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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： 黃俊 學 號： 05010213 專 業(yè)： 機械工程及自動化 設計(論文)題目： 兩足行走機器人 —行走控制部分設計 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(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 兩足行走機器人是當前機器人研究領域最活躍的研究方向之一，引起了許多科研工作者的注意。本文介紹了兩足行走機器人與其他移動機器人相比的主要優(yōu)點，對國內外兩足行走機器人的研制工作做了綜述，并對將來的研究方向和工作重點做出了展望。 關鍵詞 機器人 智能控制 兩足行走 1 兩足行走機器人的一般情況 兩足機器人是模擬人類用兩條腿走路的機器人[1]。兩足步行機器人適于在凸凹不平或有障礙的地面行走作業(yè)，比一般移動機器人靈活性強，機動性好。1972年，日本早稻田大學研制出第一臺功能較全的兩足步行機器人。美國、南斯拉夫等學者也研制出各種兩足走行機器人模型。兩足步行模型是一個變結構機構，單腳支撐為開式鏈，雙腳支撐為閉式鏈。支撐點的固定靠摩擦力來保證，質量分布和重量大小都直接影響靜態(tài)和動態(tài)的穩(wěn)定性。為保證行走過程中姿態(tài)的穩(wěn)定性，對行走步態(tài)應加嚴格的約束[2]，[4]。 如圖1中示出了具有11個動力關節(jié)的兩足步行模型的自由度分配。這些關節(jié)以旋轉軸的方向分為縱搖軸、橫搖軸和偏航軸?？v搖軸實現(xiàn)前進方向的重心移動，橫搖軸實現(xiàn)左右方向的重心擺動，偏航軸轉換方向。在行走過程中，通過縱搖軸的髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)的協(xié)調動作，在前進方向上移動重心；通過上驅體關節(jié)使上身左傾或右傾，移動上身塔載調節(jié)重心；通過偏航軸的腰關節(jié)轉換方向。關節(jié)的驅動能源主要有氣壓、液壓和電動三種。氣壓式重量輕、安全便宜，但因空氣的可縮性，在變負載情況下，穩(wěn)定性差。液壓式輸出功率大、快速性好，但需配備動力組件。例如，日本早稻田大學加藤一郎教授研制的WD-10RD,是具有12個自由度的液壓驅動機器人。電動式結構簡單、控制容易。但功率密度低、價格較高[6]。 圖1 兩足步行機器人自由度的配置 2 兩足行走機器人的組成 機器人主要由以下6個部分組成。 (1)手臂 手臂是機器人的一部分。該部位由手（手爪）、手臂（手的姿勢）和手腕組成。手臂通過各關節(jié)來實現(xiàn)動作的完成。 (2)操作機構 該部位是驅動機械人關節(jié)的驅動機構。被用于關節(jié)部位的操作機構幾乎都是帶有減速器的伺服電動機，但是對于可以放入手腕和腿中的小型高扭矩的直接驅動式電動機的要求則較高。 (3)傳感器 傳感器作為用來檢測視覺、觸覺、動作姿勢控制等部位，包括用于測定手腕位置和速度等的內置傳感器和用于識別機器人作業(yè)對象的外部傳感器。 (4)移動機構 移動機構就機器人的腳，它是用來移動的部位，以實現(xiàn)機器人的抬腿跨步，以及關節(jié)的旋轉擺動，從而完成一些較為復雜的動作。 (5)控制器（控制裝置） 控制器是用來控制一系列動作的部位[8]，[9]。為了使機器人的手腕和腿部位活動起來，需要控制器（控制裝置）來向安裝在這些部位的操作機構和傳感器發(fā)送信號指令，使其接受位置信號。控制器會把人類所要求的作業(yè)命令記錄起來，通過開始質量那個讓其激活，再把必要的動作指令傳送給手腕和腿部位。 (6)操作機構的驅動源 操作機構的驅動源主要有液壓式、電動式和啟動式。 3 兩足行走機器人的特性體現(xiàn) (1)兩足行走機器人能適應各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，能夠方便的上下臺階及通過不平整、不規(guī)則或較窄的路面，它的移動“盲區(qū)”很小。 (2) 兩足行走機器人的能耗很小，因為該機器人可具有獨立的能源裝置，因此在設計時就應充分考慮其能耗問題。機器人力學計算也表明，足式機器人的能耗通常低于輪式和履帶式[7～9]。 (3) 兩足行走機器人具有廣闊的工作空間。由于行走系統(tǒng)的占地面積小，而活動范圍很大，所以為其配置的機械手提供了更大的活動空間，同時也可使機械手臂設計得較為短小緊湊。 (4)兩足行走是生物界難度最高的步行動作。但其步行性能卻是其它步行結構所無法比擬的。所以，仿人機器人的研制勢必要求并促進機器人結構的革命性的變化同時有力推進機器人學及其它相關學科的發(fā)展[12]。 兩足機器人對機器人的機械結構及驅動裝置提出了許多特殊要求，這將導致傳統(tǒng)機械的重大變革。兩足機器人是工程上少有的高階、非線性、非完整約束的多自由度系統(tǒng)。這對機器人的運動學、動力學及控制理論的研究提供了一個非常理想的實驗平臺。在對其研究的過程中很可能導致力學及控制領域中新理論、新方法的產生，另外，仿兩足機器人的研究還可以推動仿生學、人工智能、計算機圖形、通信等相關學科的發(fā)展。因此，兩足步行機器人的研制具有十分重大的價值和意義。 4 兩足行走機器人的研制展望 兩足行走機器人與輪式、履帶式機器人相比有許多突出的優(yōu)點和它們無法比擬的優(yōu)越性。但是由于受到機構學、材料科學、計算機技術、控制技術、微電子學、通訊技術、傳感技術、人工智能、數(shù)學方法、仿生學等相關學科發(fā)展的制約。至今基本上仍處于實驗室研制的階段，尤其是雙足行走的速度、穩(wěn)定性及自適應能力仍不是十分理想。只有在走穩(wěn)走好之后再加上臂部執(zhí)行機構和智能結構，才談得上真正的仿人[12]。當然，仿人不能僅僅局限于這些。還應該模仿人類的視覺、觸覺、語言，甚至情感等功能。仿人機器人是許多技術的綜合、集成和提高。目前，主要的攻關項目還是行走功能的進一步提高。日本本田公司生產的仿人機器人雖已走向市場化。但是，它的功能還很有限，離實際意義上的擬人化還有相當?shù)囊欢尉嚯x，所以仿人機器人給科研工作者提供了廣闊的研究空間，提出了一個又一個新的挑戰(zhàn)!同時也促進了許多相關學科的發(fā)展，導致了一些新理論，新方法的出現(xiàn)。越來越多的科研工作者投入了這一新興的前沿學科。 5 總結 兩足步行是步行方式中自動化程度最高、最為復雜的動態(tài)系統(tǒng)[13]。兩足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動力學特性，對步行的環(huán)境要求很低，既能在平地上行走，也能在非結構性的復雜地面上行走，對環(huán)境有很好的適應性。與其它足式機器人相比，雙足機器人具有支撐面積小，支撐面的形狀隨時間變化較大，質心的相對位置高的特點。是其中最復雜，控制難度最大的動態(tài)系統(tǒng)。但由于雙足機器人比其它足式機器人具有更高的靈活性，因此具有自身獨特的優(yōu)勢，更適合在人類的生活或工作環(huán)境中與人類協(xié)同工作，而不需要專門為其對這些環(huán)境進行大規(guī)模改造。例如代替危險作業(yè)環(huán)境中(如核電站內)的工作人員，在不平整地面上搬運貨物等等。此外將來社會環(huán)境的變化使得雙足機器人在護理老人、康復醫(yī)學以及一般家務處理等方面也有很大的潛力。 參 考 文 獻 [1] 馬香峰. 機器人機構學[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1991. [2] 王曉明．電動機的單片機控制．北京航空航天大學出版社，2003. [3] 吳瑞祥. 機器人技術及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，1994. [4] 熊有倫. 機器人技術基礎[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[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007. [6] 馬香峰. 工業(yè)機器人的操作機設計[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1996.9. [7] 余達太，馬香峰. 工業(yè)機器人應用工程[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1999.4. [8] 劉政華等． 機械電子學[M]．北京：國防科技大學出版社，1999.10. [9] Ernest L. Mallet. Robotics: A User-Friendly Introduction [M]. New York: CBS College Publishing, 1985. [10] Yore Koran. Robotics for Engineers [M].McGraw-Hill Book Company, 1985. [11] 張建民. 機電一體化原理與應用[M]．國防科技大學出版社，1992.1 [12] 曲家騏. 伺服控制系統(tǒng)中的傳感器[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1998. [13] 秦志強. 基礎機器人制作與編程[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社，2007. [14] 高鐘毓. 機電一體化系統(tǒng)設計[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1997.2 [15] 陳繼榮. 智能電子創(chuàng)新制作[M]. 北京：科技出版社，2007. [16] 張建民．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）： 1 課題目的與預期目標 微機原理及接口技術在各科領域有很廣泛的應用，通過該課題的研究使學生掌握微機在控制系統(tǒng)中的應用方法，行走電路的設計、對電動機驅動與控制設計。同時使學生掌握工程設計的一般方法以及獨立分析問題和解決問題的能力，最終使學生的綜合素質得以提高。 2主要研究的問題 (1) 設計了兩足步行機器人的硬件電路 選用高性能、低功耗的 8 位AVR微處理器，指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅動能力更強，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機。 (2) 選擇設計了兩足步行機器人的控制軟件系統(tǒng) 在操作系統(tǒng)下設計了應用程序，實現(xiàn)了兩足機器人控制系統(tǒng)的各項功能，搭建了完整的兩足機器人控制系統(tǒng)軟件框架 (3) 搭建了17自由度機器人雙腿的運動模式 靜態(tài)步行模式分為10個靜態(tài)姿勢及其切換順序如圖2所示。 圖2 兩足機器人行走步行模式 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