3107 兩足行走機(jī)器人—身體及頭部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計

3107 兩足行走機(jī)器人—身體及頭部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計,行走,機(jī)器人,身體,頭部,結(jié)構(gòu),部分,部份,設(shè)計 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： 徐昕晏學(xué) 號：05010244專 業(yè) ： 機(jī)械工程及自動化設(shè)計 (論文 )題目 ： 兩足行走機(jī)器人頭 部 及 身 體 結(jié) 構(gòu) 部 分 的 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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)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(xiàn)資料，每人撰寫2000 字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述摘要 本文有四個部分，詳細(xì)介紹了研究機(jī)器人的原因，兩足步行機(jī)器人的應(yīng)用前景，國內(nèi)外兩足步行機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞 原因 前景 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1 研究兩足步行機(jī)器人的原因世界著名機(jī)器人學(xué)專家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說過：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能”。步行功能的具備為擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域開辟了無限廣闊的前景研究兩足步行機(jī)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(jī)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(jìn)行作業(yè)或延伸和擴(kuò)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(wù)。(3)兩足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動力學(xué)特性，在這一方面的研究可以拓寬力學(xué)及機(jī)器人學(xué)的研究方向。(4)兩足步行機(jī)器人可以作為一種智能機(jī)器人在人工智能中發(fā)揮重要的作用 [1]。2 兩足步行機(jī)器人應(yīng)用前景實用的兩足步行機(jī)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(jī)械手、CCD攝象機(jī)、機(jī)載計算機(jī)控制系統(tǒng)和蓄電池。顯然，這種帶機(jī)械手的兩足步行機(jī)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(jī)器人來說，平臺的穩(wěn)定性對于有效地控制機(jī)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(yùn)動以保持平臺及整個兩足步行機(jī)器人的穩(wěn)定就成為一個主要問題 [2]。目前，兩足步行機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要是康復(fù)醫(yī)學(xué)。從長遠(yuǎn)來看，兩足步行機(jī)器人在無人工廠、核電站、海底開發(fā)、宇宙探索、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及教育、藝術(shù)和大眾服務(wù)行業(yè)等領(lǐng)域都有著潛在而廣闊的應(yīng)用前景 [3]。3 兩足步行機(jī)器人研究的現(xiàn)狀從8O年代中期到現(xiàn)在，雖然理論研究和樣機(jī)研制不象1985年以前那樣豐富，但也頗具特色。重要的是，國內(nèi)正是在這一時期全面開展了兩足步行機(jī)器人的研究。下面，首先看看美國的有關(guān)情況 [4]。1985年，美國的Hodgins和Raibert等人研制了一個用來進(jìn)行奔跑運(yùn)動和表演體操動作的平面型兩足步行機(jī)器人，這個機(jī)器人有3個自由度。1986年，他們用這個機(jī)器人進(jìn)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(jī)器人的最大速度高達(dá)4.3米/秒。1988年和1990年，他們又用這個機(jī)器人進(jìn)行翻筋斗動作實驗。Hodgins和Raibert研究這兩種運(yùn)動是因為它們含有豐富的動力學(xué)內(nèi)容，尤其是兩者都具有彈射飛行狀態(tài) [5]。在美國研究兩足步行機(jī)器人的科學(xué)家中，鄭元芳(Y.F.Zheng)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，并于1984年在俄亥俄州立大學(xué)獲博士學(xué)位，然后一直在克萊姆森大學(xué)工作，最近又回到俄亥俄州立大學(xué)任職。在克萊姆森大學(xué)期間，他主持研制了兩臺步行機(jī)器人，分別命名為SD-1和SD-2。SD-l具有4個自由度，SD-2則有8個自由度。其中，SD-2是美國第一臺真正擬人的兩足步行機(jī)器人。1986年，SD-2機(jī)器人成功地實現(xiàn)了平地上前進(jìn)、后退以及左、右側(cè)行。1987年，這個機(jī)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(jī)器人領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)而獲得美國1987年度“總統(tǒng)青年研究員”獎 [6] 。1984年，鄭元芳博士對兩足步行機(jī)器人與環(huán)境接觸時的碰撞效應(yīng)進(jìn)行了研究。1987年，他提出了一種用于兩足步行機(jī)器人運(yùn)動控制的監(jiān)控系統(tǒng)。1989年，他研究了兩足步行機(jī)器人的擾動抑制問題。1990年他首次提出了使兩足步行機(jī)器人能走斜坡的控制方案，并利用SD-2機(jī)器人進(jìn)行了成功的實驗 。此外，鄭元芳博士還從神經(jīng)生理學(xué)的角度對人類肌肉的多級傳感與多級驅(qū)動原理進(jìn)行了研究，并提出了采用這種原理設(shè)計兩足步行機(jī)器人的方法 [7]。下面我們再看看國內(nèi)在兩足步行機(jī)器人方面的研究情況。我國從80年代中期才開始研究兩足步行機(jī)器人，當(dāng)時主要的研究單位是哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國防科技大學(xué) [8]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功的第一臺兩足步行機(jī)器人重7Okg，高l10cm，有10個自由度，采用直流電機(jī)經(jīng)諧波減速驅(qū)動，控制系統(tǒng)由一臺IBM—PC/XT計算機(jī)和l0個MCS一51單片機(jī)系統(tǒng)組成。1989年l0月，這個機(jī)器人實現(xiàn)了平地上的前進(jìn)，左、右側(cè)行以及上、下樓梯的運(yùn)動，步幅可達(dá)45cm，步速為l0秒/步，為靜態(tài)步行。最近哈爾濱工業(yè)大學(xué)又研制了一臺l2自由度的兩足步行機(jī)器人，并正在進(jìn)行動態(tài)步行的實驗 [9]。我們南京航空學(xué)院從1989年秋天起也開展了一個兩足步行機(jī)器人的研究計劃，現(xiàn)在已研制出一臺8自由度空間運(yùn)動型的兩足步行機(jī)器人，命名為NAIWR-1。目前，這一計劃正在實施中 [10]?？傆^起來，兩足步行機(jī)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(jī)器人的研究已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，研制出了能靜態(tài)或動態(tài)行走的多種樣機(jī) [11]。國內(nèi)由于起步較晚，前一段剛完成靜態(tài)穩(wěn)定步行的研究，目前，正處于準(zhǔn)動態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定步行的研究階段 [12]。雖然國內(nèi)的研究水平還不象國外那樣高，但在短短的五六年時間能達(dá)到今天的水平，已經(jīng)是相當(dāng)驚人的了 [13]！4 兩足步行機(jī)器人研究的發(fā)展趨勢概括起來，兩足步行機(jī)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(yīng)性。(4)具有極強(qiáng)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(jī)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(jī)械手) [14，15] 。6結(jié)束語本文較詳細(xì)地介紹了國內(nèi)外兩足步行機(jī)器人研究的主要情況。我們相信，隨著整個機(jī)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(jī)器人一定能夠真正進(jìn)入實用化階段，在各行各業(yè)中發(fā)揮重要作用。參 考 文 獻(xiàn)[1] Todd D J .Walking machines ,an introduction to legged robots Kogan Page Ltd[J].London,1985. [2] Hemamu H , Weimer F C.Koozekananit S H .Some aspects of the inverted pendulurn problem for modelling of Iocomotion systemr[J]. Proc of 1973 JACC.[3] 白井良明著. 王棣棠譯. 機(jī)器人工程[M]. 北京：科學(xué)出版社，2001年2月.[4] 熊有倫.機(jī)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(jī)器人制作技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.[6] 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊（第 4 版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.[7] 熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996.[8] 機(jī)械設(shè)計手冊編委會. 機(jī)械設(shè)計手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007 年 7月.[9] 馬香峰. 機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991.[10] 龔振邦等. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1995 年 6 月.[11] 吳瑞祥. 機(jī)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. [12] 熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996.[13] David Cook.機(jī)器人制作[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005. [14] 費(fèi)仁元等.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計和分析.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998.[15] 兵工 210 所. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用[J]. 雙月刊,有關(guān)文章. 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）：本課題是設(shè)計兩足行走機(jī)器人—頭部及身體結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)頭部擺動及身體轉(zhuǎn)動的功能。主要設(shè)計難點(diǎn)是機(jī)器人頭部的自由擺動問題以及與身體運(yùn)動的協(xié)調(diào)問題。我們小組設(shè)計小組選擇簡單的控制系統(tǒng)實現(xiàn)模擬人類行走的機(jī)器人，以此提高我們的機(jī)械設(shè)計創(chuàng)新能力。 我們采用以下創(chuàng)新點(diǎn)(1) 采用頸部三自由度、顎部一個自由度，身體兩個自由度的方案。使頭部以及身體部分能分別依照各自自由度進(jìn)行運(yùn)動。（2）采用傳統(tǒng)機(jī)器人的自動化技術(shù)結(jié)合傳感器技術(shù),利用程序控制機(jī)器人的動作。（3）頭部與身體可同時分別做旋轉(zhuǎn)，互不干擾。（4）充分體現(xiàn)了以機(jī)為主、機(jī)電結(jié)合的特色。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告指導(dǎo)教師意見：1．對“文獻(xiàn)綜述”的評語：該生在文獻(xiàn)綜述中，對雙足行走機(jī)器人的方展現(xiàn)狀及功能進(jìn)行了較為詳細(xì)地綜述，緊扣研究課題。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：該課題要求學(xué)生實際動手，設(shè)計雙足行走機(jī)器人頭部結(jié)構(gòu)。其課題深度、廣度及工作量符合本科畢業(yè)設(shè)計地要求。指導(dǎo)教師： 年 月 日所在專業(yè)審查意見：負(fù)責(zé)人： 年 月 日