目前,机器人教育理念深入人心,教育机器人正面临国家政策支持、产业转型推进、资本市场助力、教育教学改革驱动、科技创新需求等多方面带来的发展机遇。其中,适合于中小学学生使用的小型仿人机器人的发展更是备受关注。本文从我国青少年科技创新意识培养、机器人教育普及的角度出发,概述了国内外教育机器人、小型仿人机器人的研发情况,介绍了NAO、Alpha 1S的关键技术参数。在上述介绍与分析的基础上,本文将研发一款10自由度小型仿人教育机器人。在整个研发过程中,始终坚持方法传承与技术创新相结合、成本兼顾与性能寻优相结合、动脑与动手相结合的原则,力求实现机器人控制方式的多元化和机器人操作使用的普适性,实现学生创新意识、实践能力、思考水平的同步提升。为此,本文结合研发目标,拟定了“四个结合”的研究方法,明确了以机器人机械结构设计、硬件系统设计、软件系统设计为主攻方向的研发思路,详实规划、逐步实施,并通过样机实验、教学实践验证研发方案。概括而言,本文主要完成的工作如下:1.在机器人机械结构设计方面:结合人体仿生学进行了机器人自由度的详尽分析与合理配比;在分析驱动元件优缺点与运动特性后,选择了模拟舵机SG90作为机器人关节驱动电机;完成了各部分机械结构的工程设计和尺寸调整优化;为提升中小学学生动手能力,特别实现了机器人实体零件的激光切割加工;在此基础上,建立了10自由度9连杆的小型仿人教育机器人的数理模型,完成了正逆运动学分析,使其具备了开展动力学分析的基础。2.在机器人控制系统硬件设计方面:经过选型分析,确定了STM32F103C8T6为主控芯片,MPU6050为姿态检测传感器;以上述芯片为核心,设计了机器人专用电路,包括:MCU外围电路、电源电路、传感器检测电路、无线通讯模块电路、遥控器电路;并进行了PCB设计,加工生产了控制电路和遥控器的PCB板。3.在机器人控制系统软件设计方面:本文采用分层递阶软件构架方法,研发了软件控制系统,系统自下而上分为驱动层、应用层和执行层;结合嵌入式系统软件和PC软件,设计了多路舵机、传感器、遥控器的控制方法及程序;开发了上位机软件;软件各部分分工明确,实现了机器人动作编辑、算法执行、特性调试、硬件检测及伺服驱动等多项功能。4.在完成小型仿人教育机器人研发之后,进行了基于Adams的机器人舞蹈编排效果检测、核心控制器硬件实验、上位机实验、遥控器实验以及整机实验;在上述研究的基础上,结合人才培养与创新教育目标,进行了系列教学实践活动,同时以10自由度小型仿人教育机器人为作品参加了国内多项大赛。仿真实验、样机实验、教学实践和竞赛结果充分证明了该机器人设计的合理性、可靠性、可行性和实用性。在总结研究工作后,提出了对小型仿人教育机器人的研究展望。本文对小型仿人教育机器人的研发与应用具有一定的参考价值。