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南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
學(xué) 生 姓 名：
黃俊
學(xué) 號：
05010213
專 業(yè)：
機械工程及自動化
設(shè)計(論文)題目：
兩足行走機器人
—行走控制部分設(shè)計
指 導(dǎo) 教 師:
路建萍 劉 艷
2009 年 3 月 22 日
開題報告填寫要求
1．開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)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(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)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(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見；
3．“文獻綜述”應(yīng)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(xué)生寫文獻綜述的參考文獻應(yīng)不少于15篇科技論文的信息量，一般一本參考書最多相當(dāng)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(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《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?dāng)?shù)字書寫。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)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 兩足行走機器人是當(dāng)前機器人研究領(lǐng)域最活躍的研究方向之一，引起了許多科研工作者的注意。本文介紹了兩足行走機器人與其他移動機器人相比的主要優(yōu)點，對國內(nèi)外兩足行走機器人的研制工作做了綜述，并對將來的研究方向和工作重點做出了展望。
關(guān)鍵詞 機器人 智能控制 兩足行走
1 兩足行走機器人的一般情況
兩足機器人是模擬人類用兩條腿走路的機器人[1]。兩足步行機器人適于在凸凹不平或有障礙的地面行走作業(yè)，比一般移動機器人靈活性強，機動性好。1972年，日本早稻田大學(xué)研制出第一臺功能較全的兩足步行機器人。美國、南斯拉夫等學(xué)者也研制出各種兩足走行機器人模型。兩足步行模型是一個變結(jié)構(gòu)機構(gòu)，單腳支撐為開式鏈，雙腳支撐為閉式鏈。支撐點的固定靠摩擦力來保證，質(zhì)量分布和重量大小都直接影響靜態(tài)和動態(tài)的穩(wěn)定性。為保證行走過程中姿態(tài)的穩(wěn)定性，對行走步態(tài)應(yīng)加嚴(yán)格的約束[2]，[4]。
如圖1中示出了具有11個動力關(guān)節(jié)的兩足步行模型的自由度分配。這些關(guān)節(jié)以旋轉(zhuǎn)軸的方向分為縱搖軸、橫搖軸和偏航軸?？v搖軸實現(xiàn)前進方向的重心移動，橫搖軸實現(xiàn)左右方向的重心擺動，偏航軸轉(zhuǎn)換方向。在行走過程中，通過縱搖軸的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)動作，在前進方向上移動重心；通過上驅(qū)體關(guān)節(jié)使上身左傾或右傾，移動上身塔載調(diào)節(jié)重心；通過偏航軸的腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換方向。關(guān)節(jié)的驅(qū)動能源主要有氣壓、液壓和電動三種。氣壓式重量輕、安全便宜，但因空氣的可縮性，在變負載情況下，穩(wěn)定性差。液壓式輸出功率大、快速性好，但需配備動力組件。例如，日本早稻田大學(xué)加藤一郎教授研制的WD-10RD,是具有12個自由度的液壓驅(qū)動機器人。電動式結(jié)構(gòu)簡單、控制容易。但功率密度低、價格較高[6]。
圖1 兩足步行機器人自由度的配置
2 兩足行走機器人的組成
機器人主要由以下6個部分組成。
(1)手臂
手臂是機器人的一部分。該部位由手（手爪）、手臂（手的姿勢）和手腕組成。手臂通過各關(guān)節(jié)來實現(xiàn)動作的完成。
(2)操作機構(gòu)
該部位是驅(qū)動機械人關(guān)節(jié)的驅(qū)動機構(gòu)。被用于關(guān)節(jié)部位的操作機構(gòu)幾乎都是帶有減速器的伺服電動機，但是對于可以放入手腕和腿中的小型高扭矩的直接驅(qū)動式電動機的要求則較高。
(3)傳感器
傳感器作為用來檢測視覺、觸覺、動作姿勢控制等部位，包括用于測定手腕位置和速度等的內(nèi)置傳感器和用于識別機器人作業(yè)對象的外部傳感器。
(4)移動機構(gòu)
移動機構(gòu)就機器人的腳，它是用來移動的部位，以實現(xiàn)機器人的抬腿跨步，以及關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)擺動，從而完成一些較為復(fù)雜的動作。
(5)控制器（控制裝置）
控制器是用來控制一系列動作的部位[8]，[9]。為了使機器人的手腕和腿部位活動起來，需要控制器（控制裝置）來向安裝在這些部位的操作機構(gòu)和傳感器發(fā)送信號指令，使其接受位置信號?？刂破鲿讶祟愃蟮淖鳂I(yè)命令記錄起來，通過開始質(zhì)量那個讓其激活，再把必要的動作指令傳送給手腕和腿部位。
(6)操作機構(gòu)的驅(qū)動源
操作機構(gòu)的驅(qū)動源主要有液壓式、電動式和啟動式。
3 兩足行走機器人的特性體現(xiàn)
(1)兩足行走機器人能適應(yīng)各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，能夠方便的上下臺階及通過不平整、不規(guī)則或較窄的路面，它的移動“盲區(qū)”很小。
(2) 兩足行走機器人的能耗很小，因為該機器人可具有獨立的能源裝置，因此在設(shè)計時就應(yīng)充分考慮其能耗問題。機器人力學(xué)計算也表明，足式機器人的能耗通常低于輪式和履帶式[7～9]。
(3) 兩足行走機器人具有廣闊的工作空間。由于行走系統(tǒng)的占地面積小，而活動范圍很大，所以為其配置的機械手提供了更大的活動空間，同時也可使機械手臂設(shè)計得較為短小緊湊。
(4)兩足行走是生物界難度最高的步行動作。但其步行性能卻是其它步行結(jié)構(gòu)所無法比擬的。所以，仿人機器人的研制勢必要求并促進機器人結(jié)構(gòu)的革命性的變化同時有力推進機器人學(xué)及其它相關(guān)學(xué)科的發(fā)展[12]。
兩足機器人對機器人的機械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動裝置提出了許多特殊要求，這將導(dǎo)致傳統(tǒng)機械的重大變革。兩足機器人是工程上少有的高階、非線性、非完整約束的多自由度系統(tǒng)。這對機器人的運動學(xué)、動力學(xué)及控制理論的研究提供了一個非常理想的實驗平臺。在對其研究的過程中很可能導(dǎo)致力學(xué)及控制領(lǐng)域中新理論、新方法的產(chǎn)生，另外，仿兩足機器人的研究還可以推動仿生學(xué)、人工智能、計算機圖形、通信等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。因此，兩足步行機器人的研制具有十分重大的價值和意義。
4 兩足行走機器人的研制展望
兩足行走機器人與輪式、履帶式機器人相比有許多突出的優(yōu)點和它們無法比擬的優(yōu)越性。但是由于受到機構(gòu)學(xué)、材料科學(xué)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、微電子學(xué)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能、數(shù)學(xué)方法、仿生學(xué)等相關(guān)學(xué)科發(fā)展的制約。至今基本上仍處于實驗室研制的階段，尤其是雙足行走的速度、穩(wěn)定性及自適應(yīng)能力仍不是十分理想。只有在走穩(wěn)走好之后再加上臂部執(zhí)行機構(gòu)和智能結(jié)構(gòu)，才談得上真正的仿人[12]。當(dāng)然，仿人不能僅僅局限于這些。還應(yīng)該模仿人類的視覺、觸覺、語言，甚至情感等功能。仿人機器人是許多技術(shù)的綜合、集成和提高。目前，主要的攻關(guān)項目還是行走功能的進一步提高。日本本田公司生產(chǎn)的仿人機器人雖已走向市場化。但是，它的功能還很有限，離實際意義上的擬人化還有相當(dāng)?shù)囊欢尉嚯x，所以仿人機器人給科研工作者提供了廣闊的研究空間，提出了一個又一個新的挑戰(zhàn)!同時也促進了許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，導(dǎo)致了一些新理論，新方法的出現(xiàn)。越來越多的科研工作者投入了這一新興的前沿學(xué)科。
5 總結(jié)
兩足步行是步行方式中自動化程度最高、最為復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)[13]。兩足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動力學(xué)特性，對步行的環(huán)境要求很低，既能在平地上行走，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上行走，對環(huán)境有很好的適應(yīng)性。與其它足式機器人相比，雙足機器人具有支撐面積小，支撐面的形狀隨時間變化較大，質(zhì)心的相對位置高的特點。是其中最復(fù)雜，控制難度最大的動態(tài)系統(tǒng)。但由于雙足機器人比其它足式機器人具有更高的靈活性，因此具有自身獨特的優(yōu)勢，更適合在人類的生活或工作環(huán)境中與人類協(xié)同工作，而不需要專門為其對這些環(huán)境進行大規(guī)模改造。例如代替危險作業(yè)環(huán)境中(如核電站內(nèi))的工作人員，在不平整地面上搬運貨物等等。此外將來社會環(huán)境的變化使得雙足機器人在護理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及一般家務(wù)處理等方面也有很大的潛力。
參 考 文 獻
[1] 馬香峰. 機器人機構(gòu)學(xué)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1991.
[2] 王曉明．電動機的單片機控制．北京航空航天大學(xué)出版社，2003.
[3] 吳瑞祥. 機器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994.
[4] 熊有倫. 機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學(xué)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] 馬香峰. 工業(yè)機器人的操作機設(shè)計[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1996.9.
[7] 余達太，馬香峰. 工業(yè)機器人應(yīng)用工程[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1999.4.
[8] 劉政華等． 機械電子學(xué)[M]．北京：國防科技大學(xué)出版社，1999.10.
[9] Ernest L. Mallet. Robotics: A User-Friendly Introduction [M]. New York:
CBS College Publishing, 1985.
[10] Yore Koran. Robotics for Engineers [M].McGraw-Hill Book Company, 1985.
[11] 張建民. 機電一體化原理與應(yīng)用[M]．國防科技大學(xué)出版社，1992.1
[12] 曲家騏. 伺服控制系統(tǒng)中的傳感器[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1998.
[13] 秦志強. 基礎(chǔ)機器人制作與編程[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社，2007.
[14] 高鐘毓. 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1997.2
[15] 陳繼榮. 智能電子創(chuàng)新制作[M]. 北京：科技出版社，2007.
[16] 張建民．機電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，1997.
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
1 課題目的與預(yù)期目標(biāo)
微機原理及接口技術(shù)在各科領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用，通過該課題的研究使學(xué)生掌握微機在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方法，行走電路的設(shè)計、對電動機驅(qū)動與控制設(shè)計。同時使學(xué)生掌握工程設(shè)計的一般方法以及獨立分析問題和解決問題的能力，最終使學(xué)生的綜合素質(zhì)得以提高。
2主要研究的問題
(1) 設(shè)計了兩足步行機器人的硬件電路
選用高性能、低功耗的 8 位AVR微處理器，指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動能力更強，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機。
(2) 選擇設(shè)計了兩足步行機器人的控制軟件系統(tǒng)
在操作系統(tǒng)下設(shè)計了應(yīng)用程序，實現(xiàn)了兩足機器人控制系統(tǒng)的各項功能，搭建了完整的兩足機器人控制系統(tǒng)軟件框架
(3) 搭建了17自由度機器人雙腿的運動模式
靜態(tài)步行模式分為10個靜態(tài)姿勢及其切換順序如圖2所示。
圖2 兩足機器人行走步行模式
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
指導(dǎo)教師意見：
1．對“文獻綜述”的評語：
該生的文獻綜述結(jié)合所要研究地課題比較緊密，從文中可以看出該生對所要做地工作進行了較深入地學(xué)習(xí)。
2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測：
本課題要做什么步驟敘述很清楚，設(shè)計思路正確，工作量合理，預(yù)計該生能順利并很好地完成該課題。
指導(dǎo)教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見：
負責(zé)人：
年 月 日