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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
學(xué) 生 姓 名:
學(xué) 號:
專 業(yè):
機(jī)械工程及自動化
設(shè)計(jì)(論文)題目:
兩足行走機(jī)器人
—行走部分的設(shè)計(jì)
指 導(dǎo) 教 師:
開題報(bào)告填寫要求
1.開題報(bào)告(含“文獻(xiàn)綜述”)作為畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)答辯委員會對學(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)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效;
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論 文)開 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
2000字左右的文獻(xiàn)綜述:
文 獻(xiàn) 綜 述
摘要 本文共分6個(gè)部分,詳細(xì)介紹了研究兩足步行機(jī)器人的原因和目的,兩足步行機(jī)器人的特點(diǎn)及其應(yīng)用前景。國內(nèi)外兩足步行機(jī)器人研究的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞 兩足機(jī)器人 歷史 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1 研究兩足步行機(jī)器人的原因和目的
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)器人的原因和目的,概括起來有如下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)器人的特點(diǎn)及其應(yīng)用前景
在具有許多優(yōu)點(diǎn)的步行機(jī)器人中,由于兩足步行機(jī)器人體積較小,所以它們對環(huán)境有最好的適應(yīng)性。這種機(jī)器人除結(jié)構(gòu)較為簡單外,在靜、動態(tài)穩(wěn)定步行方面,在高速運(yùn)動方面,都是最困難的,但這些困難在技術(shù)上又并非不能克服。實(shí)用的兩足步行機(jī)器人由兩條腿和一個(gè)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(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(gè)兩足步行機(jī)器人的穩(wěn)定就成為一個(gè)主要問題。
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[2]。
3 兩足步行機(jī)器人的歷史
最早系統(tǒng)地研究人類和動物運(yùn)動原理的是Muybridge,他發(fā)明了電影用的獨(dú)特?cái)z像機(jī),即一組電動式觸發(fā)照相機(jī),并在1877年成功地拍攝了許多四足動物步行和奔跑的連續(xù)照片。后來這種采用攝像機(jī)的方法又被Demeny用來研究人類的步行運(yùn)動。從本世紀(jì)30年代到50年代,蘇聯(lián)的Bernstein從生物動力學(xué)的角度也對人類和動物的步行機(jī)理進(jìn)行深入的研究,并就步行運(yùn)動作了非常形象化的描述。
真正全面、系統(tǒng)地開展兩足步行機(jī)器人的研究是始于本世紀(jì)60年代。迄今,不僅形成了兩足步行機(jī)器人一整套較為完善的理論體系,而且在一些國家,如日本、美國和蘇聯(lián)等都已研制成功了能靜態(tài)或動態(tài)步行的兩足步行機(jī)器人樣機(jī)。這一部分,我們主要介紹隊(duì)60年代到1985年這一時(shí)期,在兩足步行機(jī)器人領(lǐng)域所取得的最重要進(jìn)展[3~6]。
在60年代和70年代,對步行機(jī)器人控制理論的研究產(chǎn)生了3種非常重要的控制方法,即有限狀態(tài)控制、模型參考控制和算法控制。這3種控制方法對各種類型的步行機(jī)器人都是適用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出來的 ,模型參考控制是由美國的Farnsworth在1975年提出來的,而算法控制則是由南斯拉夫米哈依羅·鮑賓研究所著名的機(jī)器人學(xué)專家Vukobratovic博士在1969年至1972年問提出來的。這3種控制方法之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實(shí)質(zhì)上是一種采樣化的模型參考控制,而算法控制則是一種居中的情況[7]。
在兩足步行機(jī)器人的發(fā)展史上,Vukobratovic博士是一個(gè)非常突出的人物。他在整個(gè)70年代就兩足步行機(jī)器人的理論研究和假肢的設(shè)計(jì)發(fā)表了很多有影響的論文。他提出了用歐拉角描述兩足步行系統(tǒng)的通用數(shù)學(xué)模型;指出了由于步行系統(tǒng)的動態(tài)性能和控制性能的特殊性,用一般控制理論不能滿意地解決人工實(shí)現(xiàn)步行的問題,并相應(yīng)地提出了算法控制的概念;研究了類人型兩足步行系統(tǒng)在單腳和雙腳支撐期機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),并建立了從運(yùn)動副組合到關(guān)節(jié)力矩計(jì)算等各項(xiàng)運(yùn)算的KINPAIR算法,分析了類人型兩足步行系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定性,并提出了相應(yīng)的姿態(tài)控制算法;對類人型兩足步行系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析和頻率分析。此外,他還與合作者一起為截癱病人和小兒麻痹癥患者設(shè)計(jì)了一系列半動力型和動力型輔助行走裝置 。特別重要的是,他和Stepanenko博士一起在1972年提出了“零力矩點(diǎn)ZMP 的概念。ZMP概念的提出對兩足步行機(jī)器人控制產(chǎn)生了非常重要的影響,為有效地控制兩足步行機(jī)器人的運(yùn)動開辟了一條嶄新的途徑[8]。
在步態(tài)研究方面,蘇聯(lián)的Bessonov和Umnov定義了“最優(yōu)步態(tài)”,Kugushev和Jaro-
shevskij定義了自由步態(tài)。這兩種步態(tài)不僅適應(yīng)于兩足而且也適應(yīng)于多足步行機(jī)器人。其中,自由步態(tài)是相對于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平,那么步行機(jī)器人在行走時(shí),下一步腳應(yīng)放在什么地方,就不能根據(jù)固定的步序來考慮,而是應(yīng)該象登山運(yùn)動員那樣走一步看一步,通過某一優(yōu)化準(zhǔn)則來確定,這就是所謂的自由步態(tài)。
在兩足步行機(jī)器人的穩(wěn)定性研究方面,美國的Hemami等人曾提出將兩足步行系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的簡化模型看作是一個(gè)倒立振子(倒擺),從而可以將兩足步行的前進(jìn)運(yùn)動解釋為使振子直立移動的問題。此外,從減小控制的復(fù)雜性考慮,Hemami等人還曾就兩足步行機(jī)器人的 “降階模型”問題進(jìn)行了研究[9]。
在步行模式這方面的研究中,日本加藤一郎教授及其合作者1980年提出了“準(zhǔn)動態(tài)步行的概念,這是一種介于靜態(tài)步行和動態(tài)步行之間的步行方式。它既具有靜態(tài)步行的特點(diǎn)又具有動態(tài)步行的特點(diǎn),其步速要比靜態(tài)步行快,而實(shí)現(xiàn)起來又不象動態(tài)步行那樣困難。
最早采用最優(yōu)理論來研究類人型兩足步行系統(tǒng)是美國的Chow和Jacobson。他們在1971年發(fā)表的論文中, 具有約束條件的力學(xué)模型和性能最優(yōu)準(zhǔn)則作為兩足步行優(yōu)化問題的核心,而以一種簡化模型作為研究對象。但最后,他們僅是以局部耗能最少為基礎(chǔ)得出了一個(gè)優(yōu)化結(jié)果。
前面我們曾指出.Vukobratovic也對類人型兩足步行系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析 ,但他僅限于導(dǎo)出各關(guān)節(jié)及整個(gè)步行系統(tǒng)的功率隨時(shí)間的變化關(guān)系,并沒有過多地涉及能耗最優(yōu)這個(gè)問題.但在他的研究中,Vukobratovic得出了一個(gè)有用的結(jié)論,即步行姿態(tài)越平滑,類人型兩足步行系統(tǒng)所消耗的功率就越少[10]。
下面介紹一下樣機(jī)研制方面的主要情況。早在50年代中期,美國通用電氣公司就制造了一臺名為“Hardiman”的步行車,但當(dāng)時(shí)的驅(qū)動和伺服控制技術(shù)顯然還不足以使Hardiman進(jìn)入實(shí)用化階段。
1986年至1971年間,牛津大學(xué)的Witt等人曾制造和完善了一個(gè)兩足步行機(jī)器人。當(dāng)時(shí)他們的主要目的是為癱瘓者和下肢殘疾者設(shè)計(jì)實(shí)用的輔助行走裝置。這個(gè)機(jī)器人在平地上走得非常好,步速為0.28米/秒,功率消耗約4瓦 。
1972年,日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授及其合作者設(shè)計(jì)的Wabot(前身為wL一5)是迄今為止最上象的一個(gè)兩足步行機(jī)器人,它除有兩條腿之外,還具有許多其它擬人的特征Wabot首次步行是在1973年,它具有一定的自律性,能完成低速度的靜態(tài)穩(wěn)定步行。
后來,加藤他們又制造了一系列兩足步行機(jī)器人,這些機(jī)器人一般都是液壓驅(qū)動的,每條腿上一般具有5個(gè)自由度,典型的步長和步行周期分別是15厘米和l5秒,并且它們都能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和準(zhǔn)動態(tài)步行。特別值得一提的是,這些科學(xué)家在1984年成功地使他們研制的wL—lORD兩足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了動態(tài)步行,步幅為43.18厘米,步速達(dá)到1.3秒/步。wL一10RD機(jī)器人重84公斤,在其本體上安裝了一臺Z8002微型計(jì)算機(jī),用來控制它的步行運(yùn)動[11,12]。
在80年代初,東京大學(xué)的Miura和Shimoyama研制了5種類型的兩足步行機(jī)器人,它們依次被命名為BIPER-1,2,3,4,5。所有這些機(jī)器人都不能保持靜態(tài)穩(wěn)定,但在適當(dāng)?shù)目刂谱饔孟露寄軐?shí)現(xiàn)動態(tài)步行。BIPER一1和BIPER一2其能側(cè)行;BIPER一3是一個(gè)高蹺型機(jī)器人,腳與地面以點(diǎn)狀接觸,它既能側(cè)行,也能前進(jìn)、后退;BIPER一4的兩條腿具有與人完全相同的自由度;而BIPER-5則與BIPER-3相似,但BIPER一5的所有儀器。如計(jì)算機(jī)等,都安裝在其本體上[13]。
1982年,東京理工學(xué)院的Funabashi等人設(shè)計(jì)了一個(gè)名為MEG一2的兩足步行機(jī)器人,在該機(jī)器人的連桿機(jī)構(gòu)上安裝有重力和慣性力補(bǔ)償裝置。在1985年的實(shí)驗(yàn)中,該機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了高速步行(125步/分)。
此外,日本還有很多科學(xué)家和技術(shù)人員在8O年代也研制了一些兩足步行機(jī)器人。其中有的采用最優(yōu)調(diào)節(jié)器和數(shù)字控制理論來控制兩足步行機(jī)器人的運(yùn)動,有的用形狀記憶合金作為關(guān)節(jié)驅(qū)動器,而有的則是研究軌跡產(chǎn)生算法或試將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論用于步行機(jī)器人運(yùn)動控制.在1985年以前,樣機(jī)的研制主要是日本的科學(xué)家做出了突出的貢獻(xiàn)。
4 兩足步行機(jī)器人研究的近期情況和現(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(shí)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(gè)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(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)行翻筋斗動作實(shí)驗(yàn)。Hodgins和Raibert研究這兩種運(yùn)動是因?yàn)樗鼈兒胸S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(gè)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(gè)自由度,SD一2則有8個(gè)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(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(jiǎng) 。
1984年,鄭元芳博士對兩足步行機(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(shí)驗(yàn) 。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(jì)兩足步行機(jī)器人的方法。
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[14]。
我國從80年代中期才開始研究兩足步行機(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(gè)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(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,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(shí)驗(yàn)。
國防科技大學(xué)在1988年春天成功地研制了一臺平面型、6自由度的兩足步行機(jī)器人KDW — 1。它能前進(jìn)、后退和上、下樓梯,最大步幅為40cm,步速為4秒/步。1989年,他們又成功地研制了一臺空間運(yùn)動型的兩足步行機(jī)器人KDW – 2。該機(jī)器人具有l(wèi)0個(gè)自由度,體高69cm,重l 3kg,各關(guān)節(jié)采用直流伺服電機(jī)經(jīng)諧波減速驅(qū)動,系統(tǒng)采用局部關(guān)節(jié)伺服控制,離線步態(tài)規(guī)劃和局部實(shí)時(shí)修正方案,用一臺l6位微機(jī)進(jìn)行步態(tài)協(xié)調(diào)控制.在1989年,KDW —2機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)、后退、上下臺階的靜態(tài)穩(wěn)定步行以及左、右的準(zhǔn)動態(tài)步行。1990年國防科技大學(xué)在KDW —2的平臺上安裝了兩個(gè)垂直關(guān)節(jié),進(jìn)一步發(fā)展成KDW一3。該機(jī)器人已有l(wèi)2個(gè)自由度,除具有KDW-2的全部功能外,還能做轉(zhuǎn)彎運(yùn)動,真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的全方位行走。
國防科技大學(xué)還將工業(yè)機(jī)器人的軌跡示教方法用到了兩足步行機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃中,形成了步行機(jī)器人的步態(tài)示教劃規(guī)技術(shù)。
我們南京航空學(xué)院從1989年秋天起也開展了一個(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(jì)劃正在實(shí)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(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
概括起來,兩足步行機(jī)器人的發(fā)展趨勢包括如下l0個(gè)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(gè)或多個(gè)機(jī)械手)。
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(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,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。
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[14] 張建民等.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1997.
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論 文)開 題 報(bào) 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(jì)兩足行走機(jī)器人—行走結(jié)構(gòu)部分,能夠?qū)崿F(xiàn)交替邁腿功能。兩足行走機(jī)器人,典型特征是不僅能在平地上,而且能在凹凸不平的地上步行,能跨越溝壑,上下臺階,具有廣泛的適應(yīng)性。
主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)是機(jī)器人跨步時(shí)自動轉(zhuǎn)移重心而保持平衡的問題。
對于平衡穩(wěn)定,初步設(shè)想采用的方法是,在設(shè)計(jì)兩足步行機(jī)時(shí),為了提高其運(yùn)動穩(wěn)定性,常采用較大的腳板支撐面,并且使機(jī)構(gòu)的重心位置盡可能放低,以使運(yùn)動中步行機(jī)的ZMP(ZMP的定義是:地面對腳底板沿z向作用的分布力的合力,若這個(gè)合力作用點(diǎn)處的力矩為零,這一點(diǎn)便是零力矩點(diǎn))落在支撐平面內(nèi)。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中,這兩種方法都受到結(jié)構(gòu)的限制,因此,還必需進(jìn)一步研究探索其平衡方法。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論 文)開 題 報(bào) 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(jì)(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(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
所在專業(yè)審查意見:
負(fù)責(zé)人:
年 月 日