0125-兩足行走機器人-行走結(jié)構(gòu)部分設(shè)計

0125-兩足行走機器人-行走結(jié)構(gòu)部分設(shè)計,行走,機器人,結(jié)構(gòu),部分,部份,設(shè)計 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 學(xué) 生 姓 名： 許峰 學(xué) 號： 05010245 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 —行走部分的設(shè)計 指 導(dǎo) 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(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計（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。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（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（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(xiàn)資料，每人撰寫 2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 摘要 本文共分6個部分，詳細(xì)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(yīng)用前景。國內(nèi)外兩足步行機器人研究的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。 關(guān)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(xué)專家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說過：“機器人應(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大機器人的應(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(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(wù)。(3)兩足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動力學(xué)特性，在這一方面的研究可以拓寬力學(xué)及機器人學(xué)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(yīng)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(yīng)性。這種機器人除結(jié)構(gòu)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(shù)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(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。 目前，兩足步行機器人的應(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[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(jì)30年代到50年代，蘇聯(lián)的Bernstein從生物動力學(xué)的角度也對人類和動物的步行機理進(jìn)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(jì)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(lǐng)域所取得的最重要進(jìn)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(chǎn)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(xué)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(nèi)在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實質(zhì)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(shè)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(xué)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(yīng)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(gòu)的特點，并建立了從運動副組合到關(guān)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(yīng)的姿態(tài)控制算法；對類人型兩足步行系統(tǒng)進(jìn)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(shè)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(chǎn)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(yīng)于兩足而且也適應(yīng)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(yīng)放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來考慮，而是應(yīng)該象登山運動員那樣走一步看一步，通過某一優(yōu)化準(zhǔn)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(jìn)運動解釋為使振子直立移動的問題。此外，從減小控制的復(fù)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(jìn)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(zhǔn)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(xué)模型和性能最優(yōu)準(zhǔn)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(chǔ)得出了一個優(yōu)化結(jié)果。 前面我們曾指出．Vukobratovic也對類人型兩足步行系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析 ，但他僅限于導(dǎo)出各關(guān)節(jié)及整個步行系統(tǒng)的功率隨時間的變化關(guān)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(jié)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(dāng)時的驅(qū)動和伺服控制技術(shù)顯然還不足以使Hardiman進(jìn)入實用化階段。 1986年至1971年間，牛津大學(xué)的Witt等人曾制造和完善了一個兩足步行機器人。當(dāng)時他們的主要目的是為癱瘓者和下肢殘疾者設(shè)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(xué)的加藤一郎教授及其合作者設(shè)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(qū)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(zhǔn)動態(tài)步行。特別值得一提的是，這些科學(xué)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(dá)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(xué)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(dāng)?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(cè)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(cè)行，也能前進(jìn)、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(xué)院的Funabashi等人設(shè)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(gòu)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(xué)家和技術(shù)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(diào)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(guān)節(jié)驅(qū)動器，而有的則是研究軌跡產(chǎn)生算法或試將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(xué)家做出了突出的貢獻(xiàn)。 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(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。 1985年，美國的Hodgins和Raibert等人研制了一個用來進(jìn)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(jìn)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(dá)4.3米／秒。1988年和1990年，他們又用這個機器人進(jìn)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(xué)內(nèi)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(xué)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(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(jìn)、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(xiàn)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(yīng)進(jìn)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(jìn)行了成功的實驗 。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)動原理進(jìn)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。 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[14]。 我國從80年代中期才開始研究兩足步行機器人，當(dāng)時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(jìn)，左、右側(cè)行以及上、下樓梯的運動，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l2自由度的兩足步行機器人，并正在進(jìn)行動態(tài)步行的實驗。 國防科技大學(xué)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(jìn)、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(guān)節(jié)采用直流伺服電機經(jīng)諧波減速驅(qū)動，系統(tǒng)采用局部關(guān)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(jìn)行步態(tài)協(xié)調(diào)控制．在1989年，KDW —2機器人實現(xiàn)了前進(jìn)、后退、上下臺階的靜態(tài)穩(wěn)定步行以及左、右的準(zhǔn)動態(tài)步行。1990年國防科技大學(xué)在KDW —2的平臺上安裝了兩個垂直關(guān)節(jié)，進(jìn)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(zhuǎn)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(xué)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(shù)。 我們南京航空學(xué)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?？傆^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(dá)到了相當(dāng)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(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)動態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定步行的研究階段。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(dá)到今天的水平，已經(jīng)是相當(dāng)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(yīng)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)。 6 結(jié)束語 本文較詳細(xì)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(jìn)入實用化階段，在各行各業(yè)中發(fā)揮重要作用。 參考文獻(xiàn) [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(shè)計[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社,1997.  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—行走結(jié)構(gòu)部分，能夠?qū)崿F(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(yīng)性。 主要設(shè)計難點是機器人跨步時自動轉(zhuǎn)移重心而保持平衡的問題。 對于平衡穩(wěn)定，初步設(shè)想采用的方法是，在設(shè)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(gòu)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(nèi)。但在實際設(shè)計中，這兩種方法都受到結(jié)構(gòu)的限制，因此，還必需進(jìn)一步研究探索其平衡方法。  畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 指導(dǎo)教師意見： 1．對“文獻(xiàn)綜述”的評語： 該生的文獻(xiàn)綜述結(jié)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(jìn)行了較深入地學(xué)習(xí)。 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(yù)測： 本課題要做什么步驟敘述很清楚，設(shè)計思路正確，工作量合理，預(yù)計該生能順利并很好地完成該課題。 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日