挑战杯 科技发明类 全国特等奖作品汇编.docx

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挑战杯科技发明类全国特等奖作品汇编

挑战杯科技发明类全国特等奖作品汇编

　　同类课题研究水平概述：

　　目前，在美国、日本、韩国、欧洲等发达国家和地区，如Irobot、伊莱克斯、三星、日立等世界著名公司都已开发出智能清洁机器人。

美国专业机器人公司Irobot的产品Roomba，是以数学运算理念设计的，按逐渐扩大的螺旋状运转覆盖整个空间，碰到障碍物后，会转过一定角度继续清洁，通过交叉、重复螺旋运转的路线清洁。

该产品没有定位功能，只能做简单的避障，导致它的路径规划重复无效率。

瑞典家电制造商伊莱克斯研制生产的清洁机器人小“三叶虫”体积小巧,利用超声波探测障碍物，配有编码器来实现相对定位功能，可建立电子地图，清扫方式为，先沿墙壁绕房间走一周，规划路径后遇障碍物时重新规划路线。

韩国三星公司发布的最新吸尘机器人VC-RP30W,内部装有陀螺仪和编码器导航，对于陀螺仪的累积误差通过机器人天花板上的一个视觉定位装置来消除，使用直走迂回算法遍历房间。

20XX年，Irobot公司推出新产品Scooba230，采用了iAdapt科技来感知和监控环境以及使用不同的策略确保地面的干净，内置三级清洗系统，包括清洗、擦洗和擦干地面。

缺点是需要人工完成加水换水。

近些年，国内也已开始有关清洁机器人的研究开发工作，特别是在移动机器人的运动规划与控制方面取得了一定的成就。

哈尔滨工业大学与香港中文大学合作研制了全方位移动地面清扫机器人。

采用全方位移动技术，实时避障，具备自动和遥控两种控制方式。

浙江大学机械电子研究所也开展了关于清洁机器人的研究工作，并推出了具有初步智能的清洁机器人样机，该机器人能够自主避障，具备自动充电功能，一次清洁覆盖率达到90%。

另外华南理工大学、上海交通大学等院校科研机构也进行了不同程度的研究，取得了一些成果。

深圳银星智能电器有限公司生产的KV8是的国内产品化的清洁机器人的代表，是国内首个产品化清扫机器人。

其采用外螺旋的清扫方式，可以沿墙行走清洁墙角，红外测距传感器用来避障，价格很便宜。

缺点是，没有定位功能，效率低下。

综合以上分析可以看出：

绝大部分清洁机器人不具备有效拖地功能，便宜的低端产品要么没有合理的传感器组要么是定位算法过于粗糙，而高端产品，因价格十分高昂而难以普及。

从家用清洁机器人市场发展趋势来看，提供一套真正针对自动有效扫地拖地且成本低、价格便宜问题的解决方案将是清洁机器人研发中的热点问题和关键技术。

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　　网络智能娱乐健身系统第十二届“挑战杯”省赛作品小类：

机械与控制大类：

科技发明制作A类简介：

　　本作品是集娱乐、网络、智能和科学性于一体的健身系统，系统分成软件模块和硬件模块两部分。

系统的整体架构主要以下4个部分组成：

改造过的动感单车、可供用户娱乐的多人在线游戏、多功能网站、和存储用户信息的数据库。

其创新点主要体现在以下四个方面：

网络游戏娱乐健身、智能阻尼调节、网络社交平台和设备的物联网化。

　　详细介绍：

　　为了解决当前健身设备主要存在的以下问题：

功能单一、枯燥无味、无法获取用户的健身数据等，我们提出了本系统的创新型概念。

本作品是集娱乐、网络、智能和科学性于一体的健身系统，系统分成软件模块和硬件模块两部分。

系统的整体架构主要以下4个部分组成：

改造过的动感单车、可供用户娱乐的多人在线游戏、多功能网站、和存储用户信息的数据库。

在系统的硬件部分，我们通过改造已有的动感单车，加入了游戏控制，心率监控、转向检测、速度检测，阻尼调节，和USB无线传输等模块，来获取用户的健身数据，同时让健身车可以与电脑终端进行无线USB通信；在系统的软件部分，我们为用户提供了一个多人在线游戏，让多个用户可以在虚拟的健身世界里共同健身；除此之外，我们还为用户配备了一个多功能网站，这个网站提供了社交平台、远程教练、健身提醒以及查看健身数据等服务。

　　作品图片

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　　作品专业信息

　　设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标:

　　本作品的创新点：

1.娱乐健身的思想。

本作品通过一个多人在线游戏，在健身时，为用户提供了良好的娱乐体验；2.智能阻尼调节。

系统一方面可以通过BP神经网络自学习的方式调整适合用户的健身强度，另一方面可根据游戏场景，自动调节阻尼；3.网络社交平台。

可以扩大用户交际圈，便于教练异地指导用户健身；4.统一管理用户信息及健身数据，便于做进一步的分析和决策。

本作品在制作过程中采用如下关键技术：

RFID技术、传感器技术、无线数据传输技术、接口技术、物联网技术、游戏设计相关技术、数据库技术、网站技术等。

主要技术指标：

本作品的一个突出特点是健身服务一体化，为用户提供健身兼娱乐的服务，同时将收集到的用户健身数据，用于为健身用户指定个性化的健身计划，而且配置的网站提供同城交友功能，扩大用户的社交范围。

通过调查表明，在提供这些具有深度和广度的服务基础之上，80%以上的健身用户都表示对这种系统感兴趣，希望能获得这样类似的服务。

科学性、先进性:

　　本系统相较于传统健身设备具有以下突出的科学先进性：

1.社交和娱乐模式。

为用户提供多多功能社交网络平台，便于用户管理个人的健身数据，同时可以和其他用户在虚拟社区中进行交往，扩大用户交际圈。

2.智能调节反馈模式。

系统一方面可以根据BP神经网络自学习的方式，自动调整健身强度；另一方面可以根据游戏场景，智能增加或减少运动的阻尼，使用户获得更真实的游戏体验。

3.网络健身器材物联网技术。

便于用户管理个人健身数据。

4.让每个用户都拥有自己的健身私人教练。

远程教练通过网站可查看用户的基本信息和历史健身数据，并为用户提供合适的个性化健身计划。

5.科学健身计划和虚拟教练。

用户注册后，系统会自动为健身者建立了一个虚拟健身教练。

通过对健身者的身体素质和用户需求，以及以往的健身资料进行分析，虚拟健身教练会给健身者科学有效的健身建议和意见，并实时提供健身提醒。

获奖情况及鉴定结果:

　　于20XX年6月，参加华中科技大学第二届“求是杯”大学生课外学术科技作品竞赛，荣获一等奖.

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　　作品所处阶段:

　　实验室阶段。

技术转让方式:

　　将整个软硬件系统转让。

作品可展示的形式:

　　第二代作品已完成，可现场演示，并配有视频图片等材料。

　　使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测:

　　网络健身是一个新兴的很有前景的市场。

但据初步统计，我国现有人均健身机构拥有量为每10000人拥有一家健身馆，与发达国家每30人拥有一个健身馆的比率存在巨大差距。

而且到目前为止，健身还不是国人的一项日常生活规划，需要一定的激励措施。

本产品的推出，能很好的解决这一系列问题，此健身系统所具有的多人在线的竞速游戏对用户健身有很大的激励作用。

但是该系统不是单纯的体感游戏产品，因为系统能为用户提供合理科学的健身计划，游戏只是我们为解决健身时枯燥无味的问题的工具。

本健身设备在使用时需要电脑的支持，对于健身房、普通家庭和游戏用户，电脑已越来越普及，因此其适用范围广，市场需求量大，可用在健身房，办公室，学校，小区，家庭等场所。

伴随着本产品的研究和开发，在健身行业中，一种全新的运营模式也必将出现。

因为本产品具有相应的智能化健身管理系统，兼容多种网络健身器材，使健身器材的物联网管理模式成为可能。

若产品大量投入生产，于智能化健身管理系统是可以共享的，不需要重复的生产，这样就可以创造可观的经济价值。

同类课题研究水平概述:

　　主要从健身器材、健身场所管理系统、网络健身系统三个方面进行比较：

健身器材市场目前在健身器材市场上最有竞争力的是万年青WNQ（中国驰名商标,中国名牌,WNQ健身器材有限公司）、好家庭goodfamily（中国名牌,中国驰名商标,深圳市好家庭体育用品）、乔山Johnson（1975年台湾,亚洲最大的健身器材品牌之一）等公司。

而对他们公司进行调查，健身器材仍然是独立的，大多没有接入网络功能，监测人心率信息后，没有对健身器材工作强度进行反馈。

我们系统以实现了这部分的功能，填补了他们的空白。

健身场所管理系统目前的健身场所管理软件，比较著名的是佛盛龙健身会所管理系统、美萍健身房管理系统。

但是他们对健身场所的管理都仅仅局限于对会员会费的管理，并没有记录会员在健身时的健身类型，工作强度，健身时间等等，不能针对性的对会员进行服务，如购置

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　　使用频繁的健身器材。

在我们的系统中，于健身器材都具有联网能力，所以方便通过网络管理健身器材，知道器材的使用情况，从而可以做出合理的决策。

网络健身系统在中国，传统健身仍占据主导地位，网络健身技术正在起步阶段，然而悄然兴起的网络健身却受到了国内健身人士的极大青睐。

在网络健身系统方面，有突出成就的是四川省乐乐健体育用品有限公司。

20XX年，乐乐健已经相继推出网球、自行车、乒乓球、羽毛球、跑步和划船六项网络健身项目。

健身者只需挥动蓝牙手柄，就能与网络另一端的伙伴一起打网球、打乒乓或羽毛球，或者骑上网络健身车就能与网友一起在虚拟赛场上PK。

他关注于家庭健身，目前还没有推出更加智能化健身管理系统，而且他们系统不能和健身器材进行反馈的控制。

在国外，于健身理念的不同，大多数西方人把健身当作自身的需求，认为并不需要依靠网络来提起兴趣。

虽然虚拟技术起源于国外，但国外并未将该技术应用到健身器材领域，据了解，国外还没有在大型健身器材上大规模地应用数字化联网手段的成功案例。

中国的健身理念最早是从国外引进的，在发展模式上多少摆脱不了欧美等发达国家的影子，缺乏自己独特的方式。

我们通过调查，发现健身设备尚存在的问题，通过自主创新，提出本系统的创新型网络健身理念，并在实验室里完成了第二代作品。

网络健身无疑将成为中国健身行业的新支点，为体育用品市场创造新商机。

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　　轮履两用救援灭火小车第十二届“挑战杯”作品小类：

机械与控制大类：

科技发明制作A类简介：

　　轮履两用救援灭火小车，用于现场有毒、易燃、易爆、高温、高辐射等工业危险环境。

电力驱动，节能环保；轮履两用，全地形通过能力强；网络化智能控制，灭火效率高，克服了现有设备机身沉重、机动能力差、适应环境差等弱点。

针对不同的灾难特点及救援要求，依托该小车底盘装备不同的设备可执行多种救援任务。

　　详细介绍：

　　继日本地震及福岛核泄漏之后，各种安全事故越来越多，如何安全且快速有效地开展各种救援工作成为社会关注的话题。

但现代主要消防设备比较沉重，机动能力较差且在易爆、有毒、高温、高辐射等危险环境下的适应能力较差，对救援人员的人身安全不能提供有效的保障。

虽然现有较成熟的消防及救援机器人，但多为内燃机驱动，价格昂贵、体积庞大、结构复杂、功能比较单一且控制系统的遥控范围、控制精度远远不能满足救援要求。

为了弥补当前救援设备的主要缺点，特设计了一种轮履两用救援灭火小车。

在火灾时，以小车为载体带动消防炮进入火场进行灭火；在发生灾害时，小车可以充当探测工具，深入危险环境进行探测。

该小车的主体设计为消防炮、车架、行走系统、探测灭火系统和控制及保护系统五部分，并采用电力驱动。

行走系统履带行走系统、轮式行走系统和轮履转换系统组成，实现了轮履两用、相互转换，具有全地形通过能力；探测灭火系统探测系统和消防炮驱动系统组成，用以实现对火场内部情况的探测及消防炮的相关动作，如通过温度传感器、红外成像仪等将现场情况传输给控制系统，驱动消防炮对准着火点高效灭火；控制系统实现了网络化智能控制，用手机、电脑、控制器等设备远距离无线控制各电机、制动器、离合器的运动，精确实现小车的各项运动；保护系统设有水幕保护装置，保证小车在火场的安全。

针对不同的灾难特点及救援要求，依托该小车底盘装备不同的设备可执行多种救援任务。

小车结构简单、价格便宜、绿色环保、智能控制，能很好地满足消防救灾及环境探测的需要，应用前景广泛。

　　作品图片

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　　作品专业信息

　　设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标：

　　目的：

随着石化和核电等工业的高速发展，其防火防灾形势异常严峻。

消防炮是关键的辅助消防设备，目前，对于地形复杂、高危环境的灭火，仍靠消防队员先将消防炮搬到接近火场处，再实施手工操作灭火。

为了提高有毒、易爆、高温、高辐射环境下的灭火及救援效率，保障消防队员和被救人员的安全，特设计轮履两用消防小车。

基本思路：

作品采用电力驱动，同内燃机模式比较，绿色环保，且成本低；有轮式和履带两套独立的行走系统，根据不同地形，可采用不同的行进方式，实现了全地形通过能力；两侧履带分别采用两台电机独立驱动，增加了小车的机动性。

在控制方面采用网络化智能控制，实现了远距离无线遥控。

小车装有消防炮、温度传感器、红外成像仪等设备用于危险环境的消防灭火、环境探测等，增设的水幕装置，保护小车在火场的安全。

作品力求实用性更强，造价低，维护便捷。

创新点：

1）小车实现轮履两用，轮履有机结合相互转换，具全地形通过能力。

2）通过红外成像仪将现场情况传输给控制系统，驱动消防炮对准着火点，进行高效灭火。

3）小车实现了网络化智能控制。

技术关键：

作品的网络智能控制系统、机械传动系统的设计及其整车的技术集成。

技术指标：

体积1600mm×1300mm×900mm、重量250kg、遥控距离空旷10km，复杂环境2km、牵引力1500N、转弯半径、履带行驶速度/s、轮式行驶速度5m/s、消防炮旋转角度-75°～+75°、炮筒俯仰角度15°～75°、消防炮俯仰/旋转速度可调节。

科学性、先进性：

　　针对目前消防炮使用中的安全隐患，提出并设计了一种新型智能化的远程遥控、电力驱动的轮履两用救援灭火小车，完成了作品制造。

在消防队进行的现场测试结果表明，在保障人员安全的前提，该小车能满足消防炮特定场合灭火的各项要求。

该作品有机地集成了机械、控制和信息等学科的相关技术,具有以下优势：

远程遥控，安全性高；轮履两用，通过性强；网络化智能控制，灭火效率高；电力驱动，节能环保；结构简单。

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　　成本低。

针对不同灾难的救援要求，依托该小车的底盘，可执行多种救援任务。