兩足行走機(jī)器人——臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)

兩足行走機(jī)器人——臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì),兩足行走機(jī)器人——臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì),行走,機(jī)器人,臂部,結(jié)構(gòu),部分,部份,設(shè)計(jì) 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 徐超（大） 學(xué) 號(hào)： 05010243 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 設(shè)計(jì)(論文)題目： 兩足行走機(jī)器人 臂部結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 教 師: 路建萍 劉 艷 2009 年 3 月 22 日 開(kāi)題報(bào)告填寫(xiě)要求 1。開(kāi)題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)及所在專(zhuān)業(yè)審查后生效； 2。開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書(shū)寫(xiě)或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)； 3。“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書(shū)寫(xiě)（或打印）在本開(kāi)題報(bào)告第一欄目?jī)?nèi)，學(xué)生寫(xiě)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(shū)最多相當(dāng)于三篇科技論文的信息量（不包括辭典、手冊(cè)）； 4。有關(guān)年月日等日期的填寫(xiě)，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書(shū)寫(xiě)。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫(xiě) 2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 摘要 本文詳細(xì)介紹了研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人的組成，機(jī)器人的原因，兩足步行機(jī)器人的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外兩足步行機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞 兩足機(jī)器人組成 研究原因 前景 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1 機(jī)器人的硬體組成 在種類(lèi)繁多的機(jī)械人當(dāng)中，最讓人感興趣的就是仿人類(lèi)機(jī)械人了。因?yàn)槿祟?lèi)是最高級(jí)的動(dòng)物，能讓機(jī)械人各項(xiàng)機(jī)能達(dá)到人類(lèi)的高度是每一個(gè)從事此工作的科學(xué)家不斷追求的夢(mèng)想。 人體外形各項(xiàng)器官基本可劃分為動(dòng)作器官、感覺(jué)器官、思維器官三部分，機(jī)械人套件里的電子模組也是按這三部分來(lái)劃分的。動(dòng)作器官包括：可以讓我們機(jī)械人唱歌的發(fā)音模組、可以裝飾和指示的發(fā)光模組、速度可以調(diào)節(jié)的馬達(dá)模組等。感覺(jué)器官包括：可以分辨黑白甚至是不同顏色的灰度測(cè)量模組、可以檢測(cè)碰撞的觸碰檢測(cè)模組等。 思維器官包括：RCU，也就是中央控制器，整個(gè)機(jī)器人的核心模組。當(dāng)然還有一些輔助功能的拼裝配件等等[1]。 2 研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人的原因 世界著名機(jī)器人學(xué)專(zhuān)家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說(shuō)過(guò)：“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(kāi)辟了無(wú)限廣闊的前景研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人的原因，概括起來(lái)有如下4個(gè)：(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)大人類(lèi)的活動(dòng)領(lǐng)域。(2)我們希望更多地了解和掌握人類(lèi)的步行特性，并利用這些特性為人類(lèi)服務(wù)。(3)兩足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動(dòng)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[2]。 3 兩足步行機(jī)器人應(yīng)用前景 實(shí)用的兩足步行機(jī)器人由兩條腿和一個(gè)平臺(tái)(腰部)組成。腿的作用是為平臺(tái)提供移動(dòng)能力，而平臺(tái)的作用則是提供一個(gè)基礎(chǔ)，以便安裝機(jī)械手、CCD攝象機(jī)、機(jī)載計(jì)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(duì)于這種兩足步行機(jī)器人來(lái)說(shuō)，平臺(tái)的穩(wěn)定性對(duì)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(duì)平臺(tái)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(dòng)以保持平臺(tái)及整個(gè)兩足步行機(jī)器人的穩(wěn)定就成為一個(gè)主要問(wèn)題[3～6]。 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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，兩足步行機(jī)器人在無(wú)人工廠、核電站、海底開(kāi)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。 4 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(guó)內(nèi)正是在這一時(shí)期全面開(kāi)展了兩足步行機(jī)器人的研究。下面，首先看看美國(guó)的有關(guān)情況。 1985年，美國(guó)的Hodgins和Raibert等人研制了一個(gè)用來(lái)進(jìn)行奔跑運(yùn)動(dòng)和表演體操動(dòng)作的平面型兩足步行機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人有3個(gè)自由度。1986年，他們用這個(gè)機(jī)器人進(jìn)行奔跑實(shí)驗(yàn)，著重研究奔跑過(guò)程中出現(xiàn)的彈射飛行狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)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(gè)機(jī)器人進(jìn)行翻筋斗動(dòng)作實(shí)驗(yàn)。Hodgins和Raibert研究這兩種運(yùn)動(dòng)是因?yàn)樗鼈兒胸S富的動(dòng)力學(xué)內(nèi)容，尤其是兩者都具有彈射飛行狀態(tài)。 在美國(guó)研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人的科學(xué)家中，鄭元芳(Y·F·Zheng)博士是一個(gè)非常杰出的人物。他在80年代初由中國(guó)去了美國(guó)，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(tái)步行機(jī)器人，分別命名為SD一1和SD一2。SD—l具有4個(gè)自由度，SD一2則有8個(gè)自由度。其中，SD一2是美國(guó)第一臺(tái)真正擬人的兩足步行機(jī)器人。1986年，SD一2機(jī)器人成功地實(shí)現(xiàn)了平地上前進(jìn)、后退以及左、右側(cè)行。1987年，這個(gè)機(jī)器人又成功地實(shí)現(xiàn)了動(dòng)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(guó)1987年度“總統(tǒng)青年研究員”獎(jiǎng) 。 1984年，鄭元芳博士對(duì)兩足步行機(jī)器人與環(huán)境接觸時(shí)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(dòng)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(dòng)抑制問(wèn)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一2機(jī)器人進(jìn)行了成功的實(shí)驗(yàn) 。此外，鄭元芳博士還從神經(jīng)生理學(xué)的角度對(duì)人類(lèi)肌肉的多級(jí)傳感與多級(jí)驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行了研究，并提出了采用這種原理設(shè)計(jì)兩足步行機(jī)器人的方法[7]。 下面我們?cè)倏纯磭?guó)內(nèi)在兩足步行機(jī)器人方面的研究情況。 我國(guó)從80年代中期才開(kāi)始研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人，當(dāng)時(shí)主要的研究單位是哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功的第一臺(tái)兩足步行機(jī)器人重7Okg，高l10cm，有10個(gè)自由度，采用直流電機(jī)經(jīng)諧波減速驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)由一臺(tái)IBM—PC／XT計(jì)算機(jī)和l0個(gè)MCS一51單片機(jī)系統(tǒng)組成。1989年l0月，這個(gè)機(jī)器人實(shí)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(dòng)，步幅可達(dá)45cm，步速為l0秒／步，為靜態(tài)步行[8～12]。 最近哈爾濱工業(yè)大學(xué)又研制了一臺(tái)l2自由度的兩足步行機(jī)器人，井正在進(jìn)行動(dòng)態(tài)步行的實(shí)驗(yàn)。 我們南京航空學(xué)院從1989年秋天起也開(kāi)展了一個(gè)兩足步行機(jī)器人的研究計(jì)劃，現(xiàn)在已研制出一臺(tái)8自由度空間運(yùn)動(dòng)型的兩足步行機(jī)器人，命名為NAIWR—1。目前，這一計(jì)劃正在實(shí)施中。總觀起來(lái)，兩足步行機(jī)器人研究的現(xiàn)狀是：國(guó)外，主要是日本和美國(guó)，對(duì)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(dòng)態(tài)行走的多種樣機(jī)。國(guó)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(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定步行的研究階段。雖然國(guó)內(nèi)的研究水平還不象國(guó)外那樣高，但在短短的五六年時(shí)間能達(dá)到今天的水平，已經(jīng)是相當(dāng)驚人的了！ 5 兩足步行機(jī)器人研究的發(fā)展趨勢(shì) 概括起來(lái)，兩足步行機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)包括如下l0個(gè)方面：(1)能動(dòng)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(zhǎng)。(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(gè)或多個(gè)機(jī)械手) [13,14]。 6 結(jié)束語(yǔ) 本文較詳細(xì)地介紹了國(guó)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(gè)機(jī)器人技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來(lái)，兩足步行機(jī)器人一定能夠真正進(jìn)入實(shí)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.London,1985. [2] Hemamu H , Weimer F C.Koozekananit S H .Some aspects of the inverted pendulurn problem for modelling of Iocomotion systemr. 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，2001.2. [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(jìng)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(jì)手冊(cè)（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(jì)手冊(cè)編委會(huì). 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.7. [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(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1995.6. [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(jì)和分析.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998.  畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告 ２．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）： 本課題是設(shè)計(jì)兩足行走機(jī)器人—臂部結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)擺大臂、擺小臂的功能。 主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)是重心前后移動(dòng)與身體左右平衡難以協(xié)調(diào)的問(wèn)題，尤其是正步行走、身體不傾斜的前提下更難以實(shí)現(xiàn)。 我們?cè)O(shè)計(jì)小組選擇簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模仿人類(lèi)行走的機(jī)器人，以此提高我們的機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。 我們采用以下創(chuàng)新點(diǎn)： (1) 先是用3D軟件PRO/E設(shè)計(jì)出機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)和各個(gè)零件的結(jié)構(gòu)，直觀的展現(xiàn)了我們所設(shè)計(jì)的雙足行走機(jī)器人。 (2) 采用了17臺(tái)舵機(jī)，腿部共有8臺(tái)舵機(jī)每條腿個(gè)有4個(gè)舵機(jī)，臂部共有4臺(tái)舵機(jī)，每條手臂個(gè)2個(gè)，軀干4臺(tái)舵機(jī)還有頭1臺(tái)，合理控制，以此解決了簡(jiǎn)單控制條件下機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)正步行走的難點(diǎn)問(wèn)題。 （3）大小臂均可沿錐面做往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可組合出多種姿態(tài)。 （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(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告 指導(dǎo)教師意見(jiàn)： 1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語(yǔ)： 該生的文獻(xiàn)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(duì)所要做地工作進(jìn)行了較深入地學(xué)習(xí)。 2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)： 本課題要做什么步驟敘述很清楚，設(shè)計(jì)思路正確，工作量合理，預(yù)計(jì)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(zhuān)業(yè)審查意見(jiàn)： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日