機(jī)械手-兩足行走機(jī)器人——頭部、臂部控制部分設(shè)計(jì)

機(jī)械手-兩足行走機(jī)器人——頭部、臂部控制部分設(shè)計(jì),機(jī)械手,行走,機(jī)器人,頭部,臂部,控制,節(jié)制,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)開題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 吳玉坤 學(xué) 號： 05010236 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、臂部控制部分設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 教 師: 路建萍 劉 艷 2009 年 3 月 22 日 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； 2．開題報(bào)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(jì)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(shí)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(bào)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(shí)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(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 兩足步行機(jī)器人以其自動(dòng)化程度最高，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)最為復(fù)雜，以及豐富的動(dòng)力學(xué)特性而成為機(jī)器人領(lǐng)域理論研究的熱點(diǎn)。兩足步行機(jī)器人類似人類行走，靈巧輕便，對行走環(huán)境有良好的適應(yīng)性，既能在平地上行走，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面行走，因而使得步行機(jī)器人的應(yīng)用范圍大大拓寬，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，在理論和實(shí)踐方面做出了卓有成效的研究，開發(fā)了多種結(jié)構(gòu)的步行機(jī)器人。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 機(jī)構(gòu) 穩(wěn)定性 自由度 1 機(jī)器人的硬體組成 機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)副（轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副）常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)器人的自由度數(shù)。根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式的不同，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等類型。出于擬人化的考慮，常將機(jī)器人本體的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部（夾持器或末端執(zhí)行器）和行走部（對于移動(dòng)機(jī)器人）等[1]。 檢測裝置的作用是實(shí)時(shí)檢測機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)器人的動(dòng)作符合預(yù)定的要求。作為檢測裝置的傳感器大致可以分為兩類：一類是內(nèi)部信息傳感器，用于檢測機(jī)器人各部分的內(nèi)部狀況，如各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成閉環(huán)控制[2，3]。另一類是外部信息傳感器，用于獲取有關(guān)機(jī)器人的作業(yè)對象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機(jī)器人的動(dòng)作能適應(yīng)外界情況的變化，使之達(dá)到更高層次的自動(dòng)化，甚至使機(jī)器人具有某種“感覺”，向智能化發(fā)展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對象、工作環(huán)境的有關(guān)信息，利用這些信息構(gòu)成一個(gè)大的反饋回路，從而將大大提高機(jī)器人的工作精度。 控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機(jī)器人的全部控制由一臺微型計(jì)算機(jī)完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺微機(jī)來分擔(dān)機(jī)器人的控制，如當(dāng)采用上、下兩級微機(jī)共同完成機(jī)器人的控制時(shí)，主機(jī)常用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，并向下級微機(jī)發(fā)送指令信息；作為下級從機(jī)，各關(guān)節(jié)分別對應(yīng)一個(gè)CPU，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算和伺服控制處理，實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)，并向主機(jī)反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機(jī)器人的控制方式又可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。 兩足步行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)是所有部件的載體，也是設(shè)計(jì)兩足步行機(jī)器人最基本的和首要的工作。它必須能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的前后左右以及爬斜坡和上樓梯等的基本功能，因此自由度的配置必須合理：首先分析一下步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程(前向)和行走步驟：重心右移(先右腿支撐)、左腿抬起、左腿放下、重心移到雙腿中間、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到雙腿間，共分8個(gè)階段。從機(jī)器人步行過程可以看出：機(jī)器人向前邁步時(shí)，髓關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)必須各自配置有一個(gè)俯仰自由度以配合實(shí)現(xiàn)支撐腿和上軀體的移動(dòng)；要實(shí)現(xiàn)重心轉(zhuǎn)移，髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度是必不可少的；機(jī)器人要達(dá)到目標(biāo)位置，有時(shí)必須進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，所以需要有髖關(guān)節(jié)上的轉(zhuǎn)體自由度。另外膝關(guān)節(jié)處配置一個(gè)俯仰自由度能夠調(diào)整擺動(dòng)腿的著地高度，使上下臺階成為可能，還能實(shí)現(xiàn)不同的步態(tài)。這樣最終決定髖關(guān)節(jié)配置3個(gè)自由度，包括轉(zhuǎn)體(roll)、俯仰(pitch)和偏轉(zhuǎn)(yaw)自由度，膝關(guān)節(jié)配置一個(gè)俯仰自由度，踝關(guān)節(jié)配置有俯仰和偏轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度。這樣，每條腿配置6個(gè)自由度，兩條腿共12個(gè)自由度。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的俯仰自由度共同協(xié)調(diào)動(dòng)作可完成機(jī)器人的在縱向平面(前進(jìn)方向)內(nèi)的直線行走功能；髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)體自由度可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎功能；髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)在橫向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能[4～6]。 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(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[13]。 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(腰部)組成。腿的作用是為平臺提供移動(dòng)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攝像機(jī)、機(jī)載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和蓄電池[9]。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(dòng)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。 4 兩足步行機(jī)器人研究的現(xiàn)狀 4.1 國外的有關(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(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)[7]。 在美國研究兩足步行機(jī)器人的科學(xué)家中，鄭元芳博士是一個(gè)非常杰出的人物。他在80年代初由中國去了美國，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SD1和SD2。SDl具有4個(gè)自由度，SD2則有8個(gè)自由度[10]。其中，SD2是美國第一臺真正擬人的兩足步行機(jī)器人。1986年，SD2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(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，利用SD2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(dòng)原理進(jìn)行了研究，提出了采用這種原理設(shè)計(jì)兩足步行機(jī)器人的方法[12]。 4.2 國內(nèi)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(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(dòng)，控制系統(tǒng)由一臺IBM—PC／XT計(jì)算機(jī)和l0個(gè)MCS 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[14]。 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(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(dòng)型的兩足步行機(jī)器人，命名為NAIWR—1[15]。目前，這一計(jì)劃正在實(shí)施中?？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(dòng)態(tài)行走的多種樣機(jī)。國內(nèi)由于起步較晚，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[8]。雖然國內(nèi)的研究水平還不像國外那樣高，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(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。(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) [11]。 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。 參考文獻(xiàn) [1] 包志軍，馬培蓀．從兩足機(jī)器人到仿人形機(jī)器人的研究[J]．機(jī)器人，1999，7(4)：312·320． [2] 宣孝英．并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃[D]．武漢：華中理工大學(xué)，1999. 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