第一指导教师主要成果：
长期指导学生做创新创业项目并按期结题。同时，还指导学生完成科研训练项目多项。
一、申请理由：
我们是由机电工程学院18、19级学生组建成的团队，对于机械设计以及机器人的设计有着浓烈的兴趣，项目成员均对各类机械设计软件如solidworks 、proe，以及各类编程软件有较好的掌握。出于对机器人如何摆放橄榄球这类物体的思考，我们构想并设计出了这一个项目，同时也想借此机会锻炼我们的动手能力。
团队成员梁佛顺，机电工程学院机械设计制造及其自动化专业18级学生。从高中时候起，就对机器人有着浓厚兴趣，上了大学以后，积极参与了各类比赛实践活动，对于机械设计有着自己的思考。在大一时期，自学了solidwork、keyshot、V-REP等建模仿真软件，有较好的建模分析能力。同时，对单片机的知识也有一定掌握，曾对arduino单片机、51单片机、以及STM32单片机进行过一定程度上的学习，想借助本次机会，加深对于机电一体化的理解。
团队成员林智，机电工程学院机械设计制造及其自动化专业18级学生。从小对机械有浓厚的兴趣，爱好广泛，性格开朗乐观，做事严谨负责。大一上学期加入机器人队，参加过全国3D大赛，获得省特等和国家级二等奖项。他在机器人队中努力锻炼自己。自学了solidworks、AutoCAD等建模绘图软件，并对51单片机的操作，进行过系统学习。
团队成员赖荣，机电工程学院能源与动力专业19级学生。对机器人和机械创新方面有浓厚的兴趣。进入大学后在课堂内认真学习本专业的相关内容，平时课余时间时常学习如C语言，CAD之类的与本专业密切相关的软件，各类软件都有较好的掌握。个人动手能力强且有强烈的动手欲望，平时喜欢摆弄一些机械零件和结构，希望通过这次机会，增加实践经历和能力。
团队成员张飞龙，机电工程学院材料成型及控制工程专业19级学生。性格开朗，吃苦耐劳。对机械有浓厚兴趣。为了提高自我能力，他在大一上学期就积极加入了机器人队。渴望在机器人队指导老师老师和学长的带领下增长见识，提升自己。大一期间学习认真，对C++语言、工程制图等专业知识有较好掌握。并在空余时间对CAD、solidworks等软件进行了学习，希望通过这次机会，增长见识、开阔视野，提高动手能力。
我们都有着相同的兴趣爱好，对创新训练项目也非常有信心。在认真学习好我们本专业的基础上，我们有充足的课外时间、精力和能力探索未知，研究项目，也希望通过此类实践来检验以及提升我们的知识水平。相信在指导老师的指导下及机器人队的强力支持下，我们一定能够按时按质完成这个创新项目。
二、项目方案：
1、 项目研究背景
1.1 国外研究现状
针对全向移动平台的研究，大体分成三种类型。首先是仿生性的足式机器人，其次则是常见的轮式机器人，再次则是履带式机器人。其中对足式机器人等仿生类型的研究，从人型的双足机器人衍生出了多足机器人。2017年，日本的Sang-Ho Hyon利用液压系统设计出一种人形机器人，具有15个关节完全由伺服液压缸驱动，在完成机械系统设计，开发了一套运动控制系统[1]；日本早稻田大学的Kato等人在1970年研制出用压缩空气控制的双足步行机器人WAP(Waseda Automatic Pedipulator)。WAP-1机器人拥有6个自由度，每条腿各有三个关节，利用袋型压缩空气系统作为驱动源，通过进气和排气驱动关节的转动，实现迈步，并在足底安装压力传感器来反馈运动状态，实现控制[2]。四足机器人的发展最具有代表性的则是波士顿动力公司的Big Dog（图1-2-1）。自此开始，四足机器人成为研究热点之一。瑞士的Marco Hutter在00年所设计并制作的四足机器人ANYmal经过在户外环境做关节执行器的测试，其扭矩控制带宽高于70Hz，高抗干扰能力，能够实现多种步态的运行[3]。邢慧明等人所设计的多足两栖机器人实现了在陆上的爬行步态的控制算法以及在水下多种运动的动作算法，其主要是通过Adams进行仿真验算和实地测试的方法进行开发，进一步表明仿真的可行性[4]。王晓杰等人运用仿生学，设计了一种抓持器，该抓持器呈径向的三排对置的结构，能够在不光滑的倒置表面上抵抗不少于1千克的载荷[5]。
由于传统的车轮在转向时需要占用很大的空间，早在1907年，国外专家则着手研究除了能前进又能侧向移动的车辆。实际中第一个名义上具有全向移动功能的车轮是由美国的J. Grabowiecki所发明[6]，如图1-2-1所示
图1-2-2 全向移动轮
而第一种实际现代意义上能全向移动的车轮是瑞典的Bengt Ilon在1973年发明并命名为Mecanum轮。轮子由轮毂和分布在轮毂周围的与中心轴线成45°的活动辊子组成[6]。至此，世界上包括制造业、服务业等许多行业都基于Mecanum轮研发各种各样的机器人。韩国的Kim H研究的三轮全向移动机器人能够规划出最小能量的自旋转轨迹，结果表明其能够节省15.2％的能量[7]。俄罗斯的V.E.PAVLOVSKY设计的全向移动机器人具有6个麦克纳姆轮。通过气动系统来驱动行走，轮子的布置形式使得机器人具有特殊的转向结构[8]。
1.2 国内研究现状
而国内在机器人无论是全向移动机器人方面或者是足式机器人的相关研究相对国外起步较晚，但经过几十年发展，还是有很多惊人的成果。
在2010年，为提高国内四足机器人的研究水平，国家863计划先进制造技术领域启动“高性能四足仿生机器人”项目，旨在开展新型机构、高功率密度驱动、集成环境感知、高速实时控制等核心技术研究[9]。浙江大学研制的“绝影”四足机器人（图1-2-3），面向复杂地形能够非常稳定地行走，具有良好的适应性，有望在安防、救灾等方面进行实际应用[10]。上海交通大学的高峰教授所设计四足机器人，具有创新性的并联式腿结构，实现了高负载的能力[11]。
图1-2-2 浙江大学“绝影”
在轮式机器人研究中，王江华基于倒立摆模型，设计了一套用于球形轮系移动机器人的控制方法[12]。中国科学院宁波材料技术与工程研究所的杨桂林教授与发现万向轮驱动若用无解耦机构来驱动会使得运动不稳定以及使得控制复杂，为此设计了一种差速行星齿轮机构来解决该问题。通过在驱动万向轮内加入该齿轮机构（图1-2-3），合理设计传动比则能够将万向轮转向时的派生滚动输出解耦，实现机器人运动的精确控制[13]。上海大学的郭帅教授设计出一种下肢康复机器人的底盘，利用双电机驱动齿轮机构完成轮系的前进与转向功能[14]，其设计思路与杨桂林教授的研究有所相似。
图1-2-3 驱动万向轮结构图
2、 项目研究目标及主要内容
2.1 设计要求与性能指标
本课题目的是设计一款移动迅速，能自动摆放橄榄球的机器人。
2.1.1 设计要求
在实现基本功能的前提下，相应的技术要求则围绕功能稳定、反应迅速而提出。本课题设计的机器人需要满足如下技术要求：
1、 能够稳定摆放3个橄榄球；
2、 机器人快速、准确移动；
比赛中可以选择人工准备橄榄球的摆放或者由机器自行摆放好橄榄球。考虑到快速和重复性，橄榄球的摆放位置对踢球影响至关重要，所以目标机器自动完成摆放功能。
机器人的移动性能是指机器人在比赛场地上有一个任务点运动至下一个任务点的快速与准确性。由于每一个任务点所划分的区域有限，机器人如何自行规划路径以及准确运动到目的点对任务执行起到至关重要的作用。在运动准确的基础下，则需要提高其快速性，争取在最短时间内完成比赛。
2.1.2 性能指标
2.2 机械方案设计
2.2.1 总体方案设计
本课题所涉及的机器人需要完成摆放橄榄球、踢橄榄球以及全向移动的功能。其中，稳定准确踢球进门是得分的关键任务，摆放橄榄球影响踢球的效果，而准确运动到踢球点则决定了踢球任务的执行。为了使设计的机器人达到设计要求，需要将该机器人划分成以下模块：摆球模块、踢球模块、底盘模块。
图2-3-1 总体设计方案
2.2.2 踢球模块的方案设计
该模块设计的目的则是将橄榄球踢进球门。核心动作则是驱动执行机构将放在场地上的橄榄球击打进球门。基于此，将动作拆分为两个阶段，分别是加速阶段和复位阶段。
2.2.3 底盘模块的方案设计
常见的机器人移动形式有足式和轮式，而足式由于其控制难度，在竞赛机器人中不常用，多采用轮式机器人实现运动的功能。轮式底盘是机器人的地层结构，其主要起到支撑上层结构以及机器人全向移动的功能。底盘结构的稳定性则直接影响到上层机构的功能稳定性，其强度以及刚度则保证了机器人在运动过程中不会发生动态失效的现象。
（1）底盘轮系结构特性
在全向移动平台中常见的轮子分别有正交轮系、麦克纳姆轮系、全向轮系、万向轮系、球轮系等几种形式。其中麦克纳姆轮系和全向轮系由于轮子轴线和周围辊子轴线呈一定角度布置，正常运动的时候小辊子一般都会发生相对滑动而并非纯滚动，即其效率相对较低，承载能力较差[15]；球轮系主要特点是运动具有足够的平稳性能，但是缺点则是结构较复杂，加工及装配精度比较高，成本也较大；万向轮系主要特点则是和普通车轮一样，但是每个轮子都具有驱动自由度和转向自由度，所以其承载能力和行走效率较其他轮系高。
图2-3-3-1 麦克纳姆轮系 图2-3-3-2 全向轮系
由于比赛中运动路径的复杂性，可以选择麦克纳姆轮系和全向轮系、万向轮系等，但是需要考虑实际使用场景是竞赛，最重要的是效率，故选择万向轮系作为该机器人的底盘结构。
2.2.4 摆球模块的方案设计
由于比赛中需要获得球权后才能进行踢球任务，意味着获得球权后需要将橄榄球摆放到踢球区合适位置，进而完成踢球任务。完成这一过程规则中允许的方式有以下两种：
（1） 人工摆放橄榄球；
（2） 机器自动摆放橄榄球；
规则中明确了选择第一种方法的限制是当申请多个橄榄球时则需要同时摆放到场地内不同点，机器人需要将所有橄榄球踢完才能进行下一任务；而选择第二种方法则由机器人的设计特性，可以将橄榄球逐一放在同一个点完成踢球任务。从上述可以看出两种方法的区别在于踢球点可以是多个或者一个，但考虑到比赛的对抗性质以及机器特性，选择第二种即机器自动摆放橄榄球对其重复性有更好的保证，所以目标是选择第二种方式进行设计完成这一任务。
1、原理方案对比
由于橄榄球本身体积较大，而设计目标是能够同时存放三个橄榄球和三个球座，所以总体摆球方案思路是从对象开始构思，设计合适的摆放结构。主要的原理有两种：
图2-3-4-1 摆球原理分析
由于摆球的稳定性对踢球的效果起到关键的影响作用，所以首要条件是保证稳定性。所以选择第二种原理进行设计。
2、方案设计
首先分析对象是三个橄榄球和三个球座，由于踢球动作只允许每次只能踢一个球，意味着一次只能将一个球和球座摆放在场地上，所以总体方案划分成两部分机构：存球机构和摆球机构。
（1） 布局方案
图2-3-4-2 摆球方案布局
图2-3-4-2表示整体摆球方案的布局，首先阐述整体流程：当机器人携带三个橄榄球和球座从启动区出发移动至踢球区，首先将图示1号位置的橄榄球和球座放置于场地上准备，踢球机构运行完成第一个踢球任务；然后摆球机构将2号位置的橄榄球和球座覆盖在1号位置摆放于场地上，踢球机构运行完成第二个踢球任务，如此类推完成3号球的踢球任务。方案优点在于充分利用了机器人本身结构特性，使得总体机构紧凑，整个流程较为自然。
3、 项目创新特色概述
3.1采用同心万向轮原理实现全向移动
3.2采用同步带配合弹簧实现蓄能踢球
3.3摆球机构可以实现顺序动作，且稳定放置橄榄球
4、 项目研究技术路线
5、 研究进度安排
6、项目组成员分工
梁佛顺：担任组长，负责整体的规划及结构设计
林智：负责图纸绘制和结构设计
赖荣：负责资料收集及零件选择
张飞龙：负责零件校核及结构设计