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南京理工大學泰州科技學院
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
學 生 姓 名：
徐昕晏
學 號：
05010244
專 業(yè)：
機械工程及自動化
設(shè)計(論文)題目：
兩足行走機器人
頭部及身體結(jié)構(gòu)部分的設(shè)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(shè)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(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)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(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設(shè)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(nèi)，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(guān)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(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)所查閱的文獻資料，每人撰寫
2000字左右的文獻綜述：
文 獻 綜 述
摘要 本文有四個部分，詳細介紹了研究機器人的原因，兩足步行機器人的應用前景，國內(nèi)外兩足步行機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞 原因 前景 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1 研究兩足步行機器人的原因
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(lǐng)域開辟了無限廣闊的前景研究兩足步行機器人的原因，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，以代替人進行作業(yè)或延伸和擴大凡類的活動領(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。(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 兩足步行機器人應用前景
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(chǔ)，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(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器人的穩(wěn)定就成為一個主要問題[2]。
目前，兩足步行機器人的應用領(lǐng)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(shù)和大眾服務行業(yè)等領(lǐng)域都有著潛在而廣闊的應用前景[3]。
3 兩足步行機器人研究的現(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器人的研究。下面，首先看看美國的有關(guān)情況[4]。
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(nèi)容，尤其是兩者都具有彈射飛行狀態(tài)[5]。
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-1和SD-2。SD-l具有4個自由度，SD-2則有8個自由度。其中，SD-2是美國第一臺真正擬人的兩足步行機器人。1986年，SD-2機器人成功地實現(xiàn)了平地上前進、后退以及左、右側(cè)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(lǐng)域的突出貢獻而獲得美國1987年度“總統(tǒng)青年研究員”獎[6] 。
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-2機器人進行了成功的實驗 。此外，鄭元芳博士還從神經(jīng)生理學的角度對人類肌肉的多級傳感與多級驅(qū)動原理進行了研究，并提出了采用這種原理設(shè)計兩足步行機器人的方法[7]。
下面我們再看看國內(nèi)在兩足步行機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[8]。
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(jīng)諧波減速驅(qū)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(cè)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[9]。
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[10]。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(jīng)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[11]。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，正處于準動態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定步行的研究階段[12]。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到今天的水平，已經(jīng)是相當驚人的了[13]！
4 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(nèi)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) [14，15]。
6結(jié)束語
本文較詳細地介紹了國內(nèi)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(shù)及相關(guān)技術(shù)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] 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. 機器人工程[M]. 北京：科學出版社，2001年2月.
[4] 熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學出版社，1996.
[5] 王志良.競賽機器人制作技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.
[6] 成大先.機械設(shè)計手冊（第4版）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.
[7] 熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學出版社，1996.
[8] 機械設(shè)計手冊編委會. 機械設(shè)計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2007年7月.
[9] 馬香峰. 機器人機構(gòu)學[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1991.
[10] 龔振邦等. 機器人機械設(shè)計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1995年6月.
[11] 吳瑞祥. 機器人技術(shù)及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，1994.
[12] 熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學出版社，1996.
[13] David Cook.機器人制作[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.
[14] 費仁元等.機器人機械設(shè)計和分析.北京：北京工業(yè)大學出版社，1998.
[15] 兵工210所. 機器人技術(shù)與應用[J]. 雙月刊,有關(guān)文章.
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)計兩足行走機器人—頭部及身體結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)頭部擺動及身體轉(zhuǎn)動的功能。
主要設(shè)計難點是機器人頭部的自由擺動問題以及與身體運動的協(xié)調(diào)問題。
我們小組設(shè)計小組選擇簡單的控制系統(tǒng)實現(xiàn)模擬人類行走的機器人，以此提高我們的機械設(shè)計創(chuàng)新能力。
我們采用以下創(chuàng)新點
(1) 采用頸部三自由度、顎部一個自由度，身體兩個自由度的方案。使頭部以及身體部分能分別依照各自自由度進行運動。
（2）采用傳統(tǒng)機器人的自動化技術(shù)結(jié)合傳感器技術(shù),利用程序控制機器人的動作。
（3）頭部與身體可同時分別做旋轉(zhuǎn)，互不干擾。
（4）充分體現(xiàn)了以機為主、機電結(jié)合的特色。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告
指導教師意見：
1．對“文獻綜述”的評語：
該生在文獻綜述中，對雙足行走機器人的方展現(xiàn)狀及功能進行了較為詳細地綜述，緊扣研究課題。
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)果的預測：
該課題要求學生實際動手，設(shè)計雙足行走機器人頭部結(jié)構(gòu)。其課題深度、廣度及工作量符合本科畢業(yè)設(shè)計地要求。
指導教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見：
負責人：
年 月 日