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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：
徐超（大）
學(xué) 號：
05010243
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
臂部結(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?！拔墨I(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 本文詳細(xì)介紹了研究兩足步行機(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 兩足機(jī)器人組成 研究原因 前景 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1 機(jī)器人的硬體組成
在種類繁多的機(jī)械人當(dāng)中，最讓人感興趣的就是仿人類機(jī)械人了。因為人類是最高級的動物，能讓機(jī)械人各項機(jī)能達(dá)到人類的高度是每一個從事此工作的科學(xué)家不斷追求的夢想。
人體外形各項器官基本可劃分為動作器官、感覺器官、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劃分的。動作器官包括：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。感覺器官包括：可以分辨黑白甚至是不同顏色的灰度測量模組、可以檢測碰撞的觸碰檢測模組等。
思維器官包括：RCU，也就是中央控制器，整個機(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)大人類的活動領(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[2]。
3 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[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。
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。
1985年，美國的Hodgins和Raibert等人研制了一個用來進(jìn)行奔跑運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)。
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一1和SD一2。SD—l具有4個自由度，SD一2則有8個自由度。其中，SD一2是美國第一臺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 。
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一2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)。
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、下樓梯的運動，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l2自由度的兩足步行機(jī)器人，井正在進(jìn)行動態(tài)步行的實驗。
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。總觀起來，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)。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。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！
5 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) [13,14]。
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)
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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—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)計難點是重心前后移動與身體左右平衡難以協(xié)調(diào)的問題，尤其是正步行走、身體不傾斜的前提下更難以實現(xiàn)。
我們設(shè)計小組選擇簡單的控制系統(tǒng)實現(xiàn)模仿人類行走的機(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：
(1) 先是用3D軟件PRO/E設(shè)計出機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)和各個零件的結(jié)構(gòu)，直觀的展現(xiàn)了我們所設(shè)計的雙足行走機(jī)器人。
(2) 采用了17臺舵機(jī)，腿部共有8臺舵機(jī)每條腿個有4個舵機(jī)，臂部共有4臺舵機(jī)，每條手臂個2個，軀干4臺舵機(jī)還有頭1臺，合理控制，以此解決了簡單控制條件下機(jī)器人難以實現(xiàn)正步行走的難點問題。
（3）大小臂均可沿錐面做往復(fù)回轉(zhuǎn)運動，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（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所要做地工作進(jìn)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(fù)責(zé)人：
年 月 日