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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于AVR單片機(jī)控制的仿人形雙足機(jī)器人研制
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 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(jù)人的意愿隨意設(shè)計(jì)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(yīng)的程序模塊，來控制一個(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)知識尤其是機(jī)器人知識為宗旨，使人們進(jìn)一步通過接觸機(jī)器人，對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)動部件及鋁合金為連接部件。這款機(jī)器人可以通過AVR單片機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)各種舞蹈動作。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。 通過自編的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了簡單的鼠標(biāo)拖動就可以設(shè)計(jì)機(jī)器人各種復(fù)雜的動作，大大優(yōu)化了操作過程，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。 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)行語言交流，還可以通過機(jī)器人身上安裝的傳感器實(shí)現(xiàn)自動循跡、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)一種能模仿人類肢體動作的人形機(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提供實(shí)踐平臺，并可用于娛樂、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)動部件及鋁合金為連接部件，組成具有十七個(gè)自由度的類人機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過AVR單片機(jī)控制電路實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的各種類人型肢體及舞蹈動作。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1.對舵機(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)新穎和高難度動作的實(shí)驗(yàn)平臺。 3.定義了一套主控卡與上位機(jī)、存儲卡之間的協(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：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題。本設(shè)計(jì)中對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模來制作各部分零件。通過對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；2010年12月15號安徽省百所高校百萬大學(xué)生科普創(chuàng)意創(chuàng)新大賽 三等獎；2011年4月19號某大學(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(xué)生課外學(xué)術(shù)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(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 轉(zhuǎn)讓生產(chǎn)權(quán)或銷售權(quán)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、錄像、樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)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(jì)效益預(yù)測
- 使用說明：通過編寫程序控制機(jī)器人完成指定動作，也可通過鼠標(biāo)簡單控制PC機(jī)上相應(yīng)的軟件來設(shè)計(jì)各種動作。技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢：科學(xué)合理的設(shè)計(jì)使其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，模仿人類肢體動作更具靈活性和復(fù)雜性。此外，自編上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)簡單的鼠標(biāo)拖動就可以設(shè)計(jì)并控制機(jī)器人動作的功能，優(yōu)化操作過程。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，通過比賽提高青少年的科學(xué)興趣，培養(yǎng)其動手能力和創(chuàng)新意識。也可應(yīng)用于學(xué)校的各類輔助實(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)器人的開放式技術(shù)平臺，讓技術(shù)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(jīng)濟(jì)效益預(yù)測：目前市場上用于教學(xué)，科學(xué)研究的雙足機(jī)器人價(jià)格至少在18000元左右，而對于很多人來說是負(fù)擔(dān)不起的。而我們的人形機(jī)器人，將會解決這個(gè)困擾。如果批量生產(chǎn)，生產(chǎn)50臺機(jī)器人，每臺價(jià)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(bào)率為25%。初步分析，經(jīng)濟(jì)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(jī)器人P3，P3通過它的身體的重力感應(yīng)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(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，還可以走臺階和傾斜的路。美國麻省理工學(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與人類的大腦一樣，能同時(shí)處理多項(xiàng)任務(wù)。本田公司最新開發(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，它能與人類進(jìn)行交流，能對周圍的環(huán)境做出回應(yīng)，并能協(xié)助人類完成許多工作。 在國內(nèi)，人形機(jī)器人研究起步于1986年啟動的國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃），在國家863計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和湖南省的支持下，長沙國防科技大學(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(guān)節(jié)的空間運(yùn)動機(jī)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)了每秒鐘兩步的前進(jìn)及左右動態(tài)行走功能。經(jīng)過十年攻關(guān)，國防科技大學(xué)研制成功我國第一臺仿人型機(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，有一定的語言功能，可以動態(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(bǔ)了當(dāng)時(shí)國內(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，采用兩級分布式計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。 目前，我國對于仿人形機(jī)器人的研究與世界先進(jìn)水平相比還有差距。
