基本信息
- 項目名稱：
- 基于AVR單片機控制的仿人形雙足機器人研制
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本設計由一個十七個自由度構成的機器人。這款機器人可以模仿人的各種動作比如：行走、下蹲、倒立、翻跟頭、俯臥撐等常規(guī)動作，還可以根據人的意愿隨意設計各種舞蹈的整套動作；其次還可以以提示音的形式發(fā)聲，這些功能可以借助啟動按鍵來激活相應的程序模塊，來控制一個可控制的數字錄音擴展部件（事先錄制好的語言）讓機器人發(fā)聲，還可以由機器人身體上的傳感器實現(xiàn)自動循跡、導航等功能這些功能是正在研究并可以實現(xiàn)的功能。
- 詳細介紹：
- 我們本著以普及科學知識尤其是機器人知識為宗旨，使人們進一步通過接觸機器人，對其制造及功能所包含的科學原理和方法有一個更加深入的了解。 本作品是由十七個自由度（即十七舵機作為十七個關節(jié)）構成的仿人形雙足機器人，采用航模舵機為關節(jié)驅動部件及鋁合金為連接部件。這款機器人可以通過AVR單片機控制執(zhí)行機構來模仿人的各種動作，如：行走、下蹬、倒立、翻跟頭、俯臥撐等，還可以伴隨音樂隨意設計各種舞蹈動作。仿人形雙足機器人采用了便于拆卸的模塊化機械結構和能夠產生多路脈沖信號的控制器，使用者可以根據自己的意愿挑選機器人的部件，構建自己所需形態(tài)的機器人，如：機器狗、機器蛇、仿生蜘蛛等。 通過自編的上位機軟件實現(xiàn)了簡單的鼠標拖動就可以設計機器人各種復雜的動作，大大優(yōu)化了操作過程，同時采用單片機作為核心控制器，可以使其作為人們學習單片機編程和控制理論的實驗平臺。 我們仿人形雙足機器人的最終目標是設計和創(chuàng)造出一個接近真人的機電一體化裝置，可以除了進行語言交流，還可以通過機器人身上安裝的傳感器實現(xiàn)自動循跡、導航等功能，雖然我們的研究只是剛剛起步，需要做的工作還很多，但是我們相信通過進一步創(chuàng)新和努力，必定可以完成最終目標。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計、發(fā)明目的：設計一種能模仿人類肢體動作的人形機器人，為人們深入研究和學習人形機器人在機械電子等方面的知識提供實踐平臺，并可用于娛樂、商業(yè)宣傳等。 基本設計思路：借鑒“仿人機器人之父”加藤一郎的設想，以航模舵機為關節(jié)驅動部件及鋁合金為連接部件，組成具有十七個自由度的類人機器人的機械結構，通過AVR單片機控制電路實現(xiàn)這個機械結構的各種類人型肢體及舞蹈動作。 創(chuàng)新點： 1.對舵機進行改造，大大降低了機械結構的復雜度和成本。 2.為舞蹈和體操的設計新穎和高難度動作的實驗平臺。 3.定義了一套主控卡與上位機、存儲卡之間的協(xié)議。 4.自行設計控制算法，節(jié)約了大量的I/O資源。技術關鍵問題： 1.結構設計； 2.機械零部件的設計與制造； 3.控制器硬件電路設計； 4.控制器軟件設計。主要技術指標：身高：348mm 行走速度：0.21m/s 舵機型號：MG945 關節(jié)自由度：17個腿部自由度：5*2=10個胳膊自由度：3*2=6個頭部自由度：1個表演面積：750*750=562500cm2
科學性、先進性
- 本作品通過借鑒加藤一郎的結構設想，采用易于拆裝和組合的十七個自由度為設計理念。此結構在舵機方面的改造、增加了許多新穎合理性的科學研究和試驗，同時在控制部分采用單片機作為主控板，具有廉價和易于學習和控制的特點。人形機器人設計中最突出的難點是機器人整體結構中的重心和平衡兩大問題。本設計中對此部分提供的解決方法是：采用重心的地面投影點和零力矩點物理學并結合對機器人各個部分的質心進行精密準確地計算。由反復地實驗證明了此機構合理、線形度好、誤差小和平衡性好等特點。同時為了各個部分機構的精確，我們的機器人各部分皆采用了精密的模具開模來制作各部分零件。通過對以上這些方面的改造，彌補了機器人在重心和平衡以往的不足和缺陷。
獲獎情況及鑒定結果
- 2009年12月16安徽省高校首屆機器人大賽中獲得三等獎；2010年12月15號安徽省百所高校百萬大學生科普創(chuàng)意創(chuàng)新大賽 三等獎；2011年4月19號某大學第十屆“興農杯”大學生課外學術科技作品競賽 一等獎；2011年5月27日第四屆“挑戰(zhàn)杯”合鍛股份安徽省大學生課外學術科技作品競賽 一等獎；
作品所處階段
- 第二代完善階段，第三代研發(fā)階段
技術轉讓方式
- 轉讓生產權或銷售權
作品可展示的形式
- 實物、產品、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、錄像、樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 使用說明：通過編寫程序控制機器人完成指定動作，也可通過鼠標簡單控制PC機上相應的軟件來設計各種動作。技術特點和優(yōu)勢：科學合理的設計使其結構更加穩(wěn)定，模仿人類肢體動作更具靈活性和復雜性。此外，自編上位機軟件實現(xiàn)簡單的鼠標拖動就可以設計并控制機器人動作的功能，優(yōu)化操作過程。適應范圍及推廣前景：可應用于高校、中小學的各機器人比賽項目，通過比賽提高青少年的科學興趣，培養(yǎng)其動手能力和創(chuàng)新意識。也可應用于學校的各類輔助實驗及創(chuàng)新實踐教學、單片機控制電路制作、控制程序設計、嵌入式系統(tǒng)的應用等,提供一個機器人的開放式技術平臺，讓技術開發(fā)者在此平臺上發(fā)揮自己的想象和創(chuàng)意。市場分析和經濟效益預測：目前市場上用于教學，科學研究的雙足機器人價格至少在18000元左右，而對于很多人來說是負擔不起的。而我們的人形機器人，將會解決這個困擾。如果批量生產，生產50臺機器人，每臺價格可控制在4000元左右,按每臺擁有10%的利潤，可獲利50萬元，市場前景較為廣闊。投資回報率為25%。初步分析，經濟效益十分可觀。
同類課題研究水平概述
- 在國外，日本本田公司于1997年10月推出了雙足步行機器人P3，P3通過它的身體的重力感應器和腳底的觸覺傳感器把地面的狀況送回電腦，電腦則根據路面情況作出判斷，進而平衡身體，穩(wěn)定地前后左右行走。它不僅能走平路，還可以走臺階和傾斜的路。美國麻省理工學院研制出了仿人形機器人科戈（COG），科戈”機器人的大腦是由16個摩托羅拉68332芯片構成的，“科戈”的大腦放在與之相鄰的室內，通過電纜與之相連?！翱聘辍弊疃嘤?50個摩托羅拉芯片。科戈”的大腦與人類的大腦一樣，能同時處理多項任務。本田公司最新開發(fā)的新型機器人“阿西莫”，與1977年誕生的P3相比，它具有體型小、質量輕、動作緊湊輕柔的特點。阿西莫身高120cm，體重43公斤，更適合于家庭操作和自然行走。美國麻省理工學院最近研制出了一種有著像人一樣眼睛的新型機器人，它能與人類進行交流，能對周圍的環(huán)境做出回應，并能協(xié)助人類完成許多工作。 在國內，人形機器人研究起步于1986年啟動的國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃），在國家863計劃、國家自然科學基金和湖南省的支持下，長沙國防科技大學于1988年2月研制成功了六關節(jié)平面運動型雙足步行機器人，隨后于1990年又先后研制成功了十關節(jié)、十二關節(jié)的空間運動型機器人系統(tǒng)，并實現(xiàn)了平地前進、后退，左右側行，左右轉彎，上下臺階，上下斜坡和跨越障礙等人類所具備的基本行走功能。近期在十二關節(jié)的空間運動機構上，實現(xiàn)了每秒鐘兩步的前進及左右動態(tài)行走功能。經過十年攻關，國防科技大學研制成功我國第一臺仿人型機器人——“先行者”，實現(xiàn)了機器人技術的重大突破?！跋刃姓摺庇腥艘粯拥纳碥|、頭顱、眼睛、雙臂和雙足，有一定的語言功能，可以動態(tài)步行。北京航空航天大學機器人研究所于80年代末開始靈巧手的研究與開發(fā)，最初研究出來的BH－1型靈巧手功能相對簡單，但填補了當時國內空白。在隨后的幾年中又不斷改進，現(xiàn)在的靈巧手已能靈巧地抓持和操作不同材質、不同形狀的物體。它配在機器人手臂上充當靈巧末端執(zhí)行器可擴大機器人的作業(yè)范圍，完成復雜的裝配、搬運等操作。靈巧手有三個手指，每個手指有3個關節(jié)，3個手指共9個自由度，微電機放在靈巧手的內部，各關節(jié)裝有關節(jié)角度傳感器，指端配有三維力傳感器，采用兩級分布式計算機實時控制系統(tǒng)。 目前，我國對于仿人形機器人的研究與世界先進水平相比還有差距。
