基本信息
- 项目名称：
- 类人双臂还原魔方机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品主要功能为还原任意错位三阶魔方，机器人为类人机器人结构，整个系统具有良好的稳定性和较高的重复定位精度，能够适应各种光照环境，可以在50s之内还原任意错乱的魔方。机器人采用人机交互方式和观众进行互动，并配有语音提示系统。
- 详细介绍：
- 还原魔方机器人的设计制作需要模式识别、人工智能、自动控制、人体工程学、电路设计、机械设计等多学科多领域的知识，这些技术都是自动化作业平台所必需的关键技术，本作品的出发点是对自动化作业平台所使用的各个关键技术进行实践应用的尝试，并作一些特定的改进。 还原魔方机器人能够激发观众对科学的兴趣，让观众了解机器人技术的发展现状，从而起到科学普及的作用。还原魔方机器人所采用的精密机械手和模式识别技术可以应用到基础工业、农业科技、国防科技和科技教育当中，具有很广阔的应用前景。 本作品执行机构采用气动元件，与其它机器人最常用的采用伺服电机作为执行元件的方案相比，本作品执行机构有控制简单，精度高，稳定性好等优点。 魔方的颜色识别采用的HSV颜色空间排序法能够最大限度地减少外界光照的影响，使得魔方机器人可以在很大的光照变化环境中也能够准确的识别出魔方的颜色，大大提高了颜色识别的适应性和稳定性。
作品图片
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
- 一、发明的基本思路 随着科技的发展，高智能集成化的自动化作业平台在人类生活的各个领域都有着越来越重要的应用。在家用方面，工业和农业领域上，自动化作业平台都有着无可替代的作用，这些自动化作业平台都有着一些共同的特点：高自由度，具有环境适应系统，高智能性，是跨学科前沿技术的有机整合。本作品的出发点是，对自动化作业平台所使用的各个关键技术进行实践应用的尝试，并作一些特定的改进。 本作品定位为娱乐科普机器人，应用范围包括科技馆、博物馆、青少年活动中心等。通过对错位魔方的还原，激发观众对科学的兴趣，让观众了解到当今机器人技术的发展现状，从而起到科学普及的作用。还原魔方机器人集娱乐性和科技性为一体，让观众在娱乐中学到知识。 二、创新点 机器人为类人双臂机器人结构，还原魔方的关键执行元件——手臂和手指，均采用了精密气缸；用于颜色识别的摄像头采用工业级的CCD摄像头，整个系统具有良好的稳定性和较高的重复定位精度。 本作品设计实现了一种三自由度全气动结构的机械臂用于执行解魔方动作，具有定位精度高，反应速度快，控制接口简单等特点，可用于工业领域作为工业机械臂。 本作品实现并改进了颜色识别方法，很好的解决了环境光照对颜色识别的影响，大大提高了本作品的颜色识别准确率与适应能力，可以移植到工业和农业生产中作为自动化机械的视觉传感器。
科学性、先进性
- （1）机构设计：实现了三自由度全气动机械臂，魔方的旋转和翻面需要较高的机械精度，采用精密气缸作为主要执行元件，具有良好的重复定位精度，气缸采用开环控制，极限位置为机械限位加液压缓冲，控制简单，运行稳定性好。 （2）模式识别：很好的解决了颜色识别中普遍存在对环境光照依赖高的缺陷，采用HSV颜色空间将物体的色彩分解为颜色、饱和度和亮度三个维度，这样可以把重点放在颜色上而不用去考虑环境光照度的影响，因此能够最大限度地减少外界光照对摄像头对魔方颜色采样的干扰。 （3）自动控制：本作品为全自动机器人，提供良好的人机交互功能，观众只需将打乱的魔方放于指定位置，按下启动按钮后机器人便可自动还原魔方并送至起始位置。 （4）人工智能：采用快速魔方还原算法，通过状态转换函数将6个旋转自由度的还原序列转化为适合本机器人的2旋转自由度还原序列。软件具有较好的鲁棒性，至今还未出现无法还原的魔方状态。
获奖情况及鉴定结果
- (1) 2010年安徽芜湖第四届科普展品博览会参展。 (2) 2011年广州第11届亚太科学中心年会参展。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 未转让技术
作品可展示的形式
- 现场展示，图片，录像
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
- (1) 技术特点和优势 采用类人双臂机器人结构，在魔方旋转时保证高精度且转动过程平稳，机构设计难度大。进行类人化设计能够接近观众。 模式识别具有环境适应性，基本排除了环境光照对识别的影响，可以在很大范围内的光照条件下都能快速稳定的将魔方的颜色识别出来。 (2) 适用范围 本作品定位为娱乐科普机器人，还原魔方机器人具有类人的身体构造，还原魔方的动作也进行类人化设计，例如夹紧和松放、转动和翻面等。作品可以用于科技馆、博物馆、青少年活动中心等科普场所的展览。 (3) 经济效益预测 在国内市场上还没有开发成熟的双臂还原魔方机器人出现，本作品结构稳定可靠，鲁棒性强，维护简单，价格合理，现已开发成熟，具有较好的市场前景。
同类课题研究水平概述
- 国内外研制的还原魔方机器人较多，但绝大部分都是多自由度的机器人，例如使用3个机械手或者4个机械手。还原魔方不仅需要转动魔方的一个面，还需要固定魔方的另外两个面，多机械手的机器人能够对魔方起到很好的固定作用，而且能够进行多面旋转，因此转动时能够达到较高的速度。 还原魔方机器人采用的是双机械臂的类人化设计，使得外观更接近人类，可观性更高，但难度也相应增加，在任意时刻只能一机械手固定魔方一机械手转动魔方，对机械精度和稳定性要求更高。 现有的还原魔方机器人在识别魔方颜色时对环境要求较高，基本上都需要在特定的光照条件下进行，对环境的适应性不强。 魔方的错乱程度不同，还原需要的步数也不一样，本作品从开始转动魔方到还原结束的最长时间为50秒，算法能达到理论的最少还原步数——20步。
