基本信息
- 項目名稱：
- 類人雙臂還原魔方機器人
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品主要功能為還原任意錯位三階魔方，機器人為類人機器人結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和較高的重復(fù)定位精度，能夠適應(yīng)各種光照環(huán)境，可以在50s之內(nèi)還原任意錯亂的魔方。機器人采用人機交互方式和觀眾進行互動，并配有語音提示系統(tǒng)。
- 詳細介紹：
- 還原魔方機器人的設(shè)計制作需要模式識別、人工智能、自動控制、人體工程學(xué)、電路設(shè)計、機械設(shè)計等多學(xué)科多領(lǐng)域的知識，這些技術(shù)都是自動化作業(yè)平臺所必需的關(guān)鍵技術(shù)，本作品的出發(fā)點是對自動化作業(yè)平臺所使用的各個關(guān)鍵技術(shù)進行實踐應(yīng)用的嘗試，并作一些特定的改進。 還原魔方機器人能夠激發(fā)觀眾對科學(xué)的興趣，讓觀眾了解機器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，從而起到科學(xué)普及的作用。還原魔方機器人所采用的精密機械手和模式識別技術(shù)可以應(yīng)用到基礎(chǔ)工業(yè)、農(nóng)業(yè)科技、國防科技和科技教育當中，具有很廣闊的應(yīng)用前景。 本作品執(zhí)行機構(gòu)采用氣動元件，與其它機器人最常用的采用伺服電機作為執(zhí)行元件的方案相比，本作品執(zhí)行機構(gòu)有控制簡單，精度高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 魔方的顏色識別采用的HSV顏色空間排序法能夠最大限度地減少外界光照的影響，使得魔方機器人可以在很大的光照變化環(huán)境中也能夠準確的識別出魔方的顏色，大大提高了顏色識別的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 一、發(fā)明的基本思路 隨著科技的發(fā)展，高智能集成化的自動化作業(yè)平臺在人類生活的各個領(lǐng)域都有著越來越重要的應(yīng)用。在家用方面，工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域上，自動化作業(yè)平臺都有著無可替代的作用，這些自動化作業(yè)平臺都有著一些共同的特點：高自由度，具有環(huán)境適應(yīng)系統(tǒng)，高智能性，是跨學(xué)科前沿技術(shù)的有機整合。本作品的出發(fā)點是，對自動化作業(yè)平臺所使用的各個關(guān)鍵技術(shù)進行實踐應(yīng)用的嘗試，并作一些特定的改進。 本作品定位為娛樂科普機器人，應(yīng)用范圍包括科技館、博物館、青少年活動中心等。通過對錯位魔方的還原，激發(fā)觀眾對科學(xué)的興趣，讓觀眾了解到當今機器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，從而起到科學(xué)普及的作用。還原魔方機器人集娛樂性和科技性為一體，讓觀眾在娛樂中學(xué)到知識。 二、創(chuàng)新點 機器人為類人雙臂機器人結(jié)構(gòu)，還原魔方的關(guān)鍵執(zhí)行元件——手臂和手指，均采用了精密氣缸；用于顏色識別的攝像頭采用工業(yè)級的CCD攝像頭，整個系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和較高的重復(fù)定位精度。 本作品設(shè)計實現(xiàn)了一種三自由度全氣動結(jié)構(gòu)的機械臂用于執(zhí)行解魔方動作，具有定位精度高，反應(yīng)速度快，控制接口簡單等特點，可用于工業(yè)領(lǐng)域作為工業(yè)機械臂。 本作品實現(xiàn)并改進了顏色識別方法，很好的解決了環(huán)境光照對顏色識別的影響，大大提高了本作品的顏色識別準確率與適應(yīng)能力，可以移植到工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作為自動化機械的視覺傳感器。
科學(xué)性、先進性
- （1）機構(gòu)設(shè)計：實現(xiàn)了三自由度全氣動機械臂，魔方的旋轉(zhuǎn)和翻面需要較高的機械精度，采用精密氣缸作為主要執(zhí)行元件，具有良好的重復(fù)定位精度，氣缸采用開環(huán)控制，極限位置為機械限位加液壓緩沖，控制簡單，運行穩(wěn)定性好。 （2）模式識別：很好的解決了顏色識別中普遍存在對環(huán)境光照依賴高的缺陷，采用HSV顏色空間將物體的色彩分解為顏色、飽和度和亮度三個維度，這樣可以把重點放在顏色上而不用去考慮環(huán)境光照度的影響，因此能夠最大限度地減少外界光照對攝像頭對魔方顏色采樣的干擾。 （3）自動控制：本作品為全自動機器人，提供良好的人機交互功能，觀眾只需將打亂的魔方放于指定位置，按下啟動按鈕后機器人便可自動還原魔方并送至起始位置。 （4）人工智能：采用快速魔方還原算法，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)將6個旋轉(zhuǎn)自由度的還原序列轉(zhuǎn)化為適合本機器人的2旋轉(zhuǎn)自由度還原序列。軟件具有較好的魯棒性，至今還未出現(xiàn)無法還原的魔方狀態(tài)。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- (1) 2010年安徽蕪湖第四屆科普展品博覽會參展。 (2) 2011年廣州第11屆亞太科學(xué)中心年會參展。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 未轉(zhuǎn)讓技術(shù)
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場展示，圖片，錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- (1) 技術(shù)特點和優(yōu)勢 采用類人雙臂機器人結(jié)構(gòu)，在魔方旋轉(zhuǎn)時保證高精度且轉(zhuǎn)動過程平穩(wěn)，機構(gòu)設(shè)計難度大。進行類人化設(shè)計能夠接近觀眾。 模式識別具有環(huán)境適應(yīng)性，基本排除了環(huán)境光照對識別的影響，可以在很大范圍內(nèi)的光照條件下都能快速穩(wěn)定的將魔方的顏色識別出來。 (2) 適用范圍 本作品定位為娛樂科普機器人，還原魔方機器人具有類人的身體構(gòu)造，還原魔方的動作也進行類人化設(shè)計，例如夾緊和松放、轉(zhuǎn)動和翻面等。作品可以用于科技館、博物館、青少年活動中心等科普場所的展覽。 (3) 經(jīng)濟效益預(yù)測 在國內(nèi)市場上還沒有開發(fā)成熟的雙臂還原魔方機器人出現(xiàn)，本作品結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，魯棒性強，維護簡單，價格合理，現(xiàn)已開發(fā)成熟，具有較好的市場前景。
同類課題研究水平概述
- 國內(nèi)外研制的還原魔方機器人較多，但絕大部分都是多自由度的機器人，例如使用3個機械手或者4個機械手。還原魔方不僅需要轉(zhuǎn)動魔方的一個面，還需要固定魔方的另外兩個面，多機械手的機器人能夠?qū)δХ狡鸬胶芎玫墓潭ㄗ饔茫夷軌蜻M行多面旋轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)動時能夠達到較高的速度。 還原魔方機器人采用的是雙機械臂的類人化設(shè)計，使得外觀更接近人類，可觀性更高，但難度也相應(yīng)增加，在任意時刻只能一機械手固定魔方一機械手轉(zhuǎn)動魔方，對機械精度和穩(wěn)定性要求更高。 現(xiàn)有的還原魔方機器人在識別魔方顏色時對環(huán)境要求較高，基本上都需要在特定的光照條件下進行，對環(huán)境的適應(yīng)性不強。 魔方的錯亂程度不同，還原需要的步數(shù)也不一樣，本作品從開始轉(zhuǎn)動魔方到還原結(jié)束的最長時間為50秒，算法能達到理論的最少還原步數(shù)——20步。
