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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 基于A(yíng)VR單片機(jī)控制的仿人形雙足機(jī)器人研制
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作B類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 本設(shè)計(jì)由一個(gè)十七個(gè)自由度構(gòu)成的機(jī)器人。這款機(jī)器人可以模仿人的各種動(dòng)作比如：行走、下蹲、倒立、翻跟頭、俯臥撐等常規(guī)動(dòng)作，還可以根據(jù)人的意愿隨意設(shè)計(jì)各種舞蹈的整套動(dòng)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(dòng)按鍵來(lái)激活相應(yīng)的程序模塊，來(lái)控制一個(gè)可控制的數(shù)字錄音擴(kuò)展部件（事先錄制好的語(yǔ)言）讓機(jī)器人發(fā)聲，還可以由機(jī)器人身體上的傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡、導(dǎo)航等功能這些功能是正在研究并可以實(shí)現(xiàn)的功能。
- 詳細(xì)介紹：
- 我們本著以普及科學(xué)知識(shí)尤其是機(jī)器人知識(shí)為宗旨，使人們進(jìn)一步通過(guò)接觸機(jī)器人，對(duì)其制造及功能所包含的科學(xué)原理和方法有一個(gè)更加深入的了解。 本作品是由十七個(gè)自由度（即十七舵機(jī)作為十七個(gè)關(guān)節(jié)）構(gòu)成的仿人形雙足機(jī)器人，采用航模舵機(jī)為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)部件及鋁合金為連接部件。這款機(jī)器人可以通過(guò)AVR單片機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)模仿人的各種動(dòng)作，如：行走、下蹬、倒立、翻跟頭、俯臥撐等，還可以伴隨音樂(lè)隨意設(shè)計(jì)各種舞蹈動(dòng)作。仿人形雙足機(jī)器人采用了便于拆卸的模塊化機(jī)械結(jié)構(gòu)和能夠產(chǎn)生多路脈沖信號(hào)的控制器，使用者可以根據(jù)自己的意愿挑選機(jī)器人的部件，構(gòu)建自己所需形態(tài)的機(jī)器人，如：機(jī)器狗、機(jī)器蛇、仿生蜘蛛等。 通過(guò)自編的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)拖動(dòng)就可以設(shè)計(jì)機(jī)器人各種復(fù)雜的動(dòng)作，大大優(yōu)化了操作過(guò)程，同時(shí)采用單片機(jī)作為核心控制器，可以使其作為人們學(xué)習(xí)單片機(jī)編程和控制理論的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 我們仿人形雙足機(jī)器人的最終目標(biāo)是設(shè)計(jì)和創(chuàng)造出一個(gè)接近真人的機(jī)電一體化裝置，可以除了進(jìn)行語(yǔ)言交流，還可以通過(guò)機(jī)器人身上安裝的傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡、導(dǎo)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(guò)進(jìn)一步創(chuàng)新和努力，必定可以完成最終目標(biāo)。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明目的：設(shè)計(jì)一種能模仿人類(lèi)肢體動(dòng)作的人形機(jī)器人，為人們深入研究和學(xué)習(xí)人形機(jī)器人在機(jī)械電子等方面的知識(shí)提供實(shí)踐平臺(tái)，并可用于娛樂(lè)、商業(yè)宣傳等。 基本設(shè)計(jì)思路：借鑒“仿人機(jī)器人之父”加藤一郎的設(shè)想，以航模舵機(jī)為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)部件及鋁合金為連接部件，組成具有十七個(gè)自由度的類(lèi)人機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)AVR單片機(jī)控制電路實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的各種類(lèi)人型肢體及舞蹈動(dòng)作。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1.對(duì)舵機(jī)進(jìn)行改造，大大降低了機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和成本。 2.為舞蹈和體操的設(shè)計(jì)新穎和高難度動(dòng)作的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 3.定義了一套主控卡與上位機(jī)、存儲(chǔ)卡之間的協(xié)議。 4.自行設(shè)計(jì)控制算法，節(jié)約了大量的I/O資源。技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題： 1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 2.機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)與制造； 3.控制器硬件電路設(shè)計(jì)； 4.控制器軟件設(shè)計(jì)。主要技術(shù)指標(biāo)：身高：348mm 行走速度：0.21m/s 舵機(jī)型號(hào)：MG945 關(guān)節(jié)自由度：17個(gè)腿部自由度：5*2=10個(gè)胳膊自由度：3*2=6個(gè)頭部自由度：1個(gè)表演面積：750*750=562500cm2
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品通過(guò)借鑒加藤一郎的結(jié)構(gòu)設(shè)想，采用易于拆裝和組合的十七個(gè)自由度為設(shè)計(jì)理念。此結(jié)構(gòu)在舵機(jī)方面的改造、增加了許多新穎合理性的科學(xué)研究和試驗(yàn)，同時(shí)在控制部分采用單片機(jī)作為主控板，具有廉價(jià)和易于學(xué)習(xí)和控制的特點(diǎn)。人形機(jī)器人設(shè)計(jì)中最突出的難點(diǎn)是機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)中的重心和平衡兩大問(wèn)題。本設(shè)計(jì)中對(duì)此部分提供的解決方法是：采用重心的地面投影點(diǎn)和零力矩點(diǎn)物理學(xué)并結(jié)合對(duì)機(jī)器人各個(gè)部分的質(zhì)心進(jìn)行精密準(zhǔn)確地計(jì)算。由反復(fù)地實(shí)驗(yàn)證明了此機(jī)構(gòu)合理、線(xiàn)形度好、誤差小和平衡性好等特點(diǎn)。同時(shí)為了各個(gè)部分機(jī)構(gòu)的精確，我們的機(jī)器人各部分皆采用了精密的模具開(kāi)模來(lái)制作各部分零件。通過(guò)對(duì)以上這些方面的改造，彌補(bǔ)了機(jī)器人在重心和平衡以往的不足和缺陷。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2009年12月16安徽省高校首屆機(jī)器人大賽中獲得三等獎(jiǎng)；2010年12月15號(hào)安徽省百所高校百萬(wàn)大學(xué)生科普創(chuàng)意創(chuàng)新大賽 三等獎(jiǎng)；2011年4月19號(hào)某大學(xué)第十屆“興農(nóng)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽 一等獎(jiǎng)；2011年5月27日第四屆“挑戰(zhàn)杯”合鍛股份安徽省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽 一等獎(jiǎng)；
作品所處階段
- 第二代完善階段，第三代研發(fā)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 轉(zhuǎn)讓生產(chǎn)權(quán)或銷(xiāo)售權(quán)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、圖紙、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像、樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明：通過(guò)編寫(xiě)程序控制機(jī)器人完成指定動(dòng)作，也可通過(guò)鼠標(biāo)簡(jiǎn)單控制PC機(jī)上相應(yīng)的軟件來(lái)設(shè)計(jì)各種動(dòng)作。技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：科學(xué)合理的設(shè)計(jì)使其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，模仿人類(lèi)肢體動(dòng)作更具靈活性和復(fù)雜性。此外，自編上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)拖動(dòng)就可以設(shè)計(jì)并控制機(jī)器人動(dòng)作的功能，優(yōu)化操作過(guò)程。適應(yīng)范圍及推廣前景：可應(yīng)用于高校、中小學(xué)的各機(jī)器人比賽項(xiàng)目，通過(guò)比賽提高青少年的科學(xué)興趣，培養(yǎng)其動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。也可應(yīng)用于學(xué)校的各類(lèi)輔助實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)、單片機(jī)控制電路制作、控制程序設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用等,提供一個(gè)機(jī)器人的開(kāi)放式技術(shù)平臺(tái)，讓技術(shù)開(kāi)發(fā)者在此平臺(tái)上發(fā)揮自己的想象和創(chuàng)意。市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：目前市場(chǎng)上用于教學(xué)，科學(xué)研究的雙足機(jī)器人價(jià)格至少在18000元左右，而對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)是負(fù)擔(dān)不起的。而我們的人形機(jī)器人，將會(huì)解決這個(gè)困擾。如果批量生產(chǎn)，生產(chǎn)50臺(tái)機(jī)器人，每臺(tái)價(jià)格可控制在4000元左右,按每臺(tái)擁有10%的利潤(rùn)，可獲利50萬(wàn)元，市場(chǎng)前景較為廣闊。投資回報(bào)率為25%。初步分析，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀(guān)。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 在國(guó)外，日本本田公司于1997年10月推出了雙足步行機(jī)器人P3，P3通過(guò)它的身體的重力感應(yīng)器和腳底的觸覺(jué)傳感器把地面的狀況送回電腦，電腦則根據(jù)路面情況作出判斷，進(jìn)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(tái)階和傾斜的路。美國(guó)麻省理工學(xué)院研制出了仿人形機(jī)器人科戈（COG），科戈”機(jī)器人的大腦是由16個(gè)摩托羅拉68332芯片構(gòu)成的，“科戈”的大腦放在與之相鄰的室內(nèi)，通過(guò)電纜與之相連?！翱聘辍弊疃嘤?50個(gè)摩托羅拉芯片?？聘辍钡拇竽X與人類(lèi)的大腦一樣，能同時(shí)處理多項(xiàng)任務(wù)。本田公司最新開(kāi)發(fā)的新型機(jī)器人“阿西莫”，與1977年誕生的P3相比，它具有體型小、質(zhì)量輕、動(dòng)作緊湊輕柔的特點(diǎn)。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(guó)麻省理工學(xué)院最近研制出了一種有著像人一樣眼睛的新型機(jī)器人，它能與人類(lèi)進(jìn)行交流，能對(duì)周?chē)沫h(huán)境做出回應(yīng)，并能協(xié)助人類(lèi)完成許多工作。 在國(guó)內(nèi)，人形機(jī)器人研究起步于1986年啟動(dòng)的國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃），在國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和湖南省的支持下，長(zhǎng)沙國(guó)防科技大學(xué)于1988年2月研制成功了六關(guān)節(jié)平面運(yùn)動(dòng)型雙足步行機(jī)器人，隨后于1990年又先后研制成功了十關(guān)節(jié)、十二關(guān)節(jié)的空間運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了平地前進(jìn)、后退，左右側(cè)行，左右轉(zhuǎn)彎，上下臺(tái)階，上下斜坡和跨越障礙等人類(lèi)所具備的基本行走功能。近期在十二關(guān)節(jié)的空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)了每秒鐘兩步的前進(jìn)及左右動(dòng)態(tài)行走功能。經(jīng)過(guò)十年攻關(guān)，國(guó)防科技大學(xué)研制成功我國(guó)第一臺(tái)仿人型機(jī)器人——“先行者”，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人技術(shù)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(yǔ)言功能，可以動(dòng)態(tài)步行。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所于80年代末開(kāi)始靈巧手的研究與開(kāi)發(fā)，最初研究出來(lái)的BH－1型靈巧手功能相對(duì)簡(jiǎn)單，但填補(bǔ)了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)空白。在隨后的幾年中又不斷改進(jìn)，現(xiàn)在的靈巧手已能靈巧地抓持和操作不同材質(zhì)、不同形狀的物體。它配在機(jī)器人手臂上充當(dāng)靈巧末端執(zhí)行器可擴(kuò)大機(jī)器人的作業(yè)范圍，完成復(fù)雜的裝配、搬運(yùn)等操作。靈巧手有三個(gè)手指，每個(gè)手指有3個(gè)關(guān)節(jié)，3個(gè)手指共9個(gè)自由度，微電機(jī)放在靈巧手的內(nèi)部，各關(guān)節(jié)裝有關(guān)節(jié)角度傳感器，指端配有三維力傳感器，采用兩級(jí)分布式計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。 目前，我國(guó)對(duì)于仿人形機(jī)器人的研究與世界先進(jìn)水平相比還有差距。
