兩足行走機器人 頭部、臂部控制部分設計開題報告

畢業(yè)設計(論文)開題報告學 生 姓 名：學 號：專 業(yè)：機械工程及自動化設計(論文)題目：兩足行走機器人 頭部、臂部控制部分設計 指 導 教 師:開題報告填寫要求1開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；2開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見；3“文獻綜述”應按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內(nèi)，學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于15篇科技論文的信息量，一般一本參考書最多相當于三篇科技論文的信息量（不包括辭典、手冊）；4有關(guān)年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 740894數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告1結(jié)合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫2000字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述摘要 兩足步行機器人以其自動化程度最高，動態(tài)系統(tǒng)最為復雜，以及豐富的動力學特性而成為機器人領(lǐng)域理論研究的熱點。兩足步行機器人類似人類行走，靈巧輕便，對行走環(huán)境有良好的適應性，既能在平地上行走，也能在非結(jié)構(gòu)性的復雜地面行走，因而使得步行機器人的應用范圍大大拓寬，受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，在理論和實踐方面做出了卓有成效的研究，開發(fā)了多種結(jié)構(gòu)的步行機器人。本文詳細介紹了研究兩足步行機器人的組成，機器人的原因，兩足步行機器人的應用前景。國內(nèi)外兩足步行機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞 機構(gòu) 穩(wěn)定性 自由度1 機器人的硬體組成機器人一般由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成。執(zhí)行機構(gòu)即機器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機構(gòu)，其中的運動副（轉(zhuǎn)動副或移動副）常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個數(shù)通常即為機器人的自由度數(shù)。根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和運動坐標形式的不同，機器人執(zhí)行機構(gòu)可分為直角坐標式、圓柱坐標式、極坐標式和關(guān)節(jié)坐標式等類型。出于擬人化的考慮，常將機器人本體的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部（夾持器或末端執(zhí)行器）和行走部（對于移動機器人）等1。檢測裝置的作用是實時檢測機器人的運動及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設定信息進行比較后，對執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)整，以保證機器人的動作符合預定的要求。作為檢測裝置的傳感器大致可以分為兩類：一類是內(nèi)部信息傳感器，用于檢測機器人各部分的內(nèi)部狀況，如各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成閉環(huán)控制2，3。另一類是外部信息傳感器，用于獲取有關(guān)機器人的作業(yè)對象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機器人的動作能適應外界情況的變化，使之達到更高層次的自動化，甚至使機器人具有某種“感覺”，向智能化發(fā)展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對象、工作環(huán)境的有關(guān)信息，利用這些信息構(gòu)成一個大的反饋回路，從而將大大提高機器人的工作精度?？刂葡到y(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機器人的全部控制由一臺微型計算機完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺微機來分擔機器人的控制，如當采用上、下兩級微機共同完成機器人的控制時，主機常用于負責系統(tǒng)的管理、通訊、運動學和動力學計算，并向下級微機發(fā)送指令信息；作為下級從機，各關(guān)節(jié)分別對應一個CPU，進行插補運算和伺服控制處理，實現(xiàn)給定的運動，并向主機反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務要求的不同，機器人的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。兩足步行機器人的機構(gòu)是所有部件的載體，也是設計兩足步行機器人最基本的和首要的工作。它必須能夠?qū)崿F(xiàn)機器人的前后左右以及爬斜坡和上樓梯等的基本功能，因此自由度的配置必須合理：首先分析一下步行機器人的運動過程(前向)和行走步驟：重心右移(先右腿支撐)、左腿抬起、左腿放下、重心移到雙腿中間、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到雙腿間，共分8個階段。從機器人步行過程可以看出：機器人向前邁步時，髓關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)必須各自配置有一個俯仰自由度以配合實現(xiàn)支撐腿和上軀體的移動；要實現(xiàn)重心轉(zhuǎn)移，髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度是必不可少的；機器人要達到目標位置，有時必須進行轉(zhuǎn)彎，所以需要有髖關(guān)節(jié)上的轉(zhuǎn)體自由度。另外膝關(guān)節(jié)處配置一個俯仰自由度能夠調(diào)整擺動腿的著地高度，使上下臺階成為可能，還能實現(xiàn)不同的步態(tài)。這樣最終決定髖關(guān)節(jié)配置3個自由度，包括轉(zhuǎn)體(roll)、俯仰(pitch)和偏轉(zhuǎn)(yaw)自由度，膝關(guān)節(jié)配置一個俯仰自由度，踝關(guān)節(jié)配置有俯仰和偏轉(zhuǎn)兩個自由度。這樣，每條腿配置6個自由度，兩條腿共12個自由度。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的俯仰自由度共同協(xié)調(diào)動作可完成機器人的在縱向平面(前進方向)內(nèi)的直線行走功能；髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)體自由度可實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)彎功能；髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動作可實現(xiàn)在橫向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能46。2 研究兩足步行機器人的原因世界著名機器人學專家，日本早稻田大學的加藤一郎教授說過：“機器人應當具有的最大特征之一是步行功能”。步行功能的具備為擴大機器人的應用領(lǐng)域開辟了無限廣闊的前景研究兩足步行機器人的原因，概括起來有如下4個：(1)我們希望研制出兩足步行機構(gòu)，使它們能在許多結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性環(huán)境中行走，以代替人進行作業(yè)或延伸和擴大凡類的活動領(lǐng)域。(2)我們希望更多地了解和掌握人類的步行特性，并利用這些特性為人類服務。(3)兩足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動力學特性，在這一方面的研究可以拓寬力學及機器人學的研究方向。(4)兩足步行機器人可以作為一種智能機器人在人工智能中發(fā)揮重要的作用13。3 兩足步行機器人應用前景實用的兩足步行機器人由兩條腿和一個平臺(腰部)組成。腿的作用是為平臺提供移動能力，而平臺的作用則是提供一個基礎(chǔ)，以便安裝機械手、CCD攝像機、機載計算機控制系統(tǒng)和蓄電池9。顯然，這種帶機械手的兩足步行機器人能非常靈活地從事較多的工作。但是，對于這種兩足步行機器人來說，平臺的穩(wěn)定性對于有效地控制機械手末端操作器的位置和姿態(tài)是至關(guān)重要的，而兩條腿的步態(tài)又對平臺的穩(wěn)定性起決定作用。因此，如何規(guī)劃好腿的步態(tài)，協(xié)調(diào)地控制兩條腿的運動以保持平臺及整個兩足步行機器人的穩(wěn)定就成為一個主要問題。目前，兩足步行機器人的應用領(lǐng)域主要是康復醫(yī)學。從長遠來看，兩足步行機器人在無人工廠、核電站、海底開發(fā)、宇宙探索、康復醫(yī)學以及教育、藝術(shù)和大眾服務行業(yè)等領(lǐng)域都有著潛在而廣闊的應用前景。4 兩足步行機器人研究的現(xiàn)狀4.1 國外的有關(guān)情況1985年，美國的Hodgins和Raibert等人研制了一個用來進行奔跑運動和表演體操動作的平面型兩足步行機器人，這個機器人有3個自由度。1986年，他們用這個機器人進行奔跑實驗，著重研究奔跑過程中出現(xiàn)的彈射飛行狀態(tài)。在實驗中，這個機器人的最大速度高達4.3米/秒。1988年和1990年，他們又用這個機器人進行翻筋斗動作實驗。Hodgins和Raibert研究這兩種運動是因為它們含有豐富的動力學內(nèi)容，尤其是兩者都具有彈射飛行狀態(tài)7。在美國研究兩足步行機器人的科學家中，鄭元芳博士是一個非常杰出的人物。他在80年代初由中國去了美國，于1984年在俄亥俄州立大學獲博士學位，然后一直在克萊姆森大學工作，最近又回到俄亥俄州立大學任職。在克萊姆森大學期間，他主持研制了兩臺步行機器人，分別命名為SD1和SD2。SDl具有4個自由度，SD2則有8個自由度10。其中，SD2是美國第一臺真正擬人的兩足步行機器人。1986年，SD2機器人成功地實現(xiàn)了平地上前進、后退以及左、右側(cè)行。1987年，這個機器人又成功地實現(xiàn)了動態(tài)步行。鄭元芳博士也因他在機器人領(lǐng)域的突出貢獻而獲得美國1987年度“總統(tǒng)青年研究員”獎 。1984年，鄭元芳博士對兩足步行機器人與環(huán)境接觸時的碰撞效應進行了研究。1987年，他提出了一種用于兩足步行機器人運動控制的監(jiān)控系統(tǒng)。1989年，他研究了兩足步行機器人的擾動抑制問題。1990年他首次提出了使兩足步行機器人能走斜坡的控制方案，利用SD2機器人進行了成功的實驗。此外，鄭元芳博士還從神經(jīng)生理學的角度對人類肌肉的多級傳感與多級驅(qū)動原理進行了研究，提出了采用這種原理設計兩足步行機器人的方法12。4.2 國內(nèi)的研究情況我國從80年代中期才開始研究兩足步行機器人，當時主要的研究單位是哈爾濱工業(yè)大學和國防科技大學。哈爾濱工業(yè)大學研制成功的第一臺兩足步行機器人重7Okg，高l10cm，有10個自由度，采用直流電機經(jīng)諧波減速驅(qū)動，控制系統(tǒng)由一臺IBMPCXT計算機和l0個MCS 51單片機系統(tǒng)組成。1989年l0月，這個機器人實現(xiàn)了平地上的前進，左、右側(cè)行以及上、下樓梯的運動，步幅可達45cm，步速為l0秒步，為靜態(tài)步行14。最近哈爾濱工業(yè)大學又研制了一臺l2自由度的兩足步行機器人，并正在進行動態(tài)步行的實驗。我們南京航空學院從1989年秋天起也開展了一個兩足步行機器人的研究計劃，現(xiàn)在已研制出一臺8自由度空間運動型的兩足步行機器人，命名為NAIWR115。目前，這一計劃正在實施中?？傆^起來，兩足步行機器人研究的現(xiàn)狀是：國外，主要是日本和美國，對兩足步行機器人的研究已經(jīng)達到了相當高的水平，研制出了能靜態(tài)或動態(tài)行走的多種樣機。國內(nèi)由于起步較晚，剛完成靜態(tài)穩(wěn)定步行的研究，目前，正處于準動態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定步行的研究階段8。雖然國內(nèi)的研究水平還不像國外那樣高，但在短短的五六年時間能達到今天的水平，已經(jīng)是相當驚人的了！5 兩足步行機器人研究的發(fā)展趨勢概括起來，兩足步行機器人的發(fā)展趨勢包括如下l0個方面：(1)能動態(tài)穩(wěn)定地高速步行。(2)能以自由步態(tài)全方位靈活行走。(3)具有良好的地形適應性。(4)具有極強的越障和回避能力。(5)具有很高的載重自重比。(6)可靠性高、工作壽命長。(7)具有豐富的內(nèi)感知和外感知系統(tǒng)。(8)控制系統(tǒng)和能源裝置機載化。(9)具有完全的自律能力。(10)具有靈活的操作能力(安裝一個或多個機械手) 11。6 結(jié)束語本文較詳細地介紹了國內(nèi)外兩足步行機器人研究的主要情況。我們相信，隨著整個機器人技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來，兩足步行機器人一定能夠真正進入實用化階段，在各行各業(yè)中發(fā)揮重要作用。參考文獻1 包志軍，馬培蓀從兩足機器人到仿人形機器人的研究J機器人，1999，7(4)：3123202 宣孝英并聯(lián)機器人運動規(guī)劃D武漢：華中理工大學，1999.3 白井良明著. 王棣棠譯. 機器人工程M. 北京：科學出版社，2001年2月.4 熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ)M.武漢：華中理工大學出版社，1996.5 王志良.競賽機器人制作技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，2007.6 成大先.機械設計手冊（第4版）.北京：化學工業(yè)出版社，2002.7 熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ)M.武漢：華中理工大學出版社，1996.8 機械設計手冊編委會. 機械設計手冊M. 北京：機械工業(yè)出版社，2007年7月.9 馬香峰. 機器人機構(gòu)學M. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1991.10 龔振邦等. 機器人機械設計M. 北京：電子工業(yè)出版社，1995年6月.11 吳瑞祥. 機器人技術(shù)及應用M. 北京：北京航空航天大學出版社，1994. 12 熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ)M.武漢：華中理工大學出版社，1996.13 David Cook.機器人制作M.北京：北京航空航天大學出版社，2005. 14 費仁元等.機器人機械設計和分析.北京：北京工業(yè)大學出版社，1998.15 趙曉軍,黃強,彭朝琴,等. 基于人體運動的仿人型機器人動作的運動學匹配J. 機器人, 2005. 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：本課題是設計兩足行走機器人搖頭、擺大臂和擺小臂控制部分的設計。主要設計有: （1)確定兩足行走機器人執(zhí)行機構(gòu);(2)確定兩足行走機器人的驅(qū)動系統(tǒng);(3)確定兩足行走機器人的控制系統(tǒng);(4)確定兩足行走機器人運動動作循環(huán)示意圖 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告指導教師意見：1對“文獻綜述”的評語：從文獻綜述中反映出該同學查閱了相關(guān)的文獻，結(jié)合畢業(yè)設計作了概要地介紹。思路清晰，表達準確。2對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結(jié)果的預測：本課題地深度、廣度及工作量適中，如果該生能力強的話，所從事的雙走機器人的設計能夠達到創(chuàng)新。 指導教師： 年 月 日所在專業(yè)審查意見： 負責人： 年 月 日