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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 開 題 報(bào) 告 設(shè)計(jì) 論文 題目 擬人步行機(jī)器人的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué) 號 專 業(yè) 所在學(xué)院 指導(dǎo)教師 職 稱 年 月 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 答辯委員會對學(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)按論文的框架成文 并直接書寫 或打印 在本開題報(bào)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 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 2004 年 4 月 26 日 或 2004 04 26 5 開題報(bào)告 文獻(xiàn)綜述 字體請按宋體 小四號書寫 行間距 1 5 倍 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 寫不少于 1000 字的文獻(xiàn)綜述 1 1 引言 什么是機(jī)器人呢 在國際上 關(guān)于機(jī)器人的定義很多 出發(fā)點(diǎn)各不相同 有的 強(qiáng)調(diào)工業(yè)機(jī)器人特征 有的側(cè)重于智能機(jī)器人 美國機(jī)器人協(xié)會認(rèn)為 機(jī)器人是 一種用于移動各種材料 零件的工具或?qū)Ｓ醚b置 是通過程序動作來執(zhí)行各種任 務(wù) 并具有編程能力的多功能操作機(jī) 顯然該定義指的是工業(yè)機(jī)器人 國際標(biāo) 準(zhǔn)化組織 ISO 也有類似的定義 日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會 JIRA 定義機(jī)器人是一種裝 備有記憶裝置和末端執(zhí)行裝置的且能夠完成各種移動來代替人類勞動的通用機(jī)器 有些定義直接把機(jī)器人分為工業(yè)機(jī)器人和智能機(jī)器人兩種情況來解釋 認(rèn)為工業(yè) 機(jī)器人是 一種能夠執(zhí)行與人的上肢 手和臂 類似動作的多功能機(jī)器 智能機(jī) 器人是 一種具有感覺和識別能力 并能夠控制自身行為的機(jī)器 我國的蔣新 松院士曾建議把機(jī)器人定義為 一種擬人功能的機(jī)械電子裝置 盡管定義各不 相同 但有共同之處 即認(rèn)為機(jī)器人應(yīng)具有下列特征 1 像人或人的上肢 并能模仿人的動作 2 具有智力或感覺與識別能力 3 是人造的機(jī)械或機(jī)械電子裝置 當(dāng)然 隨著機(jī)器人的進(jìn)化和其智能的發(fā)展 這些定義很難涵蓋其本質(zhì) 有必 要修改 1 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 年代美國的 Consolidatedcontry 公司研制出第一臺機(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 次國際機(jī)器人會議在美國舉行 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)展按照從低級到高級經(jīng)歷了三代 第一代機(jī)器人 主要指只能以 示教一再現(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 操作對象的簡單信 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 對動作進(jìn) 行反饋控制 表現(xiàn)出低級的智能 當(dāng)前 對第二代機(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 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 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)和國防建設(shè)等方面發(fā)揮巨大作用 可以預(yù)見到 機(jī)器人將在 21 世紀(jì)人類社會生產(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 機(jī) 器人充分體現(xiàn)了人和機(jī)器的各自特長 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)器人及其自動化成套裝備己成為國內(nèi)外備受 重視的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域 與此同時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 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)的新時代 2 1 3 雙足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國內(nèi)外研究概況 1 3 1 雙足步行機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn) 機(jī)器人是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物 因?yàn)槿藗兛偸窃O(shè)法讓機(jī)器來代替人 的繁重工作 從而發(fā)明了各種各樣的機(jī)器 機(jī)器的發(fā)展和其它事物一樣 遵循著 由低級到高級的發(fā)展規(guī)律 機(jī)器發(fā)展的最高形式必然是機(jī)器人 而機(jī)器人發(fā)展的 最高目標(biāo)是制造出像人一樣可以行走和作業(yè)的機(jī)器人 也就是擬人機(jī)器人 因?yàn)?它具有良好的環(huán)境適應(yīng)性 并且這種優(yōu)秀品質(zhì)在高低不平的路面上以及具有障礙 物的空間里更加突出 所以與之相關(guān)的問題己經(jīng)成為研究熱點(diǎn) 擬人機(jī)器人的研 制工作開始于 20 世紀(jì) 60 年代 短短的幾十年時間內(nèi) 其研制工作進(jìn)展迅速 步 行機(jī)器人的研制工作是其中一項(xiàng)重要內(nèi)容 目前 機(jī)器人的移動方式主要包括輪 式 履帶式 爬行式 蠕動式以及步行等方式 對輪式和履帶式移動機(jī)器人的研 究主要集中在自主運(yùn)動控制上 如避障路徑規(guī)劃等 這兩種機(jī)器人過分依賴于周 圍環(huán)境 應(yīng)用范圍受限 爬行和蠕動式機(jī)器人主要用于管道作業(yè) 具有良好的靜 動態(tài)穩(wěn)定性 但速度較低 常見的步行機(jī)器人有雙足 四足和六足等情況 自然 界事實(shí) 仿生學(xué)以及力學(xué)分析表明 在具有許多優(yōu)點(diǎn)的步行機(jī)器人中 雙足步行機(jī) 器人因其體積相對較小 對非結(jié)構(gòu)性環(huán)境具有較好的適應(yīng)性 避障能力強(qiáng) 移動 盲區(qū)很小等優(yōu)良的移動品質(zhì) 格外引人注目 首先 對于支撐路面 雙足步行機(jī) 器人的要求很低 理論上只需要分散的 孤立的支撐點(diǎn) 就可以通過機(jī)器人自行 選擇最佳的支撐點(diǎn) 獲得最佳的移動性能 而輪式移動機(jī)器人通常要求連續(xù)的 硬質(zhì)的支撐路面 對于惡劣的支撐路面 它只能被動的適應(yīng) 其次 在存在障礙 物的情況下 雙足步行機(jī)器人能夠跨越與自身腿長相當(dāng)?shù)恼系K物 甚至跳越障礙 而輪式移動機(jī)器人僅能滾越尺寸小于輪子半徑的障礙物 機(jī)器人力學(xué)計(jì)算表明 足式步行機(jī)器人的能耗通常低于輪式和履帶式 7 1 3 2 雙足步行機(jī)器人的步行特點(diǎn)及研究意義 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 一般說來 機(jī)器人的步行方式有兩種 即靜態(tài)步行與動態(tài)步行 靜態(tài)步行是指低速步行 不考慮慣性力 機(jī)器人在行走 過程中只需要滿足靜力平衡條件 即重心要始終保持在支撐腳區(qū)域內(nèi) 動態(tài)步行與 之不同 必須考慮慣性力的影響 行走過程中要滿足動態(tài)平衡 即控制系統(tǒng)的零 力矩點(diǎn) zMP 始終在支撐腳的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi) 動態(tài)步行具有速度快效率高等優(yōu)點(diǎn) 靜 態(tài)步行可以看作動態(tài)步行的特例 和輪式 履帶式 爬行式 蠕動式等機(jī)器人相 比 雙足步行機(jī)器人在具有上述難以取代的優(yōu)越性的同時 也存在很多的技術(shù)難 關(guān) 穩(wěn)定步行和高速運(yùn)動都困難的 雙足步行機(jī)器人系統(tǒng)存在著高階 強(qiáng)耦合 多變量及非線性等特性 這些特性使得雙足步行機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的精確 求解非常困難 而且也沒有十分理想的理論或方法來求解逆運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)解析 解 只有外加一些限制條件 如能量消耗最小 峰值力矩最小來求解運(yùn)動學(xué)和動 力學(xué)的近似解 這往往導(dǎo)致了機(jī)器人的規(guī)劃運(yùn)動與實(shí)際運(yùn)動有較大的出入 所以 迄今為止雙足步行機(jī)器人還是以 靜步行 為主 特點(diǎn)是步速較低 步幅較小 其運(yùn)動性能與人類相比還相距甚遠(yuǎn) 由于步行機(jī)器人的發(fā)展受到機(jī)構(gòu)學(xué) 材料學(xué) 計(jì)算機(jī)技術(shù) 控制技術(shù) 微電子技術(shù) 通訊技術(shù) 傳感技術(shù) 人工智能 數(shù)學(xué)方 法 仿生學(xué)等學(xué)科發(fā)展程度的制約 還處于實(shí)驗(yàn)室研制階段 距離真正意義上的 擬人機(jī)器人還有相當(dāng)?shù)木嚯x 10 在這一領(lǐng)域內(nèi)還有許多的問題等待我們?nèi)ソ鉀Q 雙足步行是生物界最難的動作 它的完美實(shí)現(xiàn)必然要求機(jī)器人在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面產(chǎn) 生巨大的變革和創(chuàng)新 從而有力地推動相關(guān)學(xué)科的發(fā)展 同時 雙足步行機(jī)器人 具有多關(guān)節(jié) 多驅(qū)動 多傳感器 而且具有冗余自由度 這給控制研究帶來很大 困難 也相應(yīng)的給各種控制策略和優(yōu)化方法提供了理想的試驗(yàn)平臺 因此 對雙 足步行機(jī)器人的研究具有很高的理論價(jià)值 引起國內(nèi)外無數(shù)專家學(xué)者的矚目 4 為了促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)在我國的發(fā)展 全國各地尤其是部分高校舉辦了各種類型的 機(jī)器人大賽 中國機(jī)器人大賽是由中國自動化學(xué)會機(jī)器人競賽工作委員會和科技 部高技術(shù)研究發(fā)展中心主辦的一個全國性的賽事 其中最為引人矚目的舞蹈機(jī)器 人項(xiàng)目就是為了促進(jìn)雙足步行機(jī)器人的發(fā)展而設(shè)立的 由于步行機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)目 前還存在很多技術(shù)難題 前幾屆由中國科技大學(xué)主辦的舞蹈機(jī)器人大賽基本上是 以輪式機(jī)器人為主 還沒有出現(xiàn)步行機(jī)器人參賽 由此可見 雙足步行機(jī)器人的 發(fā)展還有一段很長的路要走 研制雙足步行機(jī)器人的一項(xiàng)重要內(nèi)容就是步態(tài)規(guī)劃 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)動力矩的大小等多個方面 已經(jīng) 成為雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) 基于上述原因 本課題擬進(jìn)行雙足步行機(jī) 器人的步態(tài)規(guī)劃研究 研制具有高度穩(wěn)定性的雙足步行機(jī)器人平臺 為進(jìn)一步的 擬人機(jī)器人研制奠定基礎(chǔ) 1 3 3 國外研究概況 擬人機(jī)器人的研究是一個很誘人 難度很大的研究課題 關(guān)于這方面的研究 日本走在了世界的前列 早稻田大學(xué)理工學(xué)部 1973 年建立了 人格化機(jī)器人 研 究室 曾開發(fā)出不少擬人機(jī)器人系統(tǒng) 例如會演奏鋼琴的機(jī)器人 雙足步行機(jī)器 人以及電動假肢等 該研究室的帶頭人高西淳夫教授說 人格化機(jī)器人的一個很 大特征就是它具有與人類相近的結(jié)構(gòu) 機(jī)器人與人類的共存是我們研究開發(fā)的課 題之一 當(dāng)今世界 有 機(jī)器人王國 之稱的日本在雙足步行機(jī)器人研究領(lǐng)域 處于絕對領(lǐng)先地位 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 并先后研制出場系列樣機(jī)若干年研制出 P 1 平面自由度步行機(jī)器人 該 機(jī)器人具有六個自由度 每條腿有骼 膝 踩三個關(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 個自由度 能在 平地 斜坡和階梯上行走 該機(jī)器人重 130kg 高 0 9m 實(shí)現(xiàn)步幅 15cm 每步 455 的靜態(tài)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 具有 11 個自由度 下肢作三維運(yùn)動 上軀體左右擺動以實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人重心的左右移 動 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 WAROT 1 1980 年 推出 WL 9DR Dynam Refined 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 通過對步行運(yùn)動的分析及重復(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 該機(jī)器人采用了以單腳支撐期為靜 態(tài) 雙腳切換期為動態(tài)的準(zhǔn)動態(tài)步行方案 實(shí)現(xiàn)了步幅 45cm 每步 95 的準(zhǔn)動態(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)動來補(bǔ)償下肢的任意運(yùn)動 實(shí)現(xiàn)了步 行周期 23 秒 步幅 30cm 的平地動態(tài)步行 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 本田公司從 1986 年至今已經(jīng)推出了 Pl PZ P3 系列機(jī)器人 在 PZ 和 P3 中 使用了大量的傳感器 陀螺儀 測定上體 偏轉(zhuǎn)的角度和角速度 重力傳感器 六維力 力矩傳感器和視覺傳感器等 利用 這些傳感器感受機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)和外界環(huán)境的變化 并基于這些傳感器對下肢 各關(guān)節(jié)的運(yùn)動做出調(diào)整 實(shí)現(xiàn)動態(tài)步行 并且于 2000 年 11 月 20 日 推出了新型 雙足步行機(jī)器人 實(shí)現(xiàn)了與人一樣自然行走的新姿態(tài)控制技術(shù) 自律連續(xù)移動技 術(shù)以及可順暢地與人同步動作的技術(shù)等 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) 的技術(shù) 雙腳步行技術(shù)的基礎(chǔ)上組合了新的 預(yù)測運(yùn)動控制功能 它可以實(shí)時預(yù) 測以后的動作 并且據(jù)此事先移動重心來改變步調(diào) 以往由于不能進(jìn)行 預(yù)測運(yùn) 動控制 當(dāng)從直行改為轉(zhuǎn)彎時 必須先停止直行動作 然后才可以轉(zhuǎn)彎 索尼 公司于 2000 年 11 月 21 日推出了人形娛樂型機(jī)器人 SDR 3X Sony DreamRobot 一 3x SDR 一 3X 頭部 2 個 軀干 2 個 手臂 4 2 個 下肢和足部 6 2 個 共計(jì) 24 個自由度 2001 年 7 月 川田工業(yè)公司的航空機(jī)械業(yè)務(wù)部開發(fā)出了研究用類人 型雙足步行機(jī)器人 該機(jī)器人身高 146 8cm 體重 55kg 關(guān)節(jié)自由度全身合計(jì) 32 個 通過使用具有搖桿 Joystick 的操作部件 可以令該機(jī)器人向任何方向自由 步行 該產(chǎn)品在腳趾處安裝有關(guān)節(jié) 從而提高了步行的速度 并且能夠爬上最高 階差為 25cm 的樓梯 2002 年 6 月 12 日 機(jī)器人世界杯國際委員會宣布將從 2002 年 6 月 20 日起在日本的福岡與韓國的釜山舉行機(jī)器人世界杯大賽 從該屆起 將 增設(shè)雙足步行機(jī)器人的足球賽事 這標(biāo)志著機(jī)器人選手參加的世界杯又向人類走 近了一步 該大賽的目標(biāo)是 在 2050 年之前 制造出能夠戰(zhàn)勝當(dāng)時世界冠軍隊(duì)的 自律型機(jī)器人隊(duì)伍 這一夢想將由雙足步行機(jī)器人來實(shí)現(xiàn) 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)出一臺取名 H 2 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 并對手 腳 頭 腰等 32 個部位的動作進(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 作和腳步等 使 HRP 2 可以和人一樣動作連貫 翩翩起舞 除了日本之外 美 國 英國 法國等也對步行機(jī)器人做了大量的基礎(chǔ)理論研究和樣機(jī)研制工作 并 取得一定成就 美籍華人鄭元芳博士是美國雙足步行機(jī)器人研究者中一位非常杰 出的人物 他基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研制出兩臺雙足步行機(jī)器人 分別命名為 SD 1 和 SD 2 SD 1 具有 4 個自由度 SD 2 具有 8 個自由度 其中 SD 2 是美國第一臺真正類 人的雙足步行機(jī)器人 他利用 SDR 2 于 1986 年實(shí)現(xiàn)了平地上的前進(jìn) 后退以及左 右側(cè)行 1987 年 又成功地實(shí)現(xiàn)了動態(tài)步行 1971 年至 1986 年間 英國牛津大 學(xué)的 Witt 等人制造并完善了一個雙足步行機(jī)器人 該機(jī)器人在平地上行走良好 步速達(dá) 0 23m s 前面所述的研究主要是關(guān)于主動式步行機(jī)器人 靠關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動 加拿大的 d McGeer 主要研究被動式雙足步行機(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 1989 年 他建立了平面型的雙足步行機(jī)構(gòu) 兩腿為直桿機(jī)構(gòu) 沒有膝關(guān)節(jié) 每條腿上各有一個小電機(jī)來控制腿的伸縮 無任 何主動控制和能量供給 放在斜坡上 可依靠重力實(shí)現(xiàn)動態(tài)步行 目前 主動和 被動式雙足步行機(jī)器人在研究上很少互相借鑒 1 3 4 國內(nèi)研究概況 國內(nèi)雙足步行機(jī)器人的研制工作起步較晚 我國是從 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 我國開展了 七五 機(jī)器人攻關(guān)計(jì) 劃 1987 年 我國的 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 進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù) 隨后取得了一定 的成就 自 1985 年以來 相繼有幾所高校進(jìn)行了這方面的研究并取得了一定的成 果 其中以哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國防科技大學(xué)較為成果顯著 在自然科學(xué)基金和國 家 863 計(jì)劃的支持下 哈爾濱工業(yè)大學(xué)自 1985 年開始研制雙足步行機(jī)器人 迄今為止己經(jīng)完成三個型號的研制工作 1988 年哈工大 HIT I 型雙足步行機(jī)器人 問世 HIT I 型雙足步行機(jī)器人具有 10 個自由度 重 100kg 高 1 2m 關(guān)節(jié)由直 流伺服電機(jī)驅(qū)動 屬于靜步態(tài)行走 HIT 具有 12 個自由度 該機(jī)器人髖關(guān)節(jié)和 腿部結(jié)構(gòu)采用了平行四邊形結(jié)構(gòu) HIT 具有 12 個自由度 踝關(guān)節(jié)采用兩電機(jī)交 叉結(jié)構(gòu) 同時實(shí)現(xiàn)了兩個自由度 腿部結(jié)構(gòu)采用了圓筒形結(jié)構(gòu) HIT 實(shí)現(xiàn)了靜 步態(tài)行和動步態(tài)步行 能夠完成前 后行 側(cè)行 轉(zhuǎn)彎 上下臺階及上斜坡等動作 1988 年春 國防科技大學(xué)成功研制出我國第一臺平面型六自由度的雙足機(jī)器人 能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn) 后退和上下樓梯 1989 年 他們又實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)動態(tài)步行 1990 年 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的全方位行走 2000 年 2 月 30 日 國防科技大學(xué)在自 1986 年開始研制的雙足步行機(jī)器人的基礎(chǔ)上 成功研制出我國第一臺擬人機(jī)器人 先行者 并通過國家 863 項(xiàng)目專家組驗(yàn)收 與該校 1990 年成功研制的雙 足步行機(jī)器人相比 其行走頻率從過去的 6 秒每步提高到每秒兩步 從只能平地 靜態(tài)步行 到能快速自如地動態(tài)步行 從只能在己知環(huán)境下步行 到可在小偏差 不確定環(huán)境下行走 實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破 2003 年 1 月取名為 BRH 1 的仿人 機(jī)器人在北京理工大學(xué)通過國家 863 項(xiàng)目組的驗(yàn)收 這個機(jī)器人身高 1 58m 體重 76kg 具有 32 個自由度 每小時能夠行走 1km 步幅 0 33m 驗(yàn)收專家認(rèn)為 該機(jī)器人在系統(tǒng)集成 步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)等方面實(shí)現(xiàn)了重大的突破 仿人機(jī)器 人課題組負(fù)責(zé)人 北京理工大學(xué)教授李科杰認(rèn)為 目前 BHR 1 仿人機(jī)器人己經(jīng) 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)在未知地面上的穩(wěn)定行走和太極拳表演 使中國成為繼日本之后 第二個研制 出無外接電纜行走 集感知 控制 驅(qū)動 電源和機(jī)構(gòu)于一體的高水平仿人機(jī)器 人國家 參 考 文 獻(xiàn) 1 張永學(xué) 雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及步行控制研究 M 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位 論文 2001 2 Ishida Tatsuzo KurokiYoshihiro Yamaguehi Jiniehi Meehanieal System of a Small Biped Entertainment Robot M IEEE Iniemational Confereneeon Intelligent Robots and Systems 2003 3 KanekoKenji KanehiroFumio KajitaShuuji etal Ota Design of Prot type humanoid robots and Systems M 2002 4 YokoiKazuhito Kanehiro Fumio Kaneko Kenji etal ExPerimental study of humanoid robot HRP 1S Intemational Journal of Robotics Researeh M 2004 5 趙星寒 劉濤 從 51 到 ARM 32 位嵌入式系統(tǒng)入門 M 北京 北京航空航天 大學(xué)出版社 2005 6 潘琢金 施國君 CsoslFxXx 高速 SOC 單片機(jī)原理及應(yīng)用 M 北京 北京航空 航天大學(xué)出版社 2002 7 樓然苗 李光飛 51 系列單片機(jī)開發(fā)實(shí)例 M 北京 北京航空航天大學(xué)出版 社 2003 8 童長飛 C805lF 系列單片機(jī)開發(fā)與 C 語言編程 M 北京 北京航空航天大學(xué) 出版社 2005 9 何玉潔 數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2002 10 郭強(qiáng) 液晶屏顯示技術(shù) M 北京 電子工業(yè)出版社 2002 11 郝文化 ProtelDX 夕電路原理圖與 PcB 設(shè)計(jì) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2004 12 藏鐵鋼 ProtelD 舒電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 M 北京 北京鐵道出版社 2005 13 劉志遠(yuǎn) 兩足機(jī)器人動態(tài)行走研究 D 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文 1991 14 劉志遠(yuǎn) 戴紹安 裴潤 張栓 傅佩深 零力矩點(diǎn)與兩足機(jī)器人動態(tài)行 走穩(wěn)定性的關(guān)系 J 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 17 紀(jì)軍紅 HIT I 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 18 麻亮 紀(jì)軍紅 強(qiáng)文義 傅佩深 M 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) 控制與決策 2000 19 竺長安 兩足步行機(jī)器人系統(tǒng)分析 設(shè)計(jì)及運(yùn)動控制 D 國防科技大學(xué)博 士論文 1992 20 馬宏緒 兩足步行機(jī)器人動態(tài)步行研究 D 國防科技大學(xué)博士論文 1995 2l 馬宏緒 應(yīng)偉福 張彭 兩足步行機(jī)器人姿態(tài)穩(wěn)定性分析 M 計(jì)算技術(shù) 與自動化 1997 22 馬宏緒 張彭 張良起 兩足步行機(jī)器人動態(tài)步行的步態(tài)控制與實(shí)時位控制 方法機(jī)器人 M 2005 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 本課題要研究或解決的問題 本課題主要設(shè)計(jì)是在原有的雙足步行機(jī)器人的理論基礎(chǔ)上 利用雙足步行機(jī) 器人組成及工作原理 同時利用相應(yīng)的 CAD 軟件 對雙足步行機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行設(shè) 計(jì) 本設(shè)計(jì)的雙足步行機(jī)器人是在原有的基礎(chǔ)上作了一些改進(jìn) 具有結(jié)構(gòu)簡單 維修量小 性能穩(wěn)定 安裝方便等優(yōu)點(diǎn) 本課題主要研究內(nèi)容 雙足步行機(jī)器人的發(fā)展歷史 用途 組成及工作原理 雙足步行機(jī)器人 的特 點(diǎn) 設(shè)計(jì)的一般步驟 使用中存在的問題及改進(jìn)措施 安裝和維護(hù)等內(nèi)容 在本 次雙足步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中 著重對傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì) 對重要的 部件進(jìn)行了受力分析 強(qiáng)度的校核 根據(jù)其常見失效形式 影響因素及基本設(shè)計(jì) 要求 給出了重要部件的受力分析 強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)方法 第一章簡述了雙足步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 介紹了幾種典型的雙足步行機(jī)器人的 技術(shù)原理 并對與本文提及的雙足步行機(jī)器人進(jìn)行了調(diào)查和分析 第二章介紹了雙足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和原理 第三章針對雙足步行機(jī)器人進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算過程 書寫說明書 擬采用的研究手段 途徑 本課題的研究需要查閱大量的資料 我要先到學(xué)校圖書館查閱與本課題有 關(guān)的書籍和資料本 同時上網(wǎng)瀏覽最新的有關(guān)課題的文獻(xiàn)資料在本次設(shè)計(jì)中 我們不僅僅能提高專業(yè)知識 還提高了查閱專業(yè)設(shè)計(jì)手冊 圖冊的能力 并 熟悉相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn) 鍛煉獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力 提高操作繪圖軟件繪 制工程圖的熟練度等 重要的是能讓我們將理論知識運(yùn)用到實(shí)踐中去 提高 實(shí)踐能力 提出了一種雙足步行機(jī)器人 提高的裝置整體的效率和穩(wěn)定性 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 開 題 報(bào) 告 指導(dǎo)教師意見 1 對 文獻(xiàn)綜述 的評語 2 對本課題的深度 廣度及工作量的意見和對設(shè)計(jì) 論文 結(jié)果的預(yù) 測 3 是否同意開題 同意 不同意 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