“在電線密布的車間、擺放精密儀器的實(shí)驗(yàn)室、人潮擁擠的城市中，輪式、履帶式機(jī)器人有太多不便完成的任務(wù)。而我設(shè)計(jì)的機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)靈活、占地極小，正是填補(bǔ)輪式、履帶式機(jī)器人不足的完美替代品。”人大附中高中三年級(jí)的男生呂寧一，花了近3年的時(shí)間制作出一款“具有自啟動(dòng)功能的球輪機(jī)器人平臺(tái)”，集自啟、爬坡、負(fù)重功能于一體，先后獲得日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展金獎(jiǎng)和全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)發(fā)明大獎(jiǎng)。

 

　　足球場(chǎng)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(shí)放下了學(xué)習(xí)的壓力，開始享受輕松的假期。那個(gè)暑假里，他把大部分的時(shí)間都放在與同學(xué)們一起奔跑、馳騁在球場(chǎng)上。

 

　　就是在輕松踢球的過程中，這個(gè)勤于觀察、善于發(fā)現(xiàn)的男孩，找到了自己的關(guān)注點(diǎn)——“我發(fā)現(xiàn)足球的滾動(dòng)有它自己的特點(diǎn)：首先，球體滾動(dòng)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(dòng)不像汽車車輪一樣，需要‘拐彎’才能改變方向。其次，球體滾動(dòng)向各個(gè)方向的動(dòng)力相同。這一點(diǎn)也不像汽車車輪，向前行駛和‘倒車’時(shí)的馬力是不同的。”沒有轉(zhuǎn)彎半徑和全向機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)使球體的運(yùn)動(dòng)要比輪式和履帶式運(yùn)動(dòng)方式靈活、優(yōu)越許多。

 

　　發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，呂寧一決定據(jù)此制作一款“球輪機(jī)器人”，將球體運(yùn)動(dòng)的這個(gè)優(yōu)越性運(yùn)用到具體實(shí)踐中去，為日常生活帶來便利。

 

　　從支架支撐到獨(dú)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，寫出了機(jī)器人的初步設(shè)想。經(jīng)過緊張的研制過程，3個(gè)多月后，機(jī)器人初步的形態(tài)就制作出來了。”

 

　　球形輪運(yùn)動(dòng)機(jī)器人，由三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、三個(gè)萬向輪和一個(gè)支撐球體組成，三個(gè)萬向輪與球體成一定傾斜角固定對(duì)稱安裝，通過協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)球體在地面滾動(dòng)，可以使機(jī)器人平順地向任何方向運(yùn)動(dòng)而不改變機(jī)器人本身的朝向。為了使其能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動(dòng)、平衡、行走功能，球形輪機(jī)器人加載了慣性傳感器以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)、角速度、速度的測(cè)量，同時(shí)由車載計(jì)算機(jī)和單片機(jī)作為控制器，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定控制。

 

　　但此時(shí)的機(jī)器人自身有一個(gè)明顯的不足，那就是穩(wěn)定性比較弱，“最開始制作出來時(shí)，機(jī)器人只能用3根支架支撐著，不然就會(huì)倒下。我們花費(fèi)了兩三個(gè)月的時(shí)間把3根支架撤掉，使機(jī)器人能夠獨(dú)立站立。”這時(shí)的機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立站立并行走一段不長(zhǎng)的距離，但穩(wěn)定性和實(shí)用功能都未能達(dá)到呂寧一的預(yù)期，“此時(shí)的機(jī)器人，首先對(duì)地形的適應(yīng)能力較弱，如果遇到坡度就會(huì)倒下。同時(shí)，機(jī)器人如果斷電倒下是無法自行‘站起來’的，這影響了自動(dòng)化程度，要知道僅在實(shí)驗(yàn)階段，機(jī)器人配重就達(dá)20多公斤，如果投入生產(chǎn)則可能會(huì)達(dá)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(shí)三年調(diào)試數(shù)千次

 

　　為解決上述兩個(gè)問題，呂寧一決定為機(jī)器人增加自動(dòng)原地起擺功能和爬坡功能，“我設(shè)計(jì)了一個(gè)與地面成12°角的助力支架，同時(shí)編寫了‘起擺程序’，通過三個(gè)電機(jī)帶動(dòng)三個(gè)輪子，通過輪子的摩擦力大小帶動(dòng)、改變球體轉(zhuǎn)動(dòng)的速度、方式。”

 

　　然而，這時(shí)機(jī)器人行駛的“平衡”是一種動(dòng)態(tài)的平衡，靠幾個(gè)力相互制衡維持，“這種制衡依靠?jī)?nèi)部程序的不斷檢測(cè)和調(diào)整，通過參數(shù)的測(cè)算、分析、實(shí)驗(yàn)，不斷完善、調(diào)試程序。”起擺、上坡、下坡、平衡……呂寧一一共為機(jī)器人編寫了多套程序，通過幾十個(gè)參數(shù)的不斷調(diào)整，試圖找到能使機(jī)器人行走最穩(wěn)定的值。“前前后后一共進(jìn)行了數(shù)千次實(shí)驗(yàn)，如果說創(chuàng)作這個(gè)機(jī)器人有什么難點(diǎn)，那么這個(gè)漫長(zhǎng)、枯燥的調(diào)試過程恐怕就是最大的困難所在。”

 

　　這時(shí)的呂寧一已經(jīng)開始了高一年級(jí)的學(xué)習(xí)，為了保證機(jī)器人的研制進(jìn)度，他堅(jiān)持每周至少有七八個(gè)小時(shí)“泡”在北京理工大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里。“那段時(shí)間真的非常緊張，放學(xué)后5點(diǎn)半開始做實(shí)驗(yàn)，直到晚上10點(diǎn)半從實(shí)驗(yàn)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(diǎn)都無法入睡。”到了高二，學(xué)校在每周五下午安排3節(jié)研學(xué)課時(shí)間，這讓呂寧一的實(shí)驗(yàn)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(fù)重、具有爬坡功能的球輪機(jī)器人終于研制成功了。這項(xiàng)發(fā)明曾先后獲得日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展金獎(jiǎng)和全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)大獎(jiǎng)。

 

　　高考有加分

 

　　仍希望留學(xué)

 

　　“除了運(yùn)動(dòng)靈活以外，這個(gè)機(jī)器人還有占地面積小的優(yōu)勢(shì)。理想狀態(tài)下，球面與地面的接觸只有一個(gè)點(diǎn)，而一輛四輪車則需要占一個(gè)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(shí)驗(yàn)室、人潮擁擠的城市環(huán)境中，它可以靈活地進(jìn)行一些輪式、履帶式機(jī)器人無法完成的工作，比如巡檢等。在今后的實(shí)踐和應(yīng)用中，我認(rèn)為制作家政服務(wù)機(jī)器人也是不錯(cuò)的選擇，因?yàn)闄C(jī)械上設(shè)計(jì)的載物平臺(tái)，可以使它完成很大重量的負(fù)重。”

 

　　雖然機(jī)器人發(fā)明所獲的獎(jiǎng)項(xiàng)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(guó)深造的道路。“我的理想是美國(guó)的杜克大學(xué)，我希望能夠進(jìn)入杜克大學(xué)的機(jī)械工程或計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)對(duì)自己感興趣的領(lǐng)域進(jìn)行更加深入的專業(yè)學(xué)習(xí)。”

 

　　同時(shí)，呂寧一表示，國(guó)外的學(xué)習(xí)結(jié)束后，一定會(huì)回到國(guó)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(shí)驗(yàn)臺(tái)開始，他們就把我?guī)нM(jìn)了實(shí)驗(yàn)室。通過從小對(duì)科研和科研人員的接觸，我對(duì)這種緊張但充實(shí)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(xiàn)力量。”