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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：
徐昕晏
學(xué) 號(hào)：
05010244
專 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
頭部及身體結(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 本文有四個(gè)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(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 原因 前景 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1 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)大凡類的活動(dòng)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(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[1]。
2 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[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(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[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(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[4]。
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)[5]。
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-1和SD-2。SD-l具有4個(gè)自由度，SD-2則有8個(gè)自由度。其中，SD-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-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)[6] 。
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-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)[8]。
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。
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，并正在進(jìn)行動(dòng)態(tài)步行的實(shí)驗(yàn)[9]。
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[10]?？傆^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)[11]。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[12]。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[13]！
4 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) [14，15]。
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[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(jìng)賽機(jī)器人制作技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.
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[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(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1995年6月.
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[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.
[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(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—頭部及身體結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)頭部擺動(dòng)及身體轉(zhuǎn)動(dòng)的功能。
主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)是機(jī)器人頭部的自由擺動(dòng)問(wèn)題以及與身體運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)問(wèn)題。
我們小組設(shè)計(jì)小組選擇簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)實(shí)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(jì)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(gè)自由度，身體兩個(gè)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(dòng)。
（2）采用傳統(tǒng)機(jī)器人的自動(dòng)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(dòng)作。
（3）頭部與身體可同時(shí)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(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)：
該生在文獻(xiàn)綜述中，對(duì)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(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)：
該課題要求學(xué)生實(shí)際動(dòng)手，設(shè)計(jì)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(jì)地要求。
指導(dǎo)教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見(jiàn)：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日