两足行走机器人 头部、臂部控制部分设计开题报告

两足行走机器人 头部、臂部控制部分开题 毕业设计(论文)开题报告 学 生 姓 名: 学 号: 专 业: 机械工程及自动化 设计(论文)题目: 两足行走机器人 —头部、臂部控制部分设计 指 导 教 师: 开题报告填写要求 1(开题报告(含“文献综述”)作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效; 2(开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见; 3(“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写(或打印)在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇科技论文的信息量，一般一本参考书最多相当于三篇科技论文的信息量(不包括辞典、手册); 4(有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。 毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告 1(结合毕业设计(论文)课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000字左右的文献综述: 文 献 综 述 摘要 两足步行机器人以其自动化程度最高，动态系统最为复杂，以及丰富的动力学特性而成为机器人领域理论研究的热点。两足步行机器人类似人类行走，灵巧轻便，对行走环境有良好的适应性，既能在平地上行走，也能在非结构性的复杂地面行走，因而使得步行机器人的应用范围大大拓宽，受到国内外学者的广泛关注，在理论和实践方面做出了卓有成效的研究，开发了多种结构的步行机器人。本文详细介绍了研究两足步行机器人的组成，机器人的原因，两足步行机器人的应用前景。国内外两足步行机器人的现状及发展趋势。 关键词 机构 稳定性 自由度 1 机器人的硬体组成 机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。 执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副(转动副或移动副)常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、 [1]臂部、腕部、手部(夹持器或末端执行器)和行走部(对于移动机器人)等。 检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类:一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号 [2，3]送至控制器，形成闭环控制。另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉 等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。 控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散(级)式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息;作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力(力矩)控制。 两足步行机器人的机构是所有部件的载体，也是设计两足步行机器人最基本的和首要的工作。它必须能够实现机器人的前后左右以及爬斜坡和上楼梯等的基本功能，因此自由度的配置必须合理:首先分析一下步行机器人的运动过程(前向)和行走步骤:重心右移(先右腿支撑)、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。从机器人步行过程可以看出:机器人向前迈步时，髓关节与踝关节必须各自配置有一个俯仰自由度以配合实现支撑腿和上躯体的移动;要实现重心转移，髋关节和踝关节的偏转自由度是必不可少的;机器人要达到目标位置，有时必须进行转弯，所以需要有髋关节上的转体自由度。另外膝关节处配置一个俯仰自由度能够调整摆动腿的着地高度，使上下台阶成为可能，还能实现不同的步态。这样最终决定髋关节配置3个自由度，包括转体(roll)、俯仰(pitch)和偏转(yaw)自由度，膝关节配置一个俯仰自由度，踝关节配置有俯仰和偏转两个自由度。这样，每条腿配置6个自由度，两条腿共12个自由度。髋关节、膝关节和踝关节的俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在纵向平面(前进方向)内的直线行走功能;髋关节的转体自由度可实现机器人的转弯功能;髋关节和踝关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内 [4,6]的重心转移功能。 2 研究两足步行机器人的原因 世界著名机器人学专家，日本早稻田大学的加藤一郎教授说过:“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能”。步行功能的具备为扩大机器人的应用领域开辟了无限广阔的前景研究两足步行机器人的原因，概括起来有如下4个:(1)我们希望研制出两足步行机构，使它们能在许多结构性和非结构性环境中行走，以代替人进行作业或延伸和扩 大凡类的活动领域。(2)我们希望更多地了解和掌握人类的步行特性，并利用这些特性为人类服务。(3)两足步行系统具有非常丰富的动力学特性，在这一方面的研究可以拓宽力学及机器人学的研究方向。(4)两足步行机器人可以作为一种智能机器人在人工智能中发 [13]挥重要的作用。 3 两足步行机器人应用前景 实用的两足步行机器人由两条腿和一个平台(腰部)组成。腿的作用是为平台提供移动能力，而平台的作用则是提供一个基础，以便安装机械手、CCD摄像机、机载计算机 [9]控制系统和蓄电池。显然，这种带机械手的两足步行机器人能非常灵活地从事较多的工作。但是，对于这种两足步行机器人来说，平台的稳定性对于有效地控制机械手末端操作器的位置和姿态是至关重要的，而两条腿的步态又对平台的稳定性起决定作用。因此，如何规划好腿的步态，协调地控制两条腿的运动以保持平台及整个两足步行机器人的稳定就成为一个主要问题。 目前，两足步行机器人的应用领域主要是康复医学。从长远来看，两足步行机器人在无人工厂、核电站、海底开发、宇宙探索、康复医学以及教育、艺术和大众服务行业等领域都有着潜在而广阔的应用前景。 4 两足步行机器人研究的现状 4.1 国外的有关情况 1985年，美国的Hodgins和Raibert等人研制了一个用来进行奔跑运动和表演体操动作的平面型两足步行机器人，这个机器人有3个自由度。1986年，他们用这个机器人进行奔跑实验，着重研究奔跑过程中出现的弹射飞行状态。在实验中，这个机器人的最大速度高达4.3米/秒。1988年和1990年，他们又用这个机器人进行翻筋斗动作实验。Hodgins和Raibert研究这两种运动是因为它们含有丰富的动力学内容，尤其是两者都具 [7]有弹射飞行状态。 在美国研究两足步行机器人的科学家中，郑元芳博士是一个非常杰出的人物。他在80年代初由中国去了美国，于1984年在俄亥俄州立大学获博士学位，然后一直在克莱姆森大学工作，最近又回到俄亥俄州立大学任职。在克莱姆森大学期间，他主持研制了两 [10]台步行机器人，分别命名为SD1和SD2。SDl具有4个自由度，SD2则有8个自由度。其中， SD2是美国第一台真正拟人的两足步行机器人。1986年，SD2机器人成功地实现了平地上前进、后退以及左、右侧行。1987年，这个机器人又成功地实现了动态步行。郑元芳博士也因他在机器人领域的突出贡献而获得美国1987年度“总统青年研究员”奖 。 1984年，郑元芳博士对两足步行机器人与环境接触时的碰撞效应进行了研究。1987年，他提出了一种用于两足步行机器人运动控制的监控系统。1989年，他研究了两足步行机器人的扰动抑制问题。1990年他首次提出了使两足步行机器人能走斜坡的控制，利用SD2机器人进行了成功的实验。此外，郑元芳博士还从神经生理学的角度对人类肌肉的多级传感与多级驱动原理进行了研究，提出了采用这种原理设计两足步行机器 [12]人的方法。 4.2 国内的研究情况 我国从80年代中期才开始研究两足步行机器人，当时主要的研究单位是哈尔滨工业大学和国防科技大学。 哈尔滨工业大学研制成功的第一台两足步行机器人重7Okg，高l10cm，有10个自由度，采用直流电机经谐波减速驱动，控制系统由一台IBM—PC,XT计算机和l0个MCS 51单片机系统组成。1989年l0月，这个机器人实现了平地上的前进，左、右侧行以及上、 [14]下楼梯的运动，步幅可达45cm，步速为l0秒,步，为静态步行。 最近哈尔滨工业大学又研制了一台l2自由度的两足步行机器人，并正在进行动态步行的实验。 我们南京航空学院从1989年秋天起也开展了一个两足步行机器人的研究计划，现在 [15]已研制出一台8自由度空间运动型的两足步行机器人，命名为NAIWR—1。目前，这一计划正在实施中。总观起来，两足步行机器人研究的现状是:国外，主要是日本和美国，对两足步行机器人的研究已经达到了相当高的水平，研制出了能静态或动态行走的多种样机。国内由于起步较晚，刚完成静态稳定步行的研究，目前，正处于准动态和动态稳 [8]定步行的研究阶段。虽然国内的研究水平还不像国外那样高，但在短短的五六年时间能达到今天的水平，已经是相当惊人的了～ 5 两足步行机器人研究的发展趋势 概括起来，两足步行机器人的发展趋势包括如下l0个方面:(1)能动态稳定地高速步行。(2)能以自由步态全方位灵活行走。(3)具有良好的地形适应性。(4)具有极强的 越障和回避能力。(5)具有很高的载重,自重比。(6)可靠性高、工作寿命长。(7)具有丰富的内感知和外感知系统。(8)控制系统和能源装置机载化。(9)具有完全的自律能力。 [11](10)具有灵活的操作能力(安装一个或多个机械手)。 6 结束语 本文较详细地介绍了国内外两足步行机器人研究的主要情况。我们相信，随着整个机器人技术及相关技术的发展，在不久的将来，两足步行机器人一定能够真正进入实用化阶段，在各行各业中发挥重要作用。 参考文献 [1] 包志军，马培荪(从两足机器人到仿人形机器人的研究[J](机器人，1999， 7(4):312?320( [2] 宣孝英(并联机器人运动规划[D](武汉:华中理工大学，1999. 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