有七八个小时泡在北京理工大学的实验室里。那段时间真的非常紧张，放学后5点半开始做实验，直到晚上10点半从实验室回到家中，开始完成学校布置的作业和学习任务，经常忙到夜里一两点都无法入睡。到了高二，学校在每周五下午安排3节研学课时间，这让吕宁一的实验变得从容了许多。就这样，直到今年，基本符合吕宁一预期的自起摆、行驶稳定、能够负重、具有爬坡功能的球轮机器人终于研制成功了。这项发明曾先后获得日内瓦国际发明展金奖和全国青少年科技创新大赛二等奖两项大奖。高考有加分仍希望留学除了运动灵活以外，这个机器人还有占地面积小的优势。理想状态下，球面与地面的接触只有一个点，而一辆四轮车则需要占一个面。因此，在比较复杂的地面环境，如电线密布的车间、摆放精密仪器的实验室、人潮拥挤的城市环境中，它可以灵活地进行一些轮式、履带式机器人无法完成的工作，比如巡检等。在今后的实践和应用中，我认为制作家政服务机器人也是不错的选择，因为机械上设计的载物平台，可以使它完成很大重量的负重。虽然机器人发明所获的奖项为吕宁一赢得了不少加分，但今年高三的吕宁一并未打算参加高考，他选择了出国深造的道路。我的理想是美国的杜克大学，我希望能够进入杜克大学的机械工程或计算机科学专业对自己感兴趣的领域进行更加深入的专业学习。同时，吕宁一表示，国外的学习结束后，一定会回到国内从事相关的工作，我的父母都是工程师，妈妈是理工大学的教师。从我能够得到实验台开始，他们就把我带进了实验室。通过从小对科研和科研人员的接触，我对这种紧张但充实的生活方式特别有好感，希望以后也能为自己热爱的领域贡献力量。

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