0125-兩足行走機器人-行走結構部分設計,行走,機器人,結構,部分,部份,設計 南京理工大學泰州科技學院 畢業(yè)設計(論文)開題報告 學 生 姓 名： 許峰 學 號： 05010245 專 業(yè)： 機械工程及自動化 設計(論文)題目： 兩足行走機器人 —行走部分的設計 指 導 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“文獻綜述”）作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成，經指導教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效； 2．開題報告內容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見； 3．“文獻綜述”應按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內，學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于15篇科技論文的信息量，一般一本參考書最多相當于三篇科技論文的信息量（不包括辭典、手冊）； 4．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標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，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 1．結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫 2000字左右的文獻綜述： 文 獻 綜 述 摘要 本文共分6個部分，詳細介紹了研究兩足步行機器人的原因和目的，兩足步行機器人的特點及其應用前景。國內外兩足步行機器人研究的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。 關鍵詞 兩足機器人 歷史 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 研究兩足步行機器人的原因和目的 世界著名機器人學專家，日本早稻田大學的加藤一郎教授說過：“機器人應當具有的最大特征之一是步行功能”。步行功能的具備為擴大機器人的應用領域開辟了無限廣闊的前景研究兩足步行機器人的原因和目的，概括起來有如下4個：(1)我們希望研制出兩足步行機構，使它們能在許多結構性和非結構性環(huán)境中行走，以代替人進行作業(yè)或延伸和擴大凡類的活動領域。(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。(3)兩足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動力學特性，在這一方面的研究可以拓寬力學及機器人學的研究方向。(4)兩足步行機器人可以作為一種智能機器人在人工智能中發(fā)揮重要的作用[1]。 2 兩足步行機器人的特點及其應用前景 在具有許多優(yōu)點的步行機器人中，由于兩足步行機器人體積較小，所以它們對環(huán)境有最好的適應性。這種機器人除結構較為簡單外，在靜、動態(tài)穩(wěn)定步行方面，在高速運動方面，都是最困難的，但這些困難在技術上又并非不能克服。實用的兩足步行機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，以便安裝機械手、CCD攝象機、機載計算機控制系統(tǒng)和蓄電池。顯然，這種帶機械手的兩足步行機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器人來說，平臺的穩(wěn)定性對于有效地控制機械手末端操作器的位置和姿態(tài)是至關重要的，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)調地控制兩條腿的運動以保持平臺及整個兩足步行機器人的穩(wěn)定就成為一個主要問題。 目前，兩足步行機器人的應用領域主要是康復醫(yī)學。從長遠來看，兩足步行機器人在無人工廠、核電站、海底開發(fā)、宇宙探索、康復醫(yī)學以及教育、藝術和大眾服務行業(yè)等領域都有著潛在而廣闊的應用前景[2]。 3 兩足步行機器人的歷史 最早系統(tǒng)地研究人類和動物運動原理的是Muybridge，他發(fā)明了電影用的獨特攝像機，即一組電動式觸發(fā)照相機，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的方法又被Demeny用來研究人類的步行運動。從本世紀30年代到50年代，蘇聯(lián)的Bernstein從生物動力學的角度也對人類和動物的步行機理進行深入的研究，并就步行運動作了非常形象化的描述。 真正全面、系統(tǒng)地開展兩足步行機器人的研究是始于本世紀60年代。迄今，不僅形成了兩足步行機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)步行的兩足步行機器人樣機。這一部分，我們主要介紹隊60年代到1985年這一時期，在兩足步行機器人領域所取得的最重要進展[3～6]。 在60年代和70年代，對步行機器人控制理論的研究產生了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器人學專家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在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實質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]。 在兩足步行機器人的發(fā)展史上，Vukobratovic博士是一個非常突出的人物。他在整個70年代就兩足步行機器人的理論研究和假肢的設計發(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現(xiàn)步行的問題，并相應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構的特點，并建立了從運動副組合到關節(jié)力矩計算等各項運算的KINPAIR算法，分析了類人型兩足步行系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定性，并提出了相應的姿態(tài)控制算法；對類人型兩足步行系統(tǒng)進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計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ZMP 的概念。ZMP概念的提出對兩足步行機器人控制產生了非常重要的影響，為有效地控制兩足步行機器人的運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)不僅適應于兩足而且也適應于多足步行機器人。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，那么步行機器人在行走時，下一步腳應放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來考慮，而是應該象登山運動員那樣走一步看一步，通過某一優(yōu)化準則來確定，這就是所謂的自由步態(tài)。 在兩足步行機器人的穩(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倒立振子(倒擺)，從而可以將兩足步行的前進運動解釋為使振子直立移動的問題。此外，從減小控制的復雜性考慮，Hemami等人還曾就兩足步行機器人的 “降階模型”問題進行了研究[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)步行的特點又具有動態(tài)步行的特點，其步速要比靜態(tài)步行快，而實現(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模型和性能最優(yōu)準則作為兩足步行優(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得出了一個優(yōu)化結果。 前面我們曾指出．Vukobratovic也對類人型兩足步行系統(tǒng)進行了能量分析 ，但他僅限于導出各關節(jié)及整個步行系統(tǒng)的功率隨時間的變化關系，并沒有過多地涉及能耗最優(yōu)這個問題．但在他的研究中，Vukobratovic得出了一個有用的結論，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，但當時的驅動和伺服控制技術顯然還不足以使Hardiman進入實用化階段。 1986年至1971年間，牛津大學的Witt等人曾制造和完善了一個兩足步行機器人。當時他們的主要目的是為癱瘓者和下肢殘疾者設計實用的輔助行走裝置。這個機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，日本早稻田大學的加藤一郎教授及其合作者設計的Wabot(前身為wL一5)是迄今為止最上象的一個兩足步行機器人，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器人，這些機器人一般都是液壓驅動的，每條腿上一般具有5個自由度，典型的步長和步行周期分別是15厘米和l5秒，并且它們都能實現(xiàn)靜態(tài)和準動態(tài)步行。特別值得一提的是，這些科學家在1984年成功地使他們研制的wL—lORD兩足步行機器人實現(xiàn)了動態(tài)步行，步幅為43.18厘米，步速達到1.3秒／步。wL一10RD機器人重84公斤，在其本體上安裝了一臺Z8002微型計算機，用來控制它的步行運動[11，12]。 在80年代初，東京大學的Miura和Shimoyama研制了5種類型的兩足步行機器人，它們依次被命名為BIPER-1，2，3，4，5。所有這些機器人都不能保持靜態(tài)穩(wěn)定，但在適當?shù)目刂谱饔孟露寄軐崿F(xiàn)動態(tài)步行。BIPER一1和BIPER一2其能側行；BIPER一3是一個高蹺型機器人，腳與地面以點狀接觸，它既能側行，也能前進、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。如計算機等，都安裝在其本體上[13]。 1982年，東京理工學院的Funabashi等人設計了一個名為MEG一2的兩足步行機器人，在該機器人的連桿機構上安裝有重力和慣性力補償裝置。在1985年的實驗中，該機器人實現(xiàn)了高速步行(125步／分)。 此外，日本還有很多科學家和技術人員在8O年代也研制了一些兩足步行機器人。其中有的采用最優(yōu)調節(jié)器和數(shù)字控制理論來控制兩足步行機器人的運動，有的用形狀記憶合金作為關節(jié)驅動器，而有的則是研究軌跡產生算法或試將神經網(wǎng)絡理論用于步行機器人運動控制．在1985年以前，樣機的研制主要是日本的科學家做出了突出的貢獻。 4 兩足步行機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研制不象1985年以前那樣豐富，但也頗具特色。重要的是，國內正是在這一時期全面開展了兩足步行機器人的研究。下面，首先看看美國的有關情況。 1985年，美國的Hodgins和Raibert等人研制了一個用來進行奔跑運動和表演體操動作的平面型兩足步行機器人，這個機器人有3個自由度。1986年，他們用這個機器人進行奔跑實驗，著重研究奔跑過程中出現(xiàn)的彈射飛行狀態(tài)。在實驗中，這個機器人的最大速度高達4.3米／秒。1988年和1990年，他們又用這個機器人進行翻筋斗動作實驗。Hodgins和Raibert研究這兩種運動是因為它們含有豐富的動力學內容，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器人的科學家中，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獲博士學位，然后一直在克萊姆森大學工作，最近又回到俄亥俄州立大學任職。在克萊姆森大學期間，他主持研制了兩臺步行機器人，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器人。1986年，SD一2機器人成功地實現(xiàn)了平地上前進、后退以及左、右側行。1987年，這個機器人又成功地實現(xiàn)了動態(tài)步行。鄭元芳博士也因他在機器人領域的突出貢獻而獲得美國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器人與環(huán)境接觸時的碰撞效應進行了研究。1987年，他提出了一種用于兩足步行機器人運動控制的監(jiān)控系統(tǒng)。1989年，他研究了兩足步行機器人的擾動抑制問題。1990年他首次提出了使兩足步行機器人能走斜坡的控制方案，并利用SD一2機器人進行了成功的實驗 。此外，鄭元芳博士還從神經生理學的角度對人類肌肉的多級傳感與多級驅動原理進行了研究，并提出了采用這種原理設計兩足步行機器人的方法。 下面我們再看看國內在兩足步行機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器人，當時主要的研究單位是哈爾濱工業(yè)大學和國防科技大學。 哈爾濱工業(yè)大學研制成功的第一臺兩足步行機器人重7Okg，高l10cm，有10個自由度，采用直流電機經諧波減速驅動，控制系統(tǒng)由一臺IBM—PC／XT計算機和l0個MCS一51單片機系統(tǒng)組成。1989年l0月，這個機器人實現(xiàn)了平地上的前進，左、右側行以及上、下樓梯的運動，步幅可達45cm，步速為l0秒／步，為靜態(tài)步行。 最近哈爾濱工業(yè)大學又研制了一臺l2自由度的兩足步行機器人，并正在進行動態(tài)步行的實驗。 國防科技大學在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器人KDW — 1。它能前進、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動型的兩足步行機器人KDW – 2。該機器人具有l(wèi)0個自由度，體高69cm，重l 3kg，各關節(jié)采用直流伺服電機經諧波減速驅動，系統(tǒng)采用局部關節(jié)伺服控制，離線步態(tài)規(guī)劃和局部實時修正方案，用一臺l6位微機進行步態(tài)協(xié)調控制．在1989年，KDW —2機器人實現(xiàn)了前進、后退、上下臺階的靜態(tài)穩(wěn)定步行以及左、右的準動態(tài)步行。1990年國防科技大學在KDW —2的平臺上安裝了兩個垂直關節(jié)，進一步發(fā)展成KDW一3。該機器人已有l(wèi)2個自由度，除具有KDW-2的全部功能外，還能做轉彎運動，真正實現(xiàn)了實驗室環(huán)境中的全方位行走。 國防科技大學還將工業(yè)機器人的軌跡示教方法用到了兩足步行機器人的步態(tài)規(guī)劃中，形成了步行機器人的步態(tài)示教劃規(guī)技術。 我們南京航空學院從1989年秋天起也開展了一個兩足步行機器人的研究計劃，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，對兩足步行機器人的研究已經達到了相當高的水平，研制出了能靜態(tài)或動態(tài)行走的多種樣機。國內由于起步較晚，前一段剛完成靜態(tài)穩(wěn)定步行的研究，目前，正處于準動態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定步行的研究階段。雖然國內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到今天的水平，已經是相當驚人的了。 5 兩足步行機器人研究的發(fā)展趨勢 概括起來，兩足步行機器人的發(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性。(4)具有極強的越障和回避能力。(5)具有很高的載重／自重比。(6)可靠性高、工作壽命長。(7)具有豐富的內感知和外感知系統(tǒng)。(8)控制系統(tǒng)和能源裝置機載化。(9)具有完全的自律能力。(10)具有靈活的操作能力(安裝一個或多個機械手)。 6 結束語 本文較詳細地介紹了國內外兩足步行機器人研究的主要情況．我們相信，隨著整個機器人技術及相關技術的發(fā)展，在不久的將來，兩足步行機器人一定能夠真正進入實用化階段，在各行各業(yè)中發(fā)揮重要作用。 參考文獻 [1] Muybridge E．The horse in motion as shown by mstantananeous hotographs．London，England．1982. 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[14] 張建民等．機電一體化系統(tǒng)設計[M]．北京：北京理工大學出版社,1997.  畢 業(yè) 設 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）： 本課題是設計兩足行走機器人—行走結構部分，能夠實現(xiàn)交替邁腿功能。兩足行走機器人，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，具有廣泛的適應性。 主要設計難點是機器人跨步時自動轉移重心而保持平衡的問題。 對于平衡穩(wěn)定，初步設想采用的方法是，在設計兩足步行機時，為了提高其運動穩(wěn)定性，常采用較大的腳板支撐面，并且使機構的重心位置盡可能放低，以使運動中步行機的ZMP（ZMP的定義是：地面對腳底板沿z向作用的分布力的合力，若這個合力作用點處的力矩為零，這一點便是零力矩點）落在支撐平面內。但在實際設計中，這兩種方法都受到結構的限制，因此，還必需進一步研究探索其平衡方法。  畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 指導教師意見： 1．對“文獻綜述”的評語： 該生的文獻綜述結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行了較深入地學習。 2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結果的預測： 本課題要做什么步驟敘述很清楚，設計思路正確，工作量合理，預計該生能順利并很好地完成該課題。 指導教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見： 負責人： 年 月 日