“在電線密布的車間、擺放精密儀器的實驗室、人潮擁擠的城市中，輪式、履帶式機器人有太多不便完成的任務(wù)。而我設(shè)計的機器人，運動靈活、占地極小，正是填補輪式、履帶式不足的完美替代品。”人大附中高中三年級的男生呂寧一，花了近3年的時間制作出一款“具有自啟動功能的球輪平臺”，集自啟、爬坡、負重功能于一體，先后獲得日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎和全國青少年科技創(chuàng)新大賽二等獎兩項發(fā)明大獎。

　　足球場上“靈感乍現(xiàn)”

 

　　2012年7月，初三畢業(yè)的暑假，呂寧一和其他完成中考、即將走入高中校園的學(xué)生一樣，暫時放下了學(xué)習(xí)的壓力，開始享受輕松的假期。那個暑假里，他把大部分的時間都放在與同學(xué)們一起奔跑、馳騁在球場上。

 

　　就是在輕松踢球的過程中，這個勤于觀察、善于發(fā)現(xiàn)的男孩，找到了自己的關(guān)注點——“我發(fā)現(xiàn)足球的滾動有它自己的特點：首先，球體滾動的方向具有任意性，不受轉(zhuǎn)彎半徑的限制。也就是說，球的滾動不像汽車車輪一樣，需要‘拐彎’才能改變方向。其次，球體滾動向各個方向的動力相同。這一點也不像汽車車輪，向前行駛和‘倒車’時的馬力是不同的。”沒有轉(zhuǎn)彎半徑和全向機動的特點使球體的運動要比輪式和履帶式運動方式靈活、優(yōu)越許多。

 

　　發(fā)現(xiàn)了這一點，呂寧一決定據(jù)此制作一款“球輪機器人”，將球體運動的這個優(yōu)越性運用到具體實踐中去，為日常生活帶來便利。

 

　　從支架支撐到獨自站立

 

　　有了創(chuàng)作的靈感，呂寧一很快投入到創(chuàng)作工作中，“2012年8月，通過論證，寫出了和應(yīng)用中，我認為制作家政服務(wù)的初步設(shè)想。經(jīng)過緊張的研制過程，很快不到12月，初步的形態(tài)就制作出來了。”

 

　　球形輪運動機器人，由三個驅(qū)動電機、三個萬向輪和一個支撐球體組成，三個萬向輪與球體成一定傾斜角固定對稱安裝，通過協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動，驅(qū)動球體在地面滾動。機器人平順地向任何方向運動而不改變機器人本身的朝向。為了使其能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動、平衡、行走功能，球形輪機器人加載了慣性傳感器以實現(xiàn)姿態(tài)、角速度、速度的測量，同時由車載計算機和單片機作為控制器，對測量數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)精確穩(wěn)定控制。但此時的機器人自身有一個明顯的不足，那就是穩(wěn)定性比較弱，“最開始制作出來時，機器人只能用3根支架支撐著，不然就會倒下。我們花費了兩三個月的時間把3根支架撤掉，使機器人能夠獨立站立。”這時的機器人能夠?qū)崿F(xiàn)獨立站立并行走一段不長的距離，但穩(wěn)定性和實用功能都未能達到呂寧一的預(yù)期，“此時的機器人，首先對地形的適應(yīng)能力較弱，如果遇到坡度就會倒下。同時，機器人如果斷電倒下是無法自行‘站起來’的，這影響了自動化程度，要知道僅在試驗階段，機器人配重就達20多公斤，如果投入生產(chǎn)則可能會達到上百公斤，每次‘起擺’都要人工手扶是非常困難、繁瑣的工序。”為解決制作中的難題，呂寧一很快投入到第二階段——關(guān)于穩(wěn)定性的調(diào)試和研究中。

 

　　歷時三年調(diào)試數(shù)千次

 

　　為解決上述兩個問題，決定為機器人增加自動原地起擺功能和爬坡功能，“我設(shè)計了一個與地面成12°角的助力支架，同時編寫了‘起擺程序’，通過三個電機帶動三個輪子，通過輪子的摩擦力大小帶動、改變球體轉(zhuǎn)動的速度、方式

 

　　然而，這時機器人行駛的“平衡”是一種動態(tài)的平衡，靠幾個力相互制衡維持，“這種制衡依靠內(nèi)部程序的不斷檢測和調(diào)整，通過參數(shù)的測算、分析、試驗，不斷完善、調(diào)試程序。”起擺、上坡、下坡、平衡……呂寧一共為機器人編寫了多套程序，通過幾十個參數(shù)的不斷調(diào)整，試圖找到能使機器人行走最穩(wěn)定的值。“前前后后一共進行了數(shù)千次試驗，如果說創(chuàng)作這個機器人有什么難點，那么這個漫長、枯燥的調(diào)試過程恐怕就是最大的困難所在。這時的呂寧一已經(jīng)開始了高一年級的學(xué)習(xí)，為了保證機器人的研制進度，他堅持每周至少有七八個小時“泡”在北京理工實驗室里。“那段時間真的非常緊張，放學(xué)后5點半開始做實驗，直到晚上10點半從實驗室回到家中，開始完成學(xué)校布置的作業(yè)和學(xué)習(xí)任務(wù)，經(jīng)常忙到夜里一兩點都無法入睡。”到了高二，學(xué)校在每周五下午撥出了3節(jié)研學(xué)課時間，這讓呂寧一的實驗變得從容了許多。

 

　　就這樣，直到今年，基本符合呂寧一預(yù)期的自起擺、行駛穩(wěn)定、能夠負重、具有爬坡功能的球輪機器人終于研制成功了。這項發(fā)明曾先后獲得日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎和全國青少年科技創(chuàng)新大賽二等獎兩項大獎。

 

　　高考有加分仍希望留學(xué)

 

　　“除了運動靈活以外，這個機器人還有占地面積小的優(yōu)勢。理想狀態(tài)下，球面與地面的接觸只有一個點，而一輛四輪車則需要占一個面。因此，在比較復(fù)雜的地面環(huán)境，如電線密布的車間、擺放精密儀器的實驗室、人潮擁擠的城市環(huán)境中，它可以靈活地進行一些輪式、履帶式機器人無法完成的工作，比如巡檢等。在今后的實踐和應(yīng)用中，我認為制作家政服務(wù)機器人也是不錯的選擇，因為機械上設(shè)計的載物平臺，可以使它完成很大重量的負重。”

 

　　雖然機器人發(fā)明所獲的獎項為呂寧一贏得了不少加分，但今年高三的呂寧一并未打算參加高考，他選擇了出國深造的道路。“我的理想是美國的杜克大學(xué)，我希望能夠進入杜克大學(xué)的機械工程或計算機科學(xué)專業(yè)對自己感興趣的領(lǐng)域進行更加深入的專業(yè)學(xué)習(xí)。”

 

　　同時，呂寧一表示，國外的學(xué)習(xí)結(jié)束后，一定會回到國內(nèi)從事相關(guān)的工作，“我的父母都是工程師，媽媽是理工大學(xué)的教師。從我能夠得到實驗臺開始，他們就把我?guī)нM了實驗室。通過從小對科研和科研人員的接觸，我對這種緊張但充實的生活方式特別有好感，希望以后也能為自己熱愛的領(lǐng)域貢獻力量。”