0125-兩足行走機(jī)器人-行走結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)

0125-兩足行走機(jī)器人-行走結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì),行走,機(jī)器人,結(jié)構(gòu),部分,部份,設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 I 頁 共 I 頁 目 錄 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù) 1 1.3 兩足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究概況 2 1.4 本課題的主要工作 7 2 雙足機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 8 2.1 引言 8 2.2 兩足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析 8 2.3 機(jī)器人設(shè)計(jì)思路 9 2.4 機(jī)器人設(shè)計(jì)方案 10 2.5 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 12 3 雙足機(jī)器人的具體制作 13 3.1 雙足機(jī)器人的材料選擇 13 3.2 雙足機(jī)器人的零件加工 13 3.3 兩足機(jī)器人的組裝 16 3.4 兩足機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù) 19 3.5 兩足機(jī)器人總體尺寸 19 3.6 舵機(jī)具體參數(shù) 19 4 課題總結(jié) 20 結(jié)束語 21 致謝 22 參考文獻(xiàn) 23 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 25 頁 共 23 頁 1 緒論 1.1 引言 目前，機(jī)器人已形成一個(gè)不同技術(shù)層次、應(yīng)用于多種環(huán)境的“龐大”家族，從天上到地下，從陸地到海洋到處都可以看到機(jī)器人的身影。世界著名機(jī)器人專家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授曾經(jīng)指出“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大的特征之一是步行功能”。步行機(jī)器人的研究涉及到多門學(xué)科的交叉融合，如仿生學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、控制理論與工程學(xué)、電子工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)及傳感器信息融合等。仿人形機(jī)器人正成為機(jī)器人研究中的一個(gè)熱點(diǎn)，其研究水平，在一定程度上代表了一個(gè)國(guó)家的高科技發(fā)展水平和綜合實(shí)力。研究仿人形雙足步行機(jī)器人，除了具有重要的學(xué)術(shù)意義，還有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。 1.2 機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù) 1.2.1 機(jī)器人的發(fā)展 20世紀(jì)40年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn)，關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的研究開始出現(xiàn)。60年代美國(guó)的Consolidated Control公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人樣機(jī)，并成立了Unimation公司，定型生產(chǎn)了Unimate機(jī)器人。20世紀(jì)70年代以來，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機(jī)器人技術(shù)逐漸發(fā)展為專門學(xué)科。1970年，第一次國(guó)際機(jī)器人會(huì)議在美國(guó)舉行。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機(jī)器人已進(jìn)入了實(shí)用化階段。 目前，盡管關(guān)于機(jī)器人的定義還未統(tǒng)一，但一般認(rèn)為機(jī)器人的發(fā)展按照從低級(jí)到高級(jí)經(jīng)歷了三代。第一代機(jī)器人，主要指只能以“示教-再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人，其只能依靠人們給定的程序，重復(fù)進(jìn)行各種操作。目前的各類工業(yè)機(jī)器人大都屬于第一代機(jī)器人。第二代機(jī)器人是具有一定傳感器反饋功能的機(jī)器人，其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信息，通過計(jì)算機(jī)處理、分析，機(jī)器人按照己編好的程序做出一定推理，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級(jí)的智能。當(dāng)前，對(duì)第二代機(jī)器人的研究著重于實(shí)際應(yīng)用與普及推廣上。第三代機(jī)器人是指具有環(huán)境感知能力，并能做出自主決策的自治機(jī)器人。它具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中可獨(dú)立行動(dòng)。第三代機(jī)器人又稱為智能機(jī)器人，并己成為機(jī)器人學(xué)科的研究重點(diǎn)，但目前還處于實(shí)驗(yàn)室探索階段[1]。 機(jī)器人技術(shù)己成為當(dāng)前科技研究和應(yīng)用的焦點(diǎn)與重心，并逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防建設(shè)等方面發(fā)揮巨大作用?？梢灶A(yù)見到，機(jī)器人將在21世紀(jì)人類社會(huì)生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色。 1.2.2 機(jī)器人技術(shù) 機(jī)器人學(xué)是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學(xué)科，該學(xué)科涉及領(lǐng)域廣泛，集中了機(jī)械工程、電氣與電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程、生物科學(xué)以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一體化的最新成就[2]。機(jī)器人充分體現(xiàn)了人和機(jī)器的各自特長(zhǎng)，它比傳統(tǒng)機(jī)器具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用范圍。機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會(huì)進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。目前，機(jī)器人及其自動(dòng)化成套裝備己成為國(guó)內(nèi)外備受重視的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，與此同時(shí)它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務(wù)、娛樂等各個(gè)領(lǐng)域滲透。 目前，雖然機(jī)器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發(fā)展。隨著各學(xué)科的發(fā)展和社會(huì)需要的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)出現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢(shì)，如網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)、虛擬機(jī)器人技術(shù)、協(xié)作機(jī)器人技術(shù)、微型機(jī)器人技術(shù)和雙足步行機(jī)器人技術(shù)等。人們普遍認(rèn)為，機(jī)器人技術(shù)將成為緊隨計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后的又一次重大的技術(shù)革命，它很可能將世界推向科學(xué)技術(shù)的新時(shí)代[3]。 1.3 兩足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究概況 1.3.1 雙足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn) 首先，雙足步行的移動(dòng)方式在地面不平整或其它惡劣條件下(如充滿障礙物)比其他方式要靈活得多，具有更好的機(jī)動(dòng)性。研究仿人形雙足步行機(jī)器人，以代替人類在核電站、太空、海底及其它危害人類身心健康的復(fù)雜極端環(huán)境中工作，將大大拓展人類的活動(dòng)空間。 其次，雙足步行機(jī)器人的步行系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)在的不穩(wěn)定系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)特性非常復(fù)雜，具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性和變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。因此，它是控制理論和控制工程領(lǐng)域的一個(gè)極好的研究對(duì)象，開展雙足步行技術(shù)的研究，必然推動(dòng)控制理論的發(fā)展和控制技術(shù)的進(jìn)步。 再次，步行是人類的一種基本活動(dòng)能力，但有相當(dāng)數(shù)量的人因?yàn)榧膊』蛞馔馐鹿适チ诉@種能力，雙足步行技術(shù)的發(fā)展會(huì)促進(jìn)動(dòng)力型假肢的研制，將有可能解決截癱病人和小兒麻痹癥患者的行走問題，為康復(fù)醫(yī)學(xué)做出貢獻(xiàn)。對(duì)機(jī)器人雙足動(dòng)態(tài)行走機(jī)理的深入研究也使我們更深刻地理解人類活動(dòng)的內(nèi)在本質(zhì)，有助于生物醫(yī)學(xué)工程和體育運(yùn)動(dòng)科學(xué)的發(fā)展。 1.3.2 雙足機(jī)器人的步態(tài)特點(diǎn)及研究意義 步態(tài)規(guī)劃是雙足機(jī)器人失衡檢測(cè)與控制的基礎(chǔ)及預(yù)備性工作，也是雙足步行機(jī)器人的一項(xiàng)重要內(nèi)容。所謂的步態(tài)，是指在步行過程中，步行本體的身體各部位在時(shí)序和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系；步態(tài)規(guī)劃就是給出機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置與時(shí)間的關(guān)系，是雙足步行機(jī)器人研制中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也是難點(diǎn)之一。步態(tài)規(guī)劃的好壞將直接影響到雙足步行機(jī)器人的行走穩(wěn)定性、美觀性以及各關(guān)節(jié)所需驅(qū)動(dòng)力矩的大小等多個(gè)方面，已經(jīng)成為雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；谏鲜鲈颍菊n題擬進(jìn)行雙足機(jī)器人步行穩(wěn)定性研究，研制具有高度穩(wěn)定性的雙足步行機(jī)器人平臺(tái)，為進(jìn)一步的行走機(jī)器人失衡檢測(cè)及控制技術(shù)研制奠定基礎(chǔ)。 1.3.3 國(guó)外研究概況 雙足機(jī)器人的研制開始于上世紀(jì)60年代末，雖然只有四十多年的歷史。然而，兩足機(jī)器人的研究工作進(jìn)展迅速，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者正從事于這一領(lǐng)域的研究，如今已成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。 步行的穩(wěn)定性是兩足機(jī)器人的難點(diǎn)和關(guān)鍵，南斯拉夫?qū)W者M(jìn)emoirVakobrativitch于1969年提出的ZMP(Zero Moment Point)理論較好地解決了動(dòng)態(tài)步行穩(wěn)定性判斷問題。ZMP點(diǎn)，即零力矩點(diǎn)，是雙足機(jī)器人所受重力、慣性力及地面反力三者合力矢的延長(zhǎng)線與地面的交點(diǎn)。雙足機(jī)器人一只腳著地時(shí)，ZMP點(diǎn)必須落在腳掌的范圍內(nèi)；雙腳著地時(shí)，則位于兩只腳掌形成的凸多邊形內(nèi)。在ZMP點(diǎn)，機(jī)器人所受的側(cè)向力和力矩都為零。 1971年，英國(guó)人I·Kato試制了“Wap3”，最大步幅15mm，周期45s。1971年至1986年間，英國(guó)牛津大學(xué)的Wit等人制造并完善了一個(gè)兩足步行機(jī)器人，該機(jī)器人能在平地上行走良好，步速達(dá)到0.23m/s[4]。 加拿大的Tad·McGee主要研究被動(dòng)式兩足機(jī)器人，即在無任何外界輸入的情況下，靠重力和慣性力實(shí)現(xiàn)步行運(yùn)動(dòng)。1989年，他建立了平面型的兩足步行機(jī)構(gòu)，兩腿為直桿機(jī)構(gòu)，沒有膝關(guān)節(jié)，每條腿各由一個(gè)小電機(jī)來控制腿的伸縮，無任何主動(dòng)控制和能量供給，具有簡(jiǎn)單二級(jí)針擺特征，放在斜坡上，可依靠重力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步行。 法國(guó)BIP2000計(jì)劃是由法國(guó)de mecanique des Soloders de Poiters實(shí)驗(yàn)室和INRIA機(jī)構(gòu)合作的一個(gè)項(xiàng)目。其目的是建立一套可以適應(yīng)未知條件行走的兩足機(jī)器人系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有15個(gè)自由度的雙足步行機(jī)器人(只有軀干和腿)。 現(xiàn)代機(jī)器人發(fā)展最迅速的是有“機(jī)器人王國(guó)”之稱的日本。其中最具有代表性的研究機(jī)構(gòu)有:加藤實(shí)驗(yàn)室、日本早稻田大學(xué)、日本東京大學(xué)、日本東京理工學(xué)院、日本機(jī)械學(xué)院、松下電工、本田公司和索尼公司等。 日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授于1968年率先展開了雙足步行機(jī)器人的研制工作，并先后研制出WAP系列樣機(jī)。1969年研制出WAP-1平面自由度步行機(jī)器人，該機(jī)器人具有六個(gè)自由度，每條腿有髖、膝、踝三個(gè)關(guān)節(jié)；關(guān)節(jié)處使用人造橡膠肌肉，通過充氣、排氣引起肌肉收縮，肌肉的收縮牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)步行。1971年，研制出WAP-3型雙足機(jī)器人，仍采用人工肌肉，具有11個(gè)自由度，能在平地、斜坡和階梯上行走；該機(jī)器人重13Okg，高0.9m，實(shí)現(xiàn)步幅15cm，每步45s的靜步行；同年又研制出WL-5雙足步行機(jī)器人，該機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有11個(gè)自由度，下肢作三維運(yùn)動(dòng)，上軀體左右擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人重心的左右移動(dòng)。1973年，在WAP-5的基礎(chǔ)上配置機(jī)械手及人工視覺、聽覺等裝置組成自主式機(jī)器人WAROT-1。 1980年，推出WL-9DR雙足機(jī)器人，該機(jī)器人采用預(yù)先設(shè)計(jì)步行方式的程序控制方法，通過對(duì)步行運(yùn)動(dòng)的分析及重復(fù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步態(tài)軌跡，用設(shè)計(jì)出的步態(tài)控制機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)，該機(jī)器人采用了以單腳支撐期為靜態(tài)，雙腳切換期為動(dòng)態(tài)的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行方案，實(shí)現(xiàn)了步幅45cm，每步9s的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行。1984年，研制出采用踝關(guān)節(jié)力矩控制的WL-10DR雙足機(jī)器人，增加了踝關(guān)節(jié)力矩控制，將一個(gè)步行周期分為單腳支撐期和轉(zhuǎn)換期。1986年，又成功研制了 WL-12(R)雙足機(jī)器人，該機(jī)器人通過軀體運(yùn)動(dòng)來補(bǔ)償下肢的任意運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了步行周期1.3s，步幅30cm的平地動(dòng)態(tài)步行。 日本東京大學(xué)的Jouhou System Kougaka實(shí)驗(yàn)室研制了H5、H6型仿人型雙足步行機(jī)器人。該機(jī)器人總共有30個(gè)自由度，其中在H5型的步態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)中充分考慮了動(dòng)態(tài)平衡條件，采用遺傳算法來實(shí)現(xiàn)上體的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)以補(bǔ)償ZMP軌跡的跟蹤，上體運(yùn)動(dòng)的軌跡用三次樣條插值來實(shí)現(xiàn)。在H5雙足機(jī)器人的頭部安裝有兩個(gè)CCD彩色攝像頭，可以定位前面的物體并能夠在CCD的協(xié)助下用7自由度的手來抓取的目的。 日本機(jī)械學(xué)院的S·Kajita等針對(duì)一臺(tái)具有4臺(tái)前向驅(qū)動(dòng)電機(jī)且全部安裝在機(jī)器人的上體的五連桿平面型雙足步行機(jī)器人Meltran Ⅰ，研究其動(dòng)態(tài)行走的控制方法。他根據(jù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)質(zhì)量幾乎完全集中在上體的事實(shí)，為使雙足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、周期性的動(dòng)態(tài)行走，對(duì)機(jī)器人上體采用了約束控制方法，提出了一種理想的線性倒立擺模型。同時(shí)又提出了機(jī)構(gòu)軌道能量守恒的概念，來求解各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡及輸入力矩，實(shí)現(xiàn)了在已知不平整地面上的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)步行。1996年他們又在此樣機(jī)的基礎(chǔ)上加載了超聲波視覺傳感器以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)提供地面信息的功能。將視覺傳感器系統(tǒng)與針對(duì)線性倒立擺所提出的控制模式相結(jié)合構(gòu)成自適應(yīng)步態(tài)控制系統(tǒng)，使MeltranⅡ成功地實(shí)現(xiàn)了在未知路面上的動(dòng)態(tài)行走。 代表雙足步行機(jī)器人和擬人機(jī)器人研究最高水平的是本田公司和索尼公司。他們代表了當(dāng)今兩足步行機(jī)器人和擬人型機(jī)器人發(fā)展的最高水平。本田公司從1986年至今己經(jīng)推出了P系列1，2，3型機(jī)器人。并且于2000年11月20日，推出了新型雙足步行機(jī)器人“ASIMO(Advanced Step in Innovative Mobility)”，“ASIMO”和“P3”相比，實(shí)現(xiàn)了小型輕量化，使其更容易適應(yīng)人類的生活空間，通過提高雙腳步行技術(shù) 使其更接近人類的步行方式。雙腳步行技術(shù)方面采用了新開發(fā)“I-WALK(Intelligent Real-time Flexible Walk)”。I-WALK是在過去的步行技術(shù)的基礎(chǔ)上組合了新的“預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)控制功能”，它可以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)以后的動(dòng)作，并且據(jù)此事先移動(dòng)重心來改變步調(diào)。過去由于不能進(jìn)行預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)控制，當(dāng)從直行改為轉(zhuǎn)彎時(shí)，必須先停止直行動(dòng)作后才可以轉(zhuǎn)彎。 索尼公司于2000年11月21日在四足娛樂機(jī)器人AIBO的基礎(chǔ)上推出了人形娛樂型機(jī)器人SDR-3X(Sony Dream Robot-3X)。SDR-3X：頭部2個(gè)自由度、軀干2個(gè)自由度、手臂4 × 2個(gè)自由度、下肢和足部6 × 2個(gè)自由度，共計(jì)24個(gè)自由度。2002年又推出SDR-4X，采用64位RISC處理器，64MBDRAM，共有38個(gè)自由度(頭部4個(gè)，身體2個(gè)，胳膊 5×2=10個(gè)，腿部6×2=12個(gè)，獨(dú)立的5個(gè)手指5× 2=10個(gè))。2003年12月18日，索尼公司通過對(duì)控制系統(tǒng)和ISA(Intelligent Servo Actuator)的改進(jìn)、增加輸出力矩等方法，使QRIO在世界上第一次實(shí)現(xiàn)了兩足步行機(jī)器人的跑動(dòng)，QRIO可以在跑步時(shí)滯空6ms，雙腳跳躍時(shí)滯空 10ms。 2005年1月12日，由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的比留川博等人開發(fā)出一臺(tái)取名“HRP-2”雙足擬人機(jī)器人亮相東京。該機(jī)器人身高154cm，體重58kg。研究人員先請(qǐng)民間藝術(shù)家跳舞，用特殊攝像機(jī)拍攝后將畫面輸入電腦，并對(duì)手、腳、頭、腰等32個(gè)部位的動(dòng)作進(jìn)行解析，然后把有關(guān)解析數(shù)據(jù)輸入給機(jī)器人，最后利用這些數(shù)據(jù)來控制機(jī)器人手的動(dòng)作和腳步等，使“HRP-2”可以和人一樣動(dòng)作連貫，翩翩起舞。 1.3.4 國(guó)內(nèi)研究概況 國(guó)內(nèi)雙足步行機(jī)器人的研制工作起步較晚，我國(guó)是從20世紀(jì)80年代開始雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國(guó)開展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃，1987年，我國(guó)的“863”高技術(shù)計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究開發(fā)列入其中。目前我國(guó)從事機(jī)器人研究與應(yīng)用開發(fā)的單位主要是高校和有關(guān)科研院所等。最初我國(guó)進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國(guó)際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，隨后取得了一定的成就。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1986年開始研究雙足步行機(jī)器人[ 5～9 ]，先研制成功靜態(tài)步行雙足機(jī)器人HIT-Ⅰ，高110cm，重70kg，有10個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)平地上的前進(jìn)、左右側(cè)行以及上下樓梯的運(yùn)動(dòng)，步幅45cm，步速為10秒每步，后來又相繼研制成功了HIT-Ⅱ和HIT-Ⅲ，重42kg，高103cm，有12個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了步長(zhǎng)24cm，步速2.3秒每步的步行。目前正在研制的HIT-Ⅳ機(jī)器人，全身可有52個(gè)自由度，其在運(yùn)動(dòng)速度和平衡性方面都優(yōu)于前三型行走機(jī)器人。 國(guó)防科技大學(xué)在1988年春成功地研制了一臺(tái)平面型6自由度的雙足機(jī)器人KDW-Ⅰ[10～11]，它能前進(jìn)、后退和上下樓梯，最大步幅為40cm，步速為4s每步，1989年又研制出空間型KDW-Ⅱ，有10個(gè)自由度，高69cm，重13kg，實(shí)現(xiàn)進(jìn)退、上下臺(tái)階的靜態(tài)穩(wěn)定步行以及左右的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行。1990年在KDW-Ⅱ的平臺(tái)上增加兩個(gè)垂直關(guān)節(jié)，發(fā)展成KDW-Ⅲ，有12個(gè)自由度，具備了轉(zhuǎn)彎功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的全方位行走。1995年實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)行走，步速0.8s每步，步長(zhǎng)為20cm～22cm，最大斜坡角度達(dá)13度。2000年底在KDW-Ⅲ的基礎(chǔ)上研制成功我國(guó)首臺(tái)仿人形機(jī)器人“先行者”，動(dòng)態(tài)步行，可在小偏差、不確定的環(huán)境行走，周期達(dá)每秒兩步，高1.4m，重20kg，有頭、眼、脖、身軀、雙臂、雙足，且具備一定的語言功能。 上海交通大學(xué)于1999年研制的仿人形機(jī)器人SFHR，腿部和手臂分別有12和10個(gè)自由度，身體上有2個(gè)自由度。共有24個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了周期3.8s，步長(zhǎng)10cm的步行運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人本體上裝有2個(gè)單軸陀螺和一個(gè)三軸傾斜計(jì)，用于檢測(cè)機(jī)器人的姿態(tài)信息，并配備了富士通公司的主動(dòng)視覺系統(tǒng)，是研究通用機(jī)器人學(xué)、多傳感器集成以及控制算法良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 北京理工大學(xué)在歸國(guó)博士黃強(qiáng)教授的帶領(lǐng)下，高起點(diǎn)地進(jìn)行仿人形機(jī)器人研究，于2002年12月通過驗(yàn)收的仿人形機(jī)器人BHR-1，高 158cm，重76kg，32個(gè)自由度，步幅0.33m，步速每小時(shí)1公里。能夠根據(jù)自身力覺、平衡覺等感知機(jī)器人自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化，實(shí)現(xiàn)未知地面的穩(wěn)定行走和太極拳表演，使中國(guó)成為繼日本之后，第二個(gè)研制出無外接電纜行走，集感知、控制、驅(qū)動(dòng)、電源和機(jī)構(gòu)于一體的高水平仿人形機(jī)器人國(guó)家。 此外，清華大學(xué)正在研制仿人形機(jī)器人THBIP-Ⅰ，高1.7m，重130kg，32個(gè)自由度，在清華大學(xué)985計(jì)劃的支持下，項(xiàng)目也在不斷取得進(jìn)展。南京航空航天大學(xué)曾研制了一臺(tái)8自由度空間型雙足步行機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)步行功能[12～13]。 1.4 本課題的主要工作 本課題源于“第一屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中兩足行走機(jī)器人。目前，機(jī)器人大多以輪子的形式實(shí)現(xiàn)行走功能階段。真正模仿人類用腿走路的機(jī)器人還不多，雖有一些六足、四足機(jī)器人涌現(xiàn)，但是兩足機(jī)器人還是鳳毛麟角。在機(jī)器人研究領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先水平的日本，推出了諸如舞蹈機(jī)器人等雙足行走機(jī)器人，但成千上萬的傳感器和復(fù)雜的控制系統(tǒng)使這類機(jī)器人造價(jià)非常昂貴。我們這個(gè)課題，探索設(shè)計(jì)僅靠巧妙的機(jī)械裝置和簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)模擬人類行走的機(jī)器人。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。 2 雙足機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 2.1 引言 兩足步行機(jī)器人是研究?jī)勺悴叫械膶?shí)驗(yàn)對(duì)象，不同的兩足步行機(jī)器人在自由度、驅(qū)動(dòng)方式、重量、高度、結(jié)構(gòu)特征等方面都存在很大的差異。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不同，其控制方式也有所區(qū)別。為了對(duì)兩足步行機(jī)器人進(jìn)行深入的研究，使其實(shí)現(xiàn)預(yù)定的步行功能，必須對(duì)其機(jī)構(gòu)有深入的了解和認(rèn)識(shí)。 2.2 兩足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析 兩足步行機(jī)器人是對(duì)人類自身的模仿，但是人類總共有上肢52對(duì)，下肢62對(duì)，背部112對(duì)，胸部52對(duì)，腰部8對(duì)，頸部16對(duì)，頭部25對(duì)之多的肌肉。從目前的科學(xué)發(fā)展情況來看，要控制具有400個(gè)雙作用式促進(jìn)器的多變量系統(tǒng)是不可能的[19]，因此，在設(shè)計(jì)步行機(jī)械時(shí)，人們只考慮移動(dòng)的基本功能。例如，只考慮在平地或者具有已知障礙物的情況下的步行。 鄭元芳博士從仿生學(xué)的角度對(duì)類人機(jī)器人的腿部自由度配置進(jìn)行了深入的研究，得出關(guān)節(jié)扭矩最小條件下兩足步行機(jī)器人的自由度配置。他認(rèn)為髖部和踝部設(shè)兩個(gè)自由度，可使機(jī)器人在不平地面上站立，髖部再加一個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度，可改變行走方向，踝關(guān)節(jié)處加一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地，這樣機(jī)器人的腿部需要有7×2個(gè)自由度(髖關(guān)節(jié)3個(gè)，膝關(guān)節(jié)1個(gè)，踝關(guān)節(jié)3個(gè)[10])。 但是，無論現(xiàn)在的兩足步行機(jī)器人還是擬人機(jī)器人都還只能在規(guī)則路面上行走，所以各研究機(jī)構(gòu)都選擇了6×2個(gè)自由度(髖關(guān)節(jié)3個(gè)，膝關(guān)節(jié)1個(gè)，踝關(guān)節(jié)2個(gè))，如：哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HIT-Ⅲ、國(guó)防科技大的“先行者”。 2.3 機(jī)器人設(shè)計(jì)思路 由于這個(gè)課題是本校的第一次出現(xiàn)，沒有可以借鑒的資料，所以我們這個(gè)小組通過各種途徑了解各種兩足機(jī)器人，通過模仿其他設(shè)計(jì)成功的機(jī)器人為設(shè)計(jì)主要思路，來設(shè)計(jì)我們的兩足步行機(jī)器人，如圖2.1，是我們這次設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。 圖2.1 兩足機(jī)器人的雛形 2.4 機(jī)器人設(shè)計(jì)方案 由于我們要求設(shè)計(jì)的是比較簡(jiǎn)單的兩足機(jī)器人，所以有關(guān)平衡和ZMP等計(jì)算全部省略，我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)候盡量把兩足機(jī)器人整體高度設(shè)計(jì)的盡量的矮一點(diǎn)，兩面設(shè)計(jì)的對(duì)稱，腳設(shè)計(jì)盡量的大一點(diǎn)，以此達(dá)到兩足步行機(jī)器人的平衡。 通過上面所述和查閱相關(guān)兩足機(jī)器人行走的視屏，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)17自由度的雙足步行機(jī)器人模型，如圖2.2所示。顯示的結(jié)構(gòu)特征就是采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。動(dòng)力源采用舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。這樣不但可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)精度高以及大大增加關(guān)節(jié)所能達(dá)到的最大角度，而且驅(qū)動(dòng)源全為干電池，便于集中控制和程序化控制。 圖2.2 雙足步行機(jī)器人模型 圖2.2雙足機(jī)器人，頭部?jī)H一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，它和身體相連接（圖2.3）。肩關(guān)節(jié)、大臂和小臂各一個(gè)自由度（圖2.4，圖2.5），髖關(guān)節(jié)一個(gè)自由度，大腿（圖2.6，圖2.7）2個(gè)自由度，小腿和腳步各一個(gè)自由度。各個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍理論上是180度（由于零件之間互相干涉，關(guān)節(jié)之間活動(dòng)范圍以實(shí)際為準(zhǔn)）。 圖2.3 機(jī)器人頭部和身體 圖2.4 機(jī)器人左手臂圖 圖2.5 機(jī)器人右手臂 圖2.6 機(jī)器人左腿 圖2.7 機(jī)器人左腿 雙足步行機(jī)器人的一個(gè)主要問題就是雙足動(dòng)態(tài)步行的固有不穩(wěn)定性。為了使其穩(wěn)定行走，機(jī)器人本體設(shè)計(jì)和行走步態(tài)規(guī)劃都很重要。在進(jìn)行機(jī)器人本體設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮的問題有關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的限制，主要機(jī)構(gòu)的剛度，擺動(dòng)腿著地時(shí)沖擊載荷對(duì)機(jī)器人本體可能帶來的損壞，桿件間連接，機(jī)體重量、材料以及易于操作維修等等。 2.5 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 由于此次設(shè)計(jì)的兩足步行機(jī)器人只是達(dá)到簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)，而且為了使兩足步行機(jī)器人行走穩(wěn)定，所以對(duì)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度和配合都需要比較精確的控制，所以所有的驅(qū)動(dòng)都是由舵機(jī)來完成如圖2.8。 圖2.8 舵機(jī) 3 雙足機(jī)器人的具體制作 3.1 雙足機(jī)器人的材料選擇 材料的選取要本著重量輕，高剛度的原則。機(jī)器人本體主體材料選用鋁合金(LY12)，這種材料重量輕、硬度高，強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通鋁合金。 3.2 雙足機(jī)器人的零件加工 3.2.1 加工機(jī)器的選擇 （1） 由于選擇的是質(zhì)量輕，高剛度的鋁合金板，厚度只有1mm，所以選擇最佳的加工方法是電火花線切割加工。 （2） 各個(gè)鋁板加工好以后，需要精確折彎，所以選擇折彎?rùn)C(jī)來進(jìn)行折彎。 3.2.2 線切割的相關(guān)介紹 （1）概述 電火花線切割加工（Wire Cut Electrical Discharge Machining ，簡(jiǎn)稱WEDM）是在電火花加工基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)50年代末最早在前蘇聯(lián)發(fā)展起來的一種新的工藝形式，它是利用絲狀電極（鉬絲或銅絲，見圖3.1）靠火花放電對(duì)工件進(jìn)行切割，簡(jiǎn)稱線切割。 圖3.1 鉬絲 （2）加工原理、特點(diǎn)及應(yīng)用 電火花線切割加工的基本原理（如圖3.2）是利用快速移動(dòng)的電極絲，對(duì)工件進(jìn)行脈沖火花放電，腐蝕工件表面，使工件材料局部熔化和氣化，從而達(dá)到切割工件，去除材料的目的。 圖3.2 電火花加工原理圖 電火花線切割加工屬于特種加工。它與傳統(tǒng)的機(jī)械加工相比，有如下優(yōu)點(diǎn)： (a)非接觸式，適合高硬度難切削材料的加工。 (b)十分適合復(fù)雜形孔及外形的加工。 (c)切縫細(xì)，節(jié)省寶貴的金屬材料。 (d)加工的尺寸精度高，表面粗糙度好。 (e)易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。 (f)加工的殘余應(yīng)力較小。 電火花線切割加工也有它的局限性。這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (a）僅限于金屬等導(dǎo)電材料的加工。 (b）加工速度較慢，生產(chǎn)效率較低。 (c）存在電極損耗和二次放電。 (d)最小角部半徑有限制。 （3）線切割機(jī)床簡(jiǎn)介 一臺(tái)普通的線切割機(jī)床的結(jié)構(gòu)組成如圖3.3所示。它總體上由主機(jī)，脈沖電源，數(shù)控系統(tǒng)三部分組成。此外，機(jī)床的主機(jī)部分還附加了工作液循環(huán)系統(tǒng)。主機(jī)由床身、工作臺(tái)、運(yùn)絲機(jī)構(gòu)、絲架和工作液系統(tǒng)等組成，是機(jī)床的主要部分。脈沖電源又稱高頻電源，其作用是把普通的50HZ交流電轉(zhuǎn)換成高頻單向脈沖電壓。數(shù)控系統(tǒng)以電腦為核心，用程序?qū)崿F(xiàn)電極絲放電加工全過程的實(shí)時(shí)控制。 圖3.3 線切割機(jī)床 （4）線切割程序編制 線切割編程涵蓋了切割圖形、切割路徑及切割次數(shù)等工藝信息。線切割程序有著標(biāo)準(zhǔn)的指令格式。常用的有兩種：G指令和3B指令，可根據(jù)實(shí)際需要來選擇。 如今的線切割機(jī)床都帶有自動(dòng)編程功能，即操作者只需將要切割的圖形在機(jī)器繪制出來并存盤，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析并生成加工程序，避免的煩瑣的手工編程，所以兩足機(jī)器人的所有零件都是由線切割機(jī)床自動(dòng)編程[14]。 3.2.3 折彎?rùn)C(jī)的相關(guān)簡(jiǎn)單介紹 圖3.4是折彎?rùn)C(jī)機(jī)床，圖3.5是折彎?rùn)C(jī)刀口。 圖3.4 折彎?rùn)C(jī)機(jī)床 3.5 折彎?rùn)C(jī)刀口 3.3 兩足機(jī)器人的組裝 3.3.1 舵機(jī)和部分配件的組裝 用M3×11的螺栓將配件和舵機(jī)組裝在一起，如圖3.4所示。注意在安裝舵機(jī)時(shí)候，首先將螺栓放入側(cè)面的孔中，然后通過四個(gè)螺栓緊固舵機(jī)。數(shù)據(jù)線從鋁板側(cè)面的方孔穿過，這樣安裝才不損壞數(shù)據(jù)線和舵機(jī)外殼。 圖3.4 舵機(jī)和配件組裝 3.3.2 兩足步行機(jī)器人的兩個(gè)上肢的組裝 兩足機(jī)器人每只上肢由兩個(gè)舵機(jī)組成，具有兩個(gè)自由度。安裝前將舵機(jī)初始的角度設(shè)定在90°，這樣有利于上肢有擺動(dòng)的余地。因此舵機(jī)最大角度是180°。當(dāng)把安裝角度設(shè)定在90°時(shí)，與配件相配合不會(huì)放生干涉，可以順利的完成一些指定動(dòng)作，如圖3.5所示。 圖3.5 機(jī)器人兩上肢 3.3.3 兩足機(jī)器人軀干的組裝 軀干由四個(gè)舵機(jī)組成，具有四個(gè)自由度，控制胳膊前后旋轉(zhuǎn)兩個(gè)，控制大腿左右擺動(dòng)兩個(gè)。安裝前還是將舵機(jī)初始的角度設(shè)定在90°，配件由螺栓固定，為了美觀，螺栓均放在里面，由于受到空間限制，操作比較困難，但是安裝時(shí)候一定要注意每個(gè)螺栓必須緊固牢靠，防止松動(dòng)，如圖3.6。 圖3.6 機(jī)器人軀干 3.3.4 兩足機(jī)器人腿部的組裝 兩足機(jī)器人腿部是最為重要的，所以安裝時(shí)候得更加小心仔細(xì)。每個(gè)下肢由四個(gè)舵機(jī)組成，具有四個(gè)自由度，安裝前舵機(jī)還是將初始角度設(shè)置在90°，另外安裝時(shí)候 注意兩個(gè)腿之間的干涉，如圖3.7。 圖3.7 機(jī)器人左腿 3.3.5 兩足機(jī)器人頭部的安裝 兩足機(jī)器人頭部安裝比較容易，直接將頭部用螺絲緊固在舵機(jī)上就可以了，如圖3.8。 圖3.8 機(jī)器人頭部 如圖3.9，3.10所示，是兩足步行機(jī)器人的總裝圖，是將17臺(tái)舵機(jī)以積木的方式搭成人形的。機(jī)體大部分是由舵機(jī)組成的，各個(gè)舵機(jī)是由一些鋁合金件連接而成[15]。 圖 3.9 機(jī)器人總裝圖 圖 3.10機(jī)器人總裝圖 3.4 兩足機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù) 兩足機(jī)器人所有零部件清單，如表3.1。 表3.1 零部件清單 名稱 型號(hào) 數(shù)量 舵機(jī) 12（N×m） 17 鋁制零件 42 螺栓螺帽 M3×11(mm) 145 3.5兩足機(jī)器人總體尺寸 兩足機(jī)器人的相關(guān)尺寸，如表3.2 表3.2 總體尺寸 名稱 尺寸（高×寬mm） 總體 385×242 手臂 175×50 腿部 185×40 腳 64×20 3.6舵機(jī)具體參數(shù) 舵機(jī)的相關(guān)參數(shù)，如表3.3 表3.3 舵機(jī)參數(shù) 尺寸 重量 速度 扭力 使用電壓 40.8*19.9*37.3mm 56.3g 0.24sec/60度 12公斤/厘米 4.8V～7.2V 4 課題總結(jié) 在過去的三個(gè)月里，經(jīng)歷了機(jī)器人總體方案的研究和選擇，材料的購(gòu)買和加工，到最后的組裝和調(diào)試，遇到了很多的困難。 我們總結(jié)了小組的不足，希望給下屆師弟師妹，例如：（1）何選擇一個(gè)好的可行的總體制作方案。我們的設(shè)計(jì)方案是依靠網(wǎng)上做好的機(jī)器人為模板，進(jìn)行模仿，希望下屆能夠設(shè)計(jì)出自己開發(fā)的機(jī)器人。（2）材料如何選擇。我們?cè)诓牧线x擇時(shí)，試驗(yàn)了很多的材料，如塑料，鋁板，不銹鋼，等等，但是由于要求強(qiáng)度高，剛度高，質(zhì)量要輕，所以選擇了鋁板。但是，鋁板相對(duì)較軟，在線切割時(shí)候很容易使鉬絲斷掉，所以給加工帶來了很多不便，希望能找到更好的材料。（3）材料組裝時(shí)候的問題。由于理想和現(xiàn)實(shí)存在著差異，所以當(dāng)材料加工出來進(jìn)行組裝時(shí)，出現(xiàn)很多問題，由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)盡量緊湊，以降低重心，但是在組裝時(shí)候，出現(xiàn)了很多的干涉，裝螺母螺帽的時(shí)候由于結(jié)構(gòu)間隙太小，安裝比較麻煩，所以希望下屆在總體設(shè)計(jì)時(shí)，在保證緊湊的同時(shí)，要留出一定間隙保證不干涉和足夠的安裝間隙。 以上就是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中本人所遇到的典型問題，希望給下屆的畢業(yè)設(shè)計(jì)帶來啟發(fā)。同時(shí)，希望下屆的師弟師妹能夠把這個(gè)課題做的更好。 結(jié)束語 本論文是關(guān)于兩足機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)。從了解各式各樣的兩足機(jī)器人開始，到分析選擇總體方案、繪制立體圖和平面圖、材料的選擇、配件的購(gòu)買和加工、以及進(jìn)行機(jī)器人的組裝等的全過程，是對(duì)我所學(xué)四年知識(shí)的一個(gè)綜合檢查，也是對(duì)我獨(dú)立思考和解決問題的一次考驗(yàn)。盡管我的設(shè)計(jì)還有很多不足的地方，需要改進(jìn)的地方還很多，但我相信：只要我們不懈的努力，繼續(xù)加以改進(jìn)設(shè)計(jì)，總結(jié)這次的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，給下屆留下寶貴的經(jīng)驗(yàn)，我想他們一定會(huì)做的更好。 通過這3個(gè)月的設(shè)計(jì)，使我對(duì)自己所學(xué)的知識(shí)有了更深入了解；在指導(dǎo)老師幫助下，通過收集各種有關(guān)資料所解決的畢業(yè)設(shè)計(jì)問題，為我即將走上工作崗位，獨(dú)自去面對(duì)各種挑戰(zhàn)，出色地完成工作任務(wù)打下了一定的基礎(chǔ)。 由于本人水平有限，經(jīng)驗(yàn)少。文中定有許多不妥甚至錯(cuò)誤之處，請(qǐng)各位老師給予指正和教導(dǎo)，本人表示深深的謝意。 致 謝 首先，我要感謝的是指導(dǎo)老師龔光榮教授和劉艷老師，在他們的悉心指導(dǎo)下，我順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)與制作的這段時(shí)間里，他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，平易近人的生活作風(fēng)，孜孜不倦的育人精神，給我留下了深刻的印象。 從今年3月初到6月底，經(jīng)過外文翻譯，開題報(bào)告，進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，到完成畢業(yè)論文，一步一步都離不開劉老師的悉心指導(dǎo)。在課題進(jìn)行期間，老師對(duì)我的課題方向的了解深度與研究深度，嚴(yán)謹(jǐn)而一絲不茍的治學(xué)態(tài)度，平和而循循善誘的教學(xué)態(tài)度，不僅在學(xué)術(shù)課題上給我很深的指導(dǎo)，更是讓我了解了很多為人做研究的道理，使我受益匪淺。在此對(duì)劉艷老師表達(dá)我最誠(chéng)摯的感謝，感謝這幾個(gè)月來對(duì)我的巨大幫助。并祝劉艷老師在今后教學(xué)研究中取得更大的成就！ 其次，還要感謝一直努力工作的其他隊(duì)友：吳玉坤、徐超、黃俊、徐昕晏 最后感謝各位評(píng)審老師，能夠在百忙中抽出時(shí)間，對(duì)畢業(yè)論文提出意見，非常感謝你們的指導(dǎo)！祝你們身體健康，萬事如意！ 參 考 文 獻(xiàn) [1] 周遠(yuǎn)清，張?jiān)倥d等編著. 智能機(jī)器人系統(tǒng)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,1989. [2] 蔣新松主編. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M]. 沈陽: 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994. [3] 方建軍，何廣平. 智能機(jī)器人[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004. [4] 張永學(xué). 雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及步行控制研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文. 2001. [5] 劉志遠(yuǎn). 兩足機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文. 1991. [6] 劉志遠(yuǎn)，戴紹安，裴潤(rùn)，張栓，傅佩深. 零力矩點(diǎn)與兩足機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走穩(wěn)定性的關(guān)系[N]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 1994. [7] 紀(jì)軍紅. HIT-Ⅱ雙足步行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文，2000. [8] 麻亮，紀(jì)軍紅，強(qiáng)文義，傅佩深. 基于力矩傳感器的雙足機(jī)器人在線模糊步態(tài)調(diào)整器設(shè)計(jì)[R]. 2000. [9] 竺長(zhǎng)安. 兩足步行機(jī)器人系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制[D]. 國(guó)防科技大學(xué)博士論文. 1992. [10] 馬宏緒. 兩足步行機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行研究[D]. 國(guó)防科技大學(xué)博士論文. 1995. [11] 包志軍. 仿人型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性研究[D]. 上海交通大學(xué)博士論文. 2000. [12] 孫富春，朱紀(jì)洪，劉國(guó)棟等. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論-分析、系統(tǒng)及應(yīng)用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社，2004. [13] 柳洪義，宋偉剛. 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社，2002 [14] 劉晉春，白基成，郭永豐. 特種加工[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.3. [15] 解侖，王志良，李華俊.雙足步行機(jī)器人制作技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.4. 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文) 作 者: 許峰 學(xué) 號(hào)： 05010245 系　部: 機(jī)械工程 專 業(yè): 機(jī)械工程及自動(dòng)化 題 目: 兩足行走機(jī)器人 —行走結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì) 路建萍 劉艷 工程師 助教 指導(dǎo)者： 評(píng)閱者： 2009 年 6 月 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中文摘要 20世紀(jì)40年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn)，關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的研究開始出現(xiàn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機(jī)器人已進(jìn)入了實(shí)用化階段。目前，機(jī)器人大多以輪子的形式實(shí)現(xiàn)行走功能階段。真正模仿人類用腿走路的機(jī)器人還不多，雖有一些六足、四足機(jī)器人涌現(xiàn)，但是兩足機(jī)器人還是鳳毛麟角。本課題主要針對(duì)兩足機(jī)器人的行走進(jìn)行研究、分析、設(shè)計(jì)，然后材料加工制作，最后進(jìn)行組裝和行走調(diào)試。 關(guān)鍵詞 研究 設(shè)計(jì) 制作 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）外文摘要 Title The Robot Move with Two-legs — Designing of Stepped Structure Abstract In 1940s, along with the remote control and digital manufacturing technologies, the researches on robot technology were appeared. After decades of development, hundreds of different structures, different control systems, and different uses of the robots have been entered into a practical stage. At present, most robots use wheel to realize the function phase of walking. But there is little robot can imitate human walking that with two legs , although a number of six-legged, four-legged robots have emerged, two-legged robots are rare. So the main topics of this study is to research, analysis and design on the two-legged walking robot, and product materials, then set up them and do some adjustment through walking in the final. Keywords research design facture 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 許峰 學(xué) 號(hào)： 05010245 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 設(shè)計(jì)(論文)題目： 兩足行走機(jī)器人 —行走部分的設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 教 師: 路建萍 劉 艷 2009 年 3 月 22 日 開題報(bào)告填寫要求 1．開題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(bào)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(jì)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(shí)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(bào)告第一欄目?jī)?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(cè)）； 4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)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(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(gè)部分，詳細(xì)介紹了研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人的原因和目的，兩足步行機(jī)器人的特點(diǎn)及其應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外兩足步行機(jī)器人研究的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞 兩足機(jī)器人 歷史 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1 研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人的原因和目的 世界著名機(jī)器人學(xué)專家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說過：“機(jī)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(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域開辟了無限廣闊的前景研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人的原因和目的，概括起來有如下4個(gè)：(1)我們希望研制出兩足步行機(jī)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(kuò)大凡類的活動(dòng)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(dòng)力學(xué)特性，在這一方面的研究可以拓寬力學(xué)及機(jī)器人學(xué)的研究方向。(4)兩足步行機(jī)器人可以作為一種智能機(jī)器人在人工智能中發(fā)揮重要的作用[1]。 2 兩足步行機(jī)器人的特點(diǎn)及其應(yīng)用前景 在具有許多優(yōu)點(diǎn)的步行機(jī)器人中，由于兩足步行機(jī)器人體積較小，所以它們對(duì)環(huán)境有最好的適應(yīng)性。這種機(jī)器人除結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單外，在靜、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定步行方面，在高速運(yùn)動(dòng)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(shí)用的兩足步行機(jī)器人由兩條腿和一個(gè)平臺(tái)(腰部)組成。腿的作用是為平臺(tái)提供移動(dòng)能力，而平臺(tái)的作用則是提供一個(gè)基礎(chǔ)，以便安裝機(jī)械手、CCD攝象機(jī)、機(jī)載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和蓄電池。顯然，這種帶機(jī)械手的兩足步行機(jī)器人能非常靈活地從事較多的工作。但是，對(duì)于這種兩足步行機(jī)器人來說，平臺(tái)的穩(wěn)定性對(duì)于有效地控制機(jī)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(duì)平臺(tái)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(yùn)動(dòng)以保持平臺(tái)及整個(gè)兩足步行機(jī)器人的穩(wěn)定就成為一個(gè)主要問題。 目前，兩足步行機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要是康復(fù)醫(yī)學(xué)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，兩足步行機(jī)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(jī)器人的歷史 最早系統(tǒng)地研究人類和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)原理的是Muybridge，他發(fā)明了電影用的獨(dú)特?cái)z像機(jī)，即一組電動(dòng)式觸發(fā)照相機(jī)，并在1877年成功地拍攝了許多四足動(dòng)物步行和奔跑的連續(xù)照片。后來這種采用攝像機(jī)的方法又被Demeny用來研究人類的步行運(yùn)動(dòng)。從本世紀(jì)30年代到50年代，蘇聯(lián)的Bernstein從生物動(dòng)力學(xué)的角度也對(duì)人類和動(dòng)物的步行機(jī)理進(jìn)行深入的研究，并就步行運(yùn)動(dòng)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(jī)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(jī)器人一整套較為完善的理論體系，而且在一些國(guó)家，如日本、美國(guó)和蘇聯(lián)等都已研制成功了能靜態(tài)或動(dòng)態(tài)步行的兩足步行機(jī)器人樣機(jī)。這一部分，我們主要介紹隊(duì)60年代到1985年這一時(shí)期，在兩足步行機(jī)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(duì)步行機(jī)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(duì)各種類型的步行機(jī)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(guó)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(jī)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(shí)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(jī)器人的發(fā)展史上，Vukobratovic博士是一個(gè)非常突出的人物。他在整個(gè)70年代就兩足步行機(jī)器人的理論研究和假肢的設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)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(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，并建立了從運(yùn)動(dòng)副組合到關(guān)節(jié)力矩計(jì)算等各項(xiàng)運(yùn)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(duì)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(jì)了一系列半動(dòng)力型和動(dòng)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(diǎn)ZMP 的概念。ZMP概念的提出對(duì)兩足步行機(jī)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(jī)器人。其中，自由步態(tài)是相對(duì)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(jī)器人在行走時(shí)，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(yùn)動(dòng)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(jī)器人的穩(wěn)定性研究方面，美國(guó)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(jiǎn)化模型看作是一個(gè)倒立振子(倒擺)，從而可以將兩足步行的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)解釋為使振子直立移動(dòng)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(jī)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(dòng)態(tài)步行的概念，這是一種介于靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行之間的步行方式。它既具有靜態(tài)步行的特點(diǎn)又具有動(dòng)態(tài)步行的特點(diǎn)，其步速要比靜態(tài)步行快，而實(shí)現(xiàn)起來又不象動(dòng)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(guó)的Chow和Jacobson。他們?cè)?971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(jiǎn)化模型作為研究對(duì)象。但最后，他們僅是以局部耗能最少為基礎(chǔ)得出了一個(gè)優(yōu)化結(jié)果。 前面我們?cè)赋觯甐ukobratovic也對(duì)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(gè)步行系統(tǒng)的功率隨時(shí)間的變化關(guān)系，并沒有過多地涉及能耗最優(yōu)這個(gè)問題．但在他的研究中，Vukobratovic得出了一個(gè)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(jī)研制方面的主要情況。早在50年代中期，美國(guó)通用電氣公司就制造了一臺(tái)名為“Hardiman”的步行車，但當(dāng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)和伺服控制技術(shù)顯然還不足以使Hardiman進(jìn)入實(shí)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(gè)兩足步行機(jī)器人。當(dāng)時(shí)他們的主要目的是為癱瘓者和下肢殘疾者設(shè)計(jì)實(shí)用的輔助行走裝置。這個(gè)機(jī)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(jì)的Wabot(前身為wL一5)是迄今為止最上象的一個(gè)兩足步行機(jī)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(jī)器人，這些機(jī)器人一般都是液壓驅(qū)動(dòng)的，每條腿上一般具有5個(gè)自由度，典型的步長(zhǎng)和步行周期分別是15厘米和l5秒，并且它們都能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和準(zhǔn)動(dòng)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)步行，步幅為43.18厘米，步速達(dá)到1.3秒／步。wL一10RD機(jī)器人重84公斤，在其本體上安裝了一臺(tái)Z8002微型計(jì)算機(jī)，用來控制它的步行運(yùn)動(dòng)[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(jī)器人，它們依次被命名為BIPER-1，2，3，4，5。所有這些機(jī)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?shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步行。BIPER一1和BIPER一2其能側(cè)行；BIPER一3是一個(gè)高蹺型機(jī)器人，腳與地面以點(diǎn)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(jì)算機(jī)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(jì)了一個(gè)名為MEG一2的兩足步行機(jī)器人，在該機(jī)器人的連桿機(jī)構(gòu)上安裝有重力和慣性力補(bǔ)償裝置。在1985年的實(shí)驗(yàn)中，該機(jī)器人實(shí)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(jī)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，有的用形狀記憶合金作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制．在1985年以前，樣機(jī)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(jī)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(jī)研制不象1985年以前那樣豐富，但也頗具特色。重要的是，國(guó)內(nèi)正是在這一時(shí)期全面開展了兩足步行機(jī)器人的研究。下面，首先看看美國(guó)的有關(guān)情況。 1985年，美國(guó)的Hodgins和Raibert等人研制了一個(gè)用來進(jìn)行奔跑運(yùn)動(dòng)和表演體操動(dòng)作的平面型兩足步行機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人有3個(gè)自由度。1986年，他們用這個(gè)機(jī)器人進(jìn)行奔跑實(shí)驗(yàn)，著重研究奔跑過程中出現(xiàn)的彈射飛行狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)機(jī)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(gè)機(jī)器人進(jìn)行翻筋斗動(dòng)作實(shí)驗(yàn)。Hodgins和Raibert研究這兩種運(yùn)動(dòng)是因?yàn)樗鼈兒胸S富的動(dòng)力學(xué)內(nèi)容，尤其是兩者都具有彈射飛行狀態(tài)。 在美國(guó)研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人的科學(xué)家中，鄭元芳(Y．F．Zheng)博士是一個(gè)非常杰出的人物。他在80年代初由中國(guó)去了美國(guó)，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(tái)步行機(jī)器人，分別命名為SD一1和SD一2。SD—l具有4個(gè)自由度，SD一2則有8個(gè)自由度。其中，SD一2是美國(guó)第一臺(tái)真正擬人的兩足步行機(jī)器人。1986年，SD一2機(jī)器人成功地實(shí)現(xiàn)了平地上前進(jìn)、后退以及左、右側(cè)行。1987年，這個(gè)機(jī)器人又成功地實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)步行。鄭元芳博士也因他在機(jī)器人領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)而獲得美國(guó)1987年度“總統(tǒng)青年研究員”獎(jiǎng) 。 1984年，鄭元芳博士對(duì)兩足步行機(jī)器人與環(huán)境接觸時(shí)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的監(jiān)控系統(tǒng)。1989年，他研究了兩足步行機(jī)器人的擾動(dòng)抑制問題。1990年他首次提出了使兩足步行機(jī)器人能走斜坡的控制方案，并利用SD一2機(jī)器人進(jìn)行了成功的實(shí)驗(yàn) 。此外，鄭元芳博士還從神經(jīng)生理學(xué)的角度對(duì)人類肌肉的多級(jí)傳感與多級(jí)驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行了研究，并提出了采用這種原理設(shè)計(jì)兩足步行機(jī)器人的方法。 下面我們?cè)倏纯磭?guó)內(nèi)在兩足步行機(jī)器人方面的研究情況[14]。 我國(guó)從80年代中期才開始研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人，當(dāng)時(shí)主要的研究單位是哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功的第一臺(tái)兩足步行機(jī)器人重7Okg，高l10cm，有10個(gè)自由度，采用直流電機(jī)經(jīng)諧波減速驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)由一臺(tái)IBM—PC／XT計(jì)算機(jī)和l0個(gè)MCS一51單片機(jī)系統(tǒng)組成。1989年l0月，這個(gè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了平地上的前進(jìn)，左、右側(cè)行以及上、下樓梯的運(yùn)動(dòng)，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(tái)l2自由度的兩足步行機(jī)器人，并正在進(jìn)行動(dòng)態(tài)步行的實(shí)驗(yàn)。 國(guó)防科技大學(xué)在1988年春天成功地研制了一臺(tái)平面型、6自由度的兩足步行機(jī)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(tái)空間運(yùn)動(dòng)型的兩足步行機(jī)器人KDW – 2。該機(jī)器人具有l(wèi)0個(gè)自由度，體高69cm，重l 3kg，各關(guān)節(jié)采用直流伺服電機(jī)經(jīng)諧波減速驅(qū)動(dòng)，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(shí)時(shí)修正方案，用一臺(tái)l6位微機(jī)進(jìn)行步態(tài)協(xié)調(diào)控制．在1989年，KDW —2機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)、后退、上下臺(tái)階的靜態(tài)穩(wěn)定步行以及左、右的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行。1990年國(guó)防科技大學(xué)在KDW —2的平臺(tái)上安裝了兩個(gè)垂直關(guān)節(jié)，進(jìn)一步發(fā)展成KDW一3。該機(jī)器人已有l(wèi)2個(gè)自由度，除具有KDW-2的全部功能外，還能做轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的全方位行走。 國(guó)防科技大學(xué)還將工業(yè)機(jī)器人的軌跡示教方法用到了兩足步行機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃中，形成了步行機(jī)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(gè)兩足步行機(jī)器人的研究計(jì)劃，現(xiàn)在已研制出一臺(tái)8自由度空間運(yùn)動(dòng)型的兩足步行機(jī)器人，命名為NAIWR—1。目前，這一計(jì)劃正在實(shí)施中?？傆^起來，兩足步行機(jī)器人研究的現(xiàn)狀是：國(guó)外，主要是日本和美國(guó)，對(duì)兩足步行機(jī)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(dòng)態(tài)行走的多種樣機(jī)。國(guó)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(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定步行的研究階段。雖然國(guó)內(nèi)的研究水平還不象國(guó)外那樣高，但在短短的五六年時(shí)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(jī)器人研究的發(fā)展趨勢(shì) 概括起來，兩足步行機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)包括如下l0個(gè)方面：(1)能動(dòng)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(qiáng)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(zhǎng)。(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(jī)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(gè)或多個(gè)機(jī)械手)。 6 結(jié)束語 本文較詳細(xì)地介紹了國(guó)內(nèi)外兩足步行機(jī)器人研究的主要情況．我們相信，隨著整個(gè)機(jī)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(jī)器人一定能夠真正進(jìn)入實(shí)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. [2] Berntein N A．Investigarions biodynamicb of locomotion.Moscow, WIEM 1985．1. [3] Tomovic R．A general theoretical model of greeping displacement Cybernedcs，Eng]ish Translation,1961.4. [4] 馬培蓀，沈乃勛譯，M·伍科布拉托維奇著．步行機(jī)器人和動(dòng)力型住肢.科學(xué)出版社，1983. [5] 王志良.競(jìng)賽機(jī)器人制作技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007. [6] 馬香峰等.工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社,1996.9. [7] 余達(dá)太，馬香峰.工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1999.4. [8] 劉政華等.機(jī)械電子學(xué)[M].北京：國(guó)防科技大學(xué)出版社,1999.10. [9] 張建民.機(jī)電一體化原理與應(yīng)用[M].國(guó)防科技大學(xué)出版社,1992.1. [10] 曲家騏等.伺服控制系統(tǒng)中的傳感器[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998. [11] 秦志強(qiáng)等. 基礎(chǔ)機(jī)器人制作與編程[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社,2007. [12] 高鐘毓．機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.2 [13] 陳繼榮.智能電子創(chuàng)新制作[M].北京：科技出版社,2007. [14] 張建民等．機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社,1997.  畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 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(jì)兩足行走機(jī)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(jī)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(tái)階，具有廣泛的適應(yīng)性。 主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)是機(jī)器人跨步時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)移重心而保持平衡的問題。 對(duì)于平衡穩(wěn)定，初步設(shè)想采用的方法是，在設(shè)計(jì)兩足步行機(jī)時(shí)，為了提高其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，常采用較大的腳板支撐面，并且使機(jī)構(gòu)的重心位置盡可能放低，以使運(yùn)動(dòng)中步行機(jī)的ZMP（ZMP的定義是：地面對(duì)腳底板沿z向作用的分布力的合力，若這個(gè)合力作用點(diǎn)處的力矩為零，這一點(diǎn)便是零力矩點(diǎn)）落在支撐平面內(nèi)。但在實(shí)際設(shè)計(jì)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(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告 指導(dǎo)教師意見： 1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)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(duì)所要做地工作進(jìn)行了較深入地學(xué)習(xí)。 2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)： 本課題要做什么步驟敘述很清楚，設(shè)計(jì)思路正確，工作量合理，預(yù)計(jì)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