3107 兩足行走機(jī)器人—身體及頭部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)
3107 兩足行走機(jī)器人—身體及頭部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì),行走,機(jī)器人,身體,頭部,結(jié)構(gòu),部分,部份,設(shè)計(jì)
南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)系 部 ： 機(jī)械工程系專(zhuān) 業(yè) ： 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué) 生 姓 名： 徐昕晏學(xué) 號(hào)：05010244設(shè) 計(jì) (論 文 )題 目 ： 兩足行走機(jī)器人—身體及頭部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)起 迄 日 期 : 2009 年 3 月 09 日 ~ 6 月 14 日設(shè)計(jì) (論文 )地點(diǎn) : 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院指 導(dǎo) 教 師 : 路建萍 劉艷 專(zhuān) 業(yè) 負(fù) 責(zé) 人 : 龔光容發(fā)任務(wù)書(shū)日期: 2009 年 2 月 26 日畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū)1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的：通過(guò)本設(shè)計(jì)，使學(xué)生熟悉機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)的一般過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論、專(zhuān)業(yè)知識(shí)和各項(xiàng)技能，著重培養(yǎng)設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析和解決問(wèn)題的能力，進(jìn)而總結(jié)、歸納和獲得合理結(jié)論，進(jìn)行較為系統(tǒng)的工程訓(xùn)練，初步鍛煉科研能力，提高論文撰寫(xiě)和技術(shù)表述能力。為實(shí)際工作奠定基礎(chǔ)，達(dá)到人才培養(yǎng)的目的與要求。2．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：技術(shù)要求：本機(jī)器人的總體功能為模擬人體動(dòng)作。設(shè)計(jì)兩足行走機(jī)器人—身體及頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)搖頭功能。工作任務(wù)：（1） 查閱資料 15 篇以上，翻譯外文資料 3000 字，撰寫(xiě)文獻(xiàn)綜述和開(kāi)題報(bào)告。（2） 完成身體及頭部結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)，繪制功能原理圖 1 份。（3） 繪制裝配圖 1 份 （0 號(hào)圖紙） ； 部件圖 1 份；零件圖若干。 （其中，至少有 1張圖紙使用計(jì)算機(jī)繪制）（4） 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1.5 萬(wàn)字左右。(打印)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū)3．對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、圖表、實(shí)物樣品等〕：(1)開(kāi)題報(bào)告(含文獻(xiàn)綜述)；(2)外文資料翻譯：3,000 漢字以上；(3)總體裝配圖： 1 張； (4)部件裝配圖 1 張；(5)主要零件圖：若干張 (總圖數(shù)約合 2 張 0號(hào)圖)；(6)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū),字?jǐn)?shù)不少于 10,000 字,并附有 200~300 漢字的中文摘要及相應(yīng)的英文摘要。所有設(shè)計(jì)圖表、論文撰寫(xiě)、參考文獻(xiàn)標(biāo)記等均應(yīng)符合本院的規(guī)范化要求。4．主要參考文獻(xiàn)：[1] 馬香峰.機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991.[2] 龔振邦等.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1995 年 6 月.[3] 吳瑞祥.機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994. [4] 熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996.[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 年 9 月.[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 年 4 月.[8] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì). 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007 年 7 月.[9] Ernest L. Hall et l. Robotics: A User-Friendly Introduction[M]. New York:CBS College Publishing,1985.[10] Yoram Koren. Robotics for Engineers[M]. McGraw-Hill Book Company, 1985.[11] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第 4 版）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.[12] 白井良明著. 王棣棠譯. 機(jī)器人工程[M]. 北京：科學(xué)出版社，2001 年 2 月.[13] 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.[14] 費(fèi)仁元等.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998.[15] 陳繼榮.智能電子創(chuàng)新制作[M]. 北京：科技出版社，2007.畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū)5．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃：起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容2009 年3 月 9 日～ 3 月 15 日3 月 16 日～ 3 月 22 日3 月 23 日～ 3 月 29 日3 月 30 日～ 4 月 5 日4 月 6 日～ 4 月 12 日4 月 13 日～ 4 月 26 日4 月 27 日～ 5 月 3 日5 月 4 日～ 5 月 10 日5 月 11 日～ 5 月 17 日5 月 18 日～ 5 月 24 日5 月 25 日～ 5 月 31 日6 月 1 日～ 6 月 7 日6 月 8 日～ 6 月 14 日選題，發(fā)放審題表及任務(wù)書(shū)，熟悉課題完成外文資料翻譯完成開(kāi)題報(bào)告(包含文獻(xiàn)綜述)查閱相關(guān)資料，提出幾種可行性方案 確定合理方案，進(jìn)行總體方案論證進(jìn)行結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)計(jì)算相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，選擇標(biāo)準(zhǔn)部件，熟悉相關(guān)軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)與修改，使之完善繪制總裝配圖，繪制零件圖整理相關(guān)資料，撰寫(xiě)并打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)初步提交設(shè)計(jì)成果（包括圖紙及論文） ，整改正式提交設(shè)計(jì)成果和設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)準(zhǔn)備論文答辯所在專(zhuān)業(yè)審查意見(jiàn)：負(fù)責(zé)人： 年 月 日系部意見(jiàn)：系部主任： 年 月 日南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯系 部： 機(jī)械工程系 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 姓 名： 徐昕晏 學(xué) 號(hào)： 05010244 外文出處： Michael Montemerlo and Sebastian Thrun 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：翻譯與外文資料的內(nèi)容基本相符，結(jié)構(gòu)基本完整，語(yǔ)言也比較通順，沒(méi)有大的語(yǔ)法錯(cuò)誤。 簽名： 年 月 日注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。附件 1：外文資料翻譯譯文高速撞擊：局部映射問(wèn)題的解決方法摘要局部同步以及對(duì)地圖中周?chē)h(huán)境的檢測(cè)能力是自動(dòng)機(jī)器人的首要考慮條件。然而，少數(shù)類(lèi)似的問(wèn)題增大了在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中所要處理的陸標(biāo)數(shù)目。以克爾曼過(guò)濾器為基礎(chǔ)的算法，比如，需要時(shí)間來(lái)綜合處理每個(gè)檢測(cè)傳感器上所傳達(dá)的二次陸標(biāo)。這個(gè)報(bào)告中的快速撞擊，一種循環(huán)估算機(jī)械手姿勢(shì)以及陸標(biāo)位置次序的算法。以對(duì)數(shù)形式在地圖上顯示具體坐標(biāo)。這一算法通過(guò)對(duì)產(chǎn)品要求的精確分析來(lái)規(guī)劃?rùn)C(jī)械手的工作路徑。該算法已經(jīng)成功地在多達(dá) 50,000個(gè)陸標(biāo)上運(yùn)行，客觀條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于以前。實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較了快速撞擊運(yùn)算法則分別在模擬和真是世界中里的優(yōu)勢(shì)和局限性。介紹同步局限影射的問(wèn)題，比如撞擊，已經(jīng)在機(jī)械可動(dòng)裝置技術(shù)中引起廣泛的注意。撞擊處理諸如利用機(jī)械手測(cè)量地圖中的建筑陸標(biāo)問(wèn)題。因?yàn)闄C(jī)械手運(yùn)動(dòng)受制于誤差，映射問(wèn)題必然導(dǎo)致機(jī)械手的局部問(wèn)題—撞擊。一個(gè)同步本土化機(jī)械手的能力以及對(duì)外界環(huán)境的反映是機(jī)械手自動(dòng)化的關(guān)鍵問(wèn)題。撞擊問(wèn)題算法的優(yōu)勢(shì)被介紹到鍛造工序報(bào)告中，我的以及基斯曼。這份報(bào)告介紹了廣泛卡曼過(guò)濾器估算機(jī)械手位置坐標(biāo)的方法。在后來(lái)的十年里，這種方法被廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械中，作為最近的指導(dǎo)報(bào)告。最近的研究已經(jīng)把重心集中在增大這種方法的運(yùn)用規(guī)模上，超過(guò)幾百個(gè)坐標(biāo)和運(yùn)算法則來(lái)處理這些數(shù)據(jù)。EFK方法的主要瓶頸問(wèn)題是它復(fù)雜的運(yùn)算。感應(yīng)器更新需要時(shí)間二次的坐標(biāo)數(shù)字的計(jì)算。這一個(gè)復(fù)雜事實(shí)的桿共分散基地維護(hù)藉著克爾曼過(guò)濾器有機(jī)械要素，全部定即使只是一個(gè)陸標(biāo)被觀察被更新。二次方程式的復(fù)雜行限制了陸標(biāo)的數(shù)目。這種方式只能處理少數(shù)的含有數(shù)百萬(wàn)特征的自然環(huán)境模型。研究所對(duì)這一缺點(diǎn)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究。在這個(gè)報(bào)告中，我們從一貝斯定理觀點(diǎn)來(lái)研究撞擊問(wèn)題。圖 1舉例說(shuō)明一生長(zhǎng)于蓋然性的模型（活動(dòng)區(qū)網(wǎng)絡(luò)之下的撞擊實(shí)驗(yàn)的大量合集。在個(gè)別項(xiàng)目中，機(jī)械手姿勢(shì)，指示 .機(jī)械手隨著時(shí)間進(jìn)行功能控制,指示 . 每一個(gè)陸測(cè)量,指示 .是那個(gè)位置的功能 陸標(biāo)測(cè)量和機(jī)械手姿勢(shì)當(dāng)測(cè)量被采取的時(shí)候從這一個(gè)線圖顯示撞擊問(wèn)題展現(xiàn)重要的獨(dú)立條件. 尤其，機(jī)械手的指導(dǎo)路徑 .客觀的坐標(biāo)測(cè)量.舉例來(lái)說(shuō), 如果給我們提供了機(jī)械手的精確路徑，坐標(biāo)的問(wèn)題就可以解決，而每個(gè)坐標(biāo). 這個(gè)觀察先前被墨菲［12］ 研究過(guò)，他發(fā)明了一個(gè)有效的粒子過(guò)濾算法映射技術(shù)。基于這篇觀察報(bào)告，這篇論文描述了一個(gè)被稱(chēng)作高速撞擊的有效撞擊運(yùn)動(dòng)規(guī)律。高速撞擊實(shí)驗(yàn)把撞擊問(wèn)題簡(jiǎn)化為一個(gè)局部的機(jī)器撞擊問(wèn)題。由裝在機(jī)器手上的儀器來(lái)進(jìn)行標(biāo)記的收集估算。正如在參考文獻(xiàn)[12]中所評(píng)論的那樣，這些現(xiàn)象是直觀的，因?yàn)樽匀粭l件下的撞擊問(wèn)題的緣故。高速撞擊通過(guò)使用一個(gè)改裝過(guò)的粒子加速器來(lái)測(cè)量機(jī)械手的后部路徑。每個(gè)粒子控制克爾曼加速器來(lái)測(cè)量K粒子在一定條件路徑下的位置陸標(biāo)。如參考文獻(xiàn)[5, 13]Rao-Blackwellized粒子加速器的例子就是所呈現(xiàn)現(xiàn)象的規(guī)律。落實(shí)這個(gè)天真想法的計(jì)算機(jī)算法需要MK的時(shí)間。M是下圖中的粒子數(shù)。圖 1 撞擊問(wèn)題機(jī)械手從姿勢(shì) S1 按照 U1，U2。 。 。 。UX 的序列開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。當(dāng)它移動(dòng)時(shí)，它檢測(cè)周?chē)年憳?biāo)，在時(shí)間 t=1 時(shí)，它檢測(cè)到了兩個(gè)陸標(biāo) 中的 。測(cè)量代號(hào) Z（范圍或方位） 。在時(shí)間 t=1 時(shí)，它檢測(cè)到了另一個(gè)陸標(biāo) ，而在時(shí)間 t=3時(shí)，它再一次檢測(cè)到了陸標(biāo) 。撞擊問(wèn)題的核心是通過(guò)控制 U 和測(cè)量 Z 來(lái)估算陸標(biāo)的位置和機(jī)械手的路徑。陰影部分闡述了在這一獨(dú)立條件下他們之間的關(guān)系。粒子加速器和 K 粒子是陸標(biāo)的數(shù)字符號(hào)。我們建立了一種以數(shù)枝模型為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)放慢高速撞擊的時(shí)間，使它比現(xiàn)在基于撞擊算法的 EKF 更快。我們同樣可以擴(kuò)充高速撞擊的算放來(lái)適應(yīng)新的數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)和未知的陸標(biāo)符號(hào)，這意味著我們的方法可以被推廣到所有學(xué)術(shù)討論的撞擊問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)通過(guò)使用物理機(jī)器人和模擬機(jī)器人來(lái)表明高速撞擊算法能比現(xiàn)今的方法更好地處理量的大小次序問(wèn)題。我們同樣發(fā)現(xiàn)在特定的情況下，陸標(biāo) K 數(shù)目的增長(zhǎng)導(dǎo)致了粒子 M 樹(shù)目的輕微減少，需要產(chǎn)生精確的地圖——然而在其他情況下，由于粒子數(shù)目的關(guān)系，對(duì)精確地圖的要求數(shù)量可能大到難以想象的地步。撞擊問(wèn)題的定義撞擊問(wèn)題，正如學(xué)術(shù)界對(duì)撞擊的定義那樣，被很好的描述成一個(gè) Markov 鏈概率問(wèn)題。機(jī)械手在時(shí)間 t 的姿勢(shì)將被表示成符號(hào) 。因?yàn)闄C(jī)械手在平臺(tái)上的操作——所有我們實(shí)驗(yàn)的工作箱，姿勢(shì)包括機(jī)械手在平臺(tái)上的 XY 軸方向和頭部方向的協(xié)調(diào)。 姿勢(shì)按照一定的規(guī)則改變，通常依照以下的運(yùn)動(dòng)模型。（1） 這里，ST 是機(jī)械手控制 UT 以及先前姿勢(shì) ST-1 的功能狀態(tài)。在可動(dòng)機(jī)械手裝置中，這個(gè)運(yùn)動(dòng)規(guī)律屬于無(wú)時(shí)間變化的一般化的機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)。機(jī)械手環(huán)境控制著 K 粒子的固定陸標(biāo)。沒(méi)個(gè)陸標(biāo)由它的空間位置所表示，例如 是 K=1，2，3，4…..K. 沒(méi)有損失的概率 ,我們可以想象在平面上陸標(biāo)的點(diǎn)的方式存在,所以位置有固定的兩個(gè)數(shù)字所確定.為了反映環(huán)境,機(jī)械手能檢測(cè)陸標(biāo).比如,它可以檢測(cè)一個(gè)陸標(biāo)的范圍和方位,與圖表上的 XY 坐標(biāo)想聯(lián)系.對(duì)時(shí)間 t 的測(cè)量被表示成 ZT.在時(shí)間 t 的測(cè)量結(jié)果將被標(biāo)記成 Zt。機(jī)械手通常能同時(shí)檢測(cè)到多個(gè)陸標(biāo)，我們假設(shè)測(cè)量傳感器能精確檢測(cè)每個(gè)陸標(biāo)并給每個(gè)陸標(biāo)以標(biāo)記符號(hào)。為了數(shù)學(xué)上的便利這個(gè)慣例被獨(dú)立地繼承下來(lái)。它沒(méi)有移動(dòng)的限制，因?yàn)楸粰z測(cè)多重陸標(biāo)每個(gè)階段可按一定次序進(jìn)行處理。測(cè)量感應(yīng)器由概率定理所規(guī)范，通常依照以下的測(cè)量模式：。這里 是所有陸標(biāo)中的一組，而是在時(shí)間 t 檢測(cè)到的復(fù)式陸標(biāo)。例如，在圖 1 中，當(dāng) N1=1，N2=2 而 N3=1時(shí)，機(jī)械手檢測(cè)到第一個(gè)陸標(biāo) ，然后第二個(gè)陸標(biāo) ，最后再檢測(cè)第一個(gè)陸標(biāo)。許多測(cè)量模式都假設(shè)機(jī)械手能檢測(cè)陸標(biāo)的范圍和方位，被測(cè)量噪音所限制。變量 Nt 通常被認(rèn)為是常量。大多數(shù)學(xué)術(shù)上的理論研究都假設(shè)信息是統(tǒng)一或者不一致的，陸標(biāo)是可以獨(dú)立確定下來(lái)的。實(shí)際方法是使用最大可能性測(cè)量方法來(lái)檢測(cè)空中的通信信息，當(dāng)每個(gè)陸標(biāo)之間有足夠的距離時(shí)工作良好。通過(guò)這篇報(bào)告我們可以簡(jiǎn)單推測(cè)出陸標(biāo)是可以確定的，但我們?nèi)詫⒂懻摐y(cè)量通信數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展。我們現(xiàn)在準(zhǔn)備將撞擊問(wèn)題公式化。多數(shù)時(shí)候，撞擊問(wèn)題就是從檢測(cè)結(jié)果和控制過(guò)程中確定陸標(biāo)的位置和機(jī)械手的位置?？赡艿脑?，這些由后部所表示，我們使用手寫(xiě)體 t 來(lái)表示時(shí)間變量。如果條件是已知的，撞擊問(wèn)題就簡(jiǎn)單明了了： 。正如介紹中所討論的那樣，當(dāng)明確了機(jī)械手的路徑和變量條件后，所有獨(dú)立陸標(biāo)是可以確定下來(lái)的。這個(gè)獨(dú)立條件是高速撞擊算法的基礎(chǔ)。高速撞擊的相似性我們從一個(gè)重要的被我們熟知的粒子 開(kāi)始我們的討論。砰然聲問(wèn)題的有條件獨(dú)立特性暗示，在后的者能依下列各項(xiàng)被因素：按照一定順序排列，問(wèn)題能被分解進(jìn)入之內(nèi)估計(jì)問(wèn)題，一個(gè)結(jié)束估計(jì)后部的問(wèn)題機(jī)械手小徑之中。和估計(jì)定線的問(wèn)題也是K粒子的路標(biāo)符號(hào)。砰然聲問(wèn)題：機(jī)械手從姿勢(shì)移動(dòng)透過(guò)一個(gè)控制的順序，因?yàn)樗苿?dòng)，它觀察附近的陸標(biāo)。在時(shí)間, 它觀察陸標(biāo)在二個(gè)陸標(biāo)中，測(cè)量被指示（范圍和橋承）.在時(shí)間, 它觀察另一個(gè)陸標(biāo)，，而且在時(shí)間, 它觀察再次。砰然聲問(wèn)題是與估計(jì)陸標(biāo)的定線有關(guān)和那控制的機(jī)械手的小徑而且測(cè)量灰色蔭影舉例說(shuō)明一個(gè)有條件的獨(dú)立關(guān)系。顆粒過(guò)濾器和陸標(biāo)的數(shù)目是。我們發(fā)展減少轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)以樹(shù)枝狀模型為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)高速的時(shí)候到制造它重要地比存在 EKF 建立的砰然聲運(yùn)算法則快速。我們也和未知者把運(yùn)算法則擴(kuò)充到情形數(shù)據(jù)公會(huì)和陸標(biāo)的未知數(shù)目，成績(jī)我們的引橋能被延長(zhǎng)到那完全類(lèi)型的砰然聲問(wèn)題在文學(xué)中討論。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果使用一個(gè)實(shí)際的機(jī)械手和一個(gè)機(jī)械手模擬計(jì)舉例說(shuō)明，運(yùn)算法則能處理大小等級(jí)型較多的陸標(biāo)超過(guò)現(xiàn)今引橋。我們也可以在特定的情形中找那，一個(gè)陸標(biāo)的數(shù)目對(duì)一個(gè)軟的還原導(dǎo)線顆粒的數(shù)目需要發(fā)生正確地圖－然而在其他者里面顆粒的數(shù)目必需的因?yàn)檎_映射。結(jié)論我們正在討論的高速撞擊算法，是一個(gè)全新解決地圖檢測(cè)以及定位的有效手段。這個(gè)算法利用 Rao-Blackwellized 來(lái)表示次序，整合了粒子加速器以及克爾曼加速器的理論。類(lèi)似于 Murphy 的工作，高速撞擊是建立在撞擊問(wèn)題內(nèi)部固有特性的基礎(chǔ)上的。然而，Murphy 的方法堅(jiān)持使用不連續(xù)的數(shù)值標(biāo)記地圖上的坐標(biāo)方格，因此極大地限制了地圖的尺寸。他的方法也沒(méi)有處理好數(shù)據(jù)的整合問(wèn)題，并沒(méi)有使之在地圖上以方格形式呈現(xiàn)出來(lái)。在高速撞擊問(wèn)題中，陸標(biāo)估算利用樹(shù)枝狀模型來(lái)表示。對(duì)較后次序的時(shí)間進(jìn)行了更新，M 是粒子的數(shù)目而 K 是陸標(biāo)的符號(hào)。這與較復(fù)雜且普遍的克爾曼過(guò)濾器對(duì)撞擊問(wèn)題的解決方法是有差異的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相比于以前的方法高速撞擊能在地圖上建立天文數(shù)量級(jí)的陸標(biāo)數(shù)量。同時(shí)他們也表明在某種情況下，無(wú)論路標(biāo)數(shù)目的多少，少量粒子仍可運(yùn)轉(zhuǎn)良好。南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表學(xué)生姓名 徐昕晏 學(xué) 號(hào) 05010244 指導(dǎo)教師 路建萍 劉 艷課題名稱(chēng) 兩足行走機(jī)器人——身體及頭部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)難易程度 偏難 適中 √ 偏易選題情況工作量 較大 合理 √ 較小任務(wù)書(shū) 有 √ 無(wú)開(kāi)題報(bào)告 有 √ 無(wú)符合規(guī)范化 的要求外文翻譯質(zhì)量 優(yōu) 良 中 √ 差學(xué)習(xí)態(tài)度、出勤情況 好 一般 √ 差工作進(jìn)度 快 按計(jì)劃進(jìn)行 √ 慢中期工作匯報(bào)及解答問(wèn)題情況優(yōu) 良 √ 中 差中期成績(jī)?cè)u(píng)定：良所在專(zhuān)業(yè)意見(jiàn)：在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，工作積極主動(dòng)，學(xué)習(xí)態(tài)度良好，能夠按要求完成老師布置的各項(xiàng)任務(wù)。負(fù)責(zé)人： 年 月 日 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告學(xué) 生 姓 名： 徐昕晏學(xué) 號(hào)：05010244專(zhuān) 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)器人頭 部 及 身 體 結(jié) 構(gòu) 部 分 的 設(shè) 計(jì) 指 導(dǎo) 教 師 : 路建萍 劉艷 2009 年 3 月 22 日開(kāi)題報(bào)告填寫(xiě)要求1．開(kāi)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(jiàn)及所在專(zhuān)業(yè)審查后生效；2．開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書(shū)寫(xiě)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(yè)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(jiàn)；3． “文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書(shū)寫(xiě)（或打?。┰诒鹃_(kāi)題報(bào)告第一欄目?jī)?nèi)，學(xué)生寫(xiě)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(shū)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(xiě)，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(shū)寫(xiě)。如“2009 年 3 月 15 日”或“2009-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 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(xiě)2000 字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述摘要 本文有四個(gè)部分，詳細(xì)介紹了研究機(jī)器人的原因，兩足步行機(jī)器人的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外兩足步行機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞 原因 前景 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1 研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人的原因世界著名機(jī)器人學(xué)專(zhuān)家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說(shuō)過(guò)：“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(kāi)辟了無(wú)限廣闊的前景研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人的原因，概括起來(lái)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(lèi)的活動(dòng)領(lǐng)域。(2)我們希望更多地了解和掌握人類(lèi)的步行特性，并利用這些特性為人類(lèi)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)器人應(yīng)用前景實(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(lái)說(shuō)，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(wèn)題 [2]。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(lái)看，兩足步行機(jī)器人在無(wú)人工廠、核電站、海底開(kāi)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 [3]。3 兩足步行機(jī)器人研究的現(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(kāi)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 [4]。1985年，美國(guó)的Hodgins和Raibert等人研制了一個(gè)用來(lái)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(guò)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) [5]。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-1和SD-2。SD-l具有4個(gè)自由度，SD-2則有8個(gè)自由度。其中，SD-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-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) [6] 。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(wèn)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-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(lèi)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 [7]。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。我國(guó)從80年代中期才開(kāi)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) [8]。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) [9]。我們南京航空學(xué)院從1989年秋天起也開(kāi)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 [10]?？傆^起來(lái)，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) [11]。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 [12]。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 [13]！4 兩足步行機(jī)器人研究的發(fā)展趨勢(shì)概括起來(lái)，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) [14，15] 。6結(jié)束語(yǔ)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(lái)，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] Todd D J .Walking machines ,an introduction to legged robots Kogan Page Ltd[J].London,1985. 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[14] 費(fèi)仁元等.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998.[15] 兵工 210 所. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用[J]. 雙月刊,有關(guān)文章. 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告２．本課題要研究或解決的問(wèn)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—頭部及身體結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)頭部擺動(dòng)及身體轉(zhuǎn)動(dòng)的功能。主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)是機(jī)器人頭部的自由擺動(dòng)問(wèn)題以及與身體運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)問(wèn)題。我們小組設(shè)計(jì)小組選擇簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模擬人類(lèi)行走的機(jī)器人，以此提高我們的機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。 我們采用以下創(chuàng)新點(diǎn)(1) 采用頸部三自由度、顎部一個(gè)自由度，身體兩個(gè)自由度的方案。使頭部以及身體部分能分別依照各自自由度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。（2）采用傳統(tǒng)機(jī)器人的自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合傳感器技術(shù),利用程序控制機(jī)器人的動(dòng)作。（3）頭部與身體可同時(shí)分別做旋轉(zhuǎn)，互不干擾。（4）充分體現(xiàn)了以機(jī)為主、機(jī)電結(jié)合的特色。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告指導(dǎo)教師意見(jiàn)：1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語(yǔ)：該生在文獻(xiàn)綜述中，對(duì)雙足行走機(jī)器人的方展現(xiàn)狀及功能進(jìn)行了較為詳細(xì)地綜述，緊扣研究課題。2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)：該課題要求學(xué)生實(shí)際動(dòng)手，設(shè)計(jì)雙足行走機(jī)器人頭部結(jié)構(gòu)。其課題深度、廣度及工作量符合本科畢業(yè)設(shè)計(jì)地要求。指導(dǎo)教師： 年 月 日所在專(zhuān)業(yè)審查意見(jiàn)：負(fù)責(zé)人： 年 月 日南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題、審題表姓 名 路建萍 劉艷系 部 機(jī)械工程系指導(dǎo)教師專(zhuān)業(yè)技術(shù)職 務(wù) 工程師 助教課題名稱(chēng) 兩足行走機(jī)器人——身體及頭部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)適用專(zhuān)業(yè) 機(jī)械工程及自動(dòng)化A B C D E A B C D課題性質(zhì)√ 課題來(lái)源 √大 適中 小 難 適中 易課題預(yù)計(jì)工作量大小 √課題預(yù)計(jì)難易程度 √課題簡(jiǎn)介本課題源于“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(lèi)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(wàn)的傳感器和復(fù)雜的控制系統(tǒng)使這類(lèi)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(lèi)行走的機(jī)器人。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。課題應(yīng)完成的任務(wù)和對(duì)學(xué)生的要求1、課題調(diào)研、查閱資料，撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告及外文翻譯； 2、總體方案論證及選擇； 3、完成機(jī)器人身體及搖頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 4、繪制總體裝配圖、部件裝配圖和主要零件的零件圖；5、撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。所在專(zhuān)業(yè)審定意見(jiàn)：專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人(簽名)： 年 月 日注：本課題由 徐昕晏 同學(xué)選定，學(xué)號(hào)： 05010244 注：1．該表由指導(dǎo)教師填寫(xiě)，經(jīng)所在專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人簽名后生效，作為該專(zhuān)業(yè)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題使用；2．有關(guān)內(nèi)容的填寫(xiě)見(jiàn)背面的填表說(shuō)明，并在表中相應(yīng)欄內(nèi)打“√” ；3．課題一旦被學(xué)生選定，此表須放在學(xué)生“畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料袋”中存檔。填 表 說(shuō) 明1．該表的填寫(xiě)只針對(duì) 1 名學(xué)生做畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)選擇使用，如同一課題由 2 名及 2 名以上同學(xué)選擇，應(yīng)在申報(bào)課題的名稱(chēng)上加以區(qū)別（加副標(biāo)題） ，并且在“設(shè)計(jì)（論文）要求”一欄中說(shuō)明。2． “課題性質(zhì)”一欄：A．產(chǎn)品設(shè)計(jì)；B．工程技術(shù)研究；C．軟件開(kāi)發(fā)；D．研究論文或調(diào)研報(bào)告E．其它。3． “課題來(lái)源”一欄：A．自然（社會(huì)）科學(xué)基金與?。ú浚?、市級(jí)以上科研課題；B．企、事業(yè)單位委托課題；C．校、院（系）級(jí)基金課題；D．自擬課題。4． “課題簡(jiǎn)介”一欄：主要指該課題的背景介紹、理論意義或?qū)嵱脙r(jià)值。南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)前期工作材料學(xué) 生 姓 名 : 徐昕晏 學(xué) 號(hào)： 0501024系 部 : 機(jī)械工程系專(zhuān) 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—身體及頭部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)指 導(dǎo) 教 師 : 路建萍 劉艷 工程師 助教材 料 目 錄序號(hào) 名 稱(chēng) 數(shù)量 備 注1 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)選題、審題表 12 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū) 13 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告〔含文獻(xiàn)綜述〕 14 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯〔含原文〕 15 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表 12009 年 5 月 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 1 頁(yè) 共 28 頁(yè)1 緒論1.1 引言什么是機(jī)器人呢?在國(guó)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(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)認(rèn)為“機(jī)器人是一種用于移動(dòng)各種材料、零件的工具或?qū)Ｓ醚b置；是通過(guò)程序動(dòng)作來(lái)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)也有類(lèi)似的定義。日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)(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(dòng)來(lái)代替人類(lèi)勞動(dòng)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(lái)解釋?zhuān)J(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(lèi)似動(dòng)作的多功能機(jī)器” ，智能機(jī)器人是“一種具有感覺(jué)和識(shí)別能力，并能夠控制自身行為的機(jī)器” 。我國(guó)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(dòng)作；（2）具有智力或感覺(jué)與識(shí)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(kāi)始出現(xiàn)。60 年代美國(guó)的 Consolidatedcontry 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(lái)，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(zhuān)門(mén)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(guò)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 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 2 頁(yè) 共 28 頁(yè)作。目前的各類(lèi)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(guò)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(chēng)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(guó)防建設(shè)等方面發(fā)揮巨大作用?？梢灶A(yù)見(jiàn)到，機(jī)器人將在 21 世紀(jì)人類(lèi)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(mén)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。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(lèi)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(lè)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 [2]。1.3 雙足機(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(lái)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(jí)到高級(jí)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)樗哂辛? 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 3 頁(yè) 共 28 頁(yè)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(wèn)題己經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。擬人機(jī)器人的研制工作開(kāi)始于20 世紀(jì) 60 年代，短短的幾十年時(shí)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(dòng)方式主要包括輪式、履帶式、爬行式、蠕動(dòng)式以及步行等方式。對(duì)輪式和履帶式移動(dòng)機(jī)器人的研究主要集中在自主運(yùn)動(dòng)控制上，如避障路徑規(guī)劃等。這兩種機(jī)器人過(guò)分依賴(lài)于周?chē)h(huán)境，應(yīng)用范圍受限。爬行和蠕動(dòng)式機(jī)器人主要用于管道作業(yè)，具有良好的靜動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，但速度較低。常見(jiàn)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(duì)較小，對(duì)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(dòng)盲區(qū)很小等優(yōu)良的移動(dòng)品質(zhì)，格外引人注目。首先，對(duì)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(guò)機(jī)器人自行選擇最佳的支撐點(diǎn)，獲得最佳的移動(dòng)性能。而輪式移動(dòng)機(jī)器人通常要求連續(xù)的、硬質(zhì)的支撐路面，對(duì)于惡劣的支撐路面，它只能被動(dòng)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(zhǎng)相當(dāng)?shù)恼系K物，甚至跳越障礙，而輪式移動(dòng)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(zhuān)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(shuō)來(lái)，機(jī)器人的步行方式有兩種，即靜態(tài)步行與動(dòng)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(guò)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(dòng)態(tài)步行與之不同，必須考慮慣性力的影響，行走過(guò)程中要滿足動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)步行的特例。和輪式、履帶式、爬行式、蠕動(dòng)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(shí)，也存在很多的技術(shù)難關(guān)，穩(wěn)定步行和高速運(yùn)動(dòng)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(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的精確求解非常困難，而且也沒(méi)有十分理想的理論或方法來(lái)求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(lái)求解運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(dòng)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)有較大的出入。所以，迄今為止雙足步行機(jī)器人還是以 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 4 頁(yè) 共 28 頁(yè)“靜步行”為主，特點(diǎn)是步速較低、步幅較小，其運(yùn)動(dòng)性能與人類(lèi)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(wèn)題等待我們?nèi)ソ鉀Q。雙足步行是生物界最難的動(dòng)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(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。同時(shí)，雙足步行機(jī)器人具有多關(guān)節(jié)、多驅(qū)動(dòng)、多傳感器，而且具有冗余自由度，這給控制研究帶來(lái)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(tái)，因此，對(duì)雙足步行機(jī)器人的研究具有很高的理論價(jià)值，引起國(guó)內(nèi)外無(wú)數(shù)專(zhuān)家學(xué)者的矚目 [4]。為了促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展，全國(guó)各地尤其是部分高校舉辦了各種類(lèi)型的機(jī)器人大賽。中國(guó)機(jī)器人大賽是由中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)機(jī)器人競(jìng)賽工作委員會(huì)和科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心主辦的一個(gè)全國(guó)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(guó)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(méi)有出現(xiàn)步行機(jī)器人參賽。由此可見(jiàn)，雙足步行機(jī)器人的發(fā)展還有一段很長(zhǎng)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(guò)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(tái)，為進(jìn)一步的擬人機(jī)器人研制奠定基礎(chǔ)。1.3.3 國(guó)外研究概況擬人機(jī)器人的研究是一個(gè)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(kāi)發(fā)出不少擬人機(jī)器人系統(tǒng)。例如會(huì)演奏鋼琴的機(jī)器人、雙足步行機(jī)器人以及電動(dòng)假肢等。該研究室的帶頭人高西淳夫教授說(shuō):“人格化機(jī)器人的一個(gè)很大特征就是它具有與人類(lèi)相近的結(jié)構(gòu)。機(jī)器人與人類(lèi)的共存是我們研究開(kāi)發(fā)的課題之一” 。當(dāng)今世界，有“機(jī)器人王國(guó)”之稱(chēng)的日本在雙足步行機(jī)器人研究領(lǐng)域處于絕對(duì)領(lǐng)先地位， 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 5 頁(yè) 共 28 頁(yè)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(kāi)了雙足步行機(jī)器人的研制工作，并先后研制出場(chǎng)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(gè)自由度，每條腿有骼、膝、踩三個(gè)關(guān)節(jié)；關(guān)節(jié)處使用人造橡膠肌肉，通過(guò)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(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(jué)、聽(tīng)覺(jué)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(guò)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 95 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(guò)軀體運(yùn)動(dòng)來(lái)補(bǔ)償下肢的任意運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了步行周期 23 秒，步幅 30cm 的平地動(dòng)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(cè)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(jué)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(duì)下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)做出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(dòng)技術(shù)以及可順暢地與人同步動(dòng)作的技術(shù)等，使其更容易適應(yīng)人類(lèi)的生活空間，通過(guò)提高雙腳步行技術(shù)使其更接近人類(lèi)的步行方式。雙腳步行技術(shù)方面采用了新開(kāi)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(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(lái)改變步調(diào)。以往由于不能進(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，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(lè)型機(jī)器人 SDR-3X(Sony DreamRobot 一 3x)。SDR 一 3X：頭部 2 個(gè)、 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 6 頁(yè) 共 28 頁(yè)軀干 2 個(gè)、手臂 4×2 個(gè)、下肢和足部 6×2 個(gè)，共計(jì) 24 個(gè)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(kāi)發(fā)出了研究用類(lèi)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(gè)。通過(guò)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(guó)際委員會(huì)宣布將從 2002 年 6 月 20 日起在日本的福岡與韓國(guó)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(lèi)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(shí)世界冠軍隊(duì)的自律型機(jī)器人隊(duì)伍” ，這一夢(mèng)想將由雙足步行機(jī)器人來(lái)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(kāi)發(fā)出一臺(tái)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(qǐng)民間藝術(shù)家跳舞，用特殊攝像機(jī)拍攝后將畫(huà)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(lái)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。除了日本之外，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等也對(duì)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(guó)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(tái)雙足步行機(jī)器人，分別命名為 SD-1 和 SD-2，SD-1 具有 4 個(gè)自由度，SD-2 具有 8 個(gè)自由度，其中SD-2 是美國(guó)第一臺(tái)真正類(lèi)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(dòng)態(tài)步行。1971 年至1986 年間，英國(guó)牛津大學(xué)的 Witt 等人制造并完善了一個(gè)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(dòng)式步行機(jī)器人(靠關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng))。加拿大的 d·McGeer 主要研究被動(dòng)式雙足步行機(jī)器人，即在無(wú)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，他建立了平面型的雙足步行機(jī)構(gòu)，兩腿為直桿機(jī)構(gòu)，沒(méi)有膝關(guān)節(jié)，每條腿上各有一個(gè)小電機(jī)來(lái)控制腿的伸縮，無(wú)任何主動(dòng)控制和能量供給，放在斜坡上，可依靠重力實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步行。目前，主動(dòng)和被動(dòng)式雙足步行機(jī)器人在研究上很少互相借鑒。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(kāi)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(kāi)展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃， 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 7 頁(yè) 共 28 頁(yè)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(kāi)發(fā)列入其中。目前我國(guó)從事機(jī)器人研究與應(yīng)用開(kāi)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。自1985 年以來(lái)，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(guó)防科技大學(xué)較為成果顯著。在自然科學(xué)基金和國(guó)家“863”計(jì)劃的支持下，哈爾濱工業(yè)大學(xué)自 1985 年開(kāi)始研制雙足步行機(jī)器人，迄今為止己經(jīng)完成三個(gè)型號(hào)的研制工作。1988 年哈工大 HIT-I 型雙足步行機(jī)器人問(wèn)世，HIT-I 型雙足步行機(jī)器人具有 10 個(gè)自由度，重 100kg，高 1.2m，關(guān)節(jié)由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，屬于靜步態(tài)行走。HIT-Ⅰ具有 12 個(gè)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-Ⅱ具有 12 個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)采用兩電機(jī)交叉結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)自由度，腿部結(jié)構(gòu)采用了圓筒形結(jié)構(gòu)。HIT-Ⅲ實(shí)現(xiàn)了靜步態(tài)行和動(dòng)步態(tài)步行，能夠完成前/后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階及上斜坡等動(dòng)作。1988 年春，國(guó)防科技大學(xué)成功研制出我國(guó)第一臺(tái)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(dòng)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(guó)防科技大學(xué)在自 1986 年開(kāi)始研制的雙足步行機(jī)器人的基礎(chǔ)上，成功研制出我國(guó)第一臺(tái)擬人機(jī)器人“先行者” ，并通過(guò)國(guó)家“863”項(xiàng)目專(zhuān)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(guò)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(dòng)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(guò)國(guó)家“863”項(xiàng)目組的驗(yàn)收。這個(gè)機(jī)器人身高 1.58m，體重 76kg，具有 32 個(gè)自由度，每小時(shí)能夠行走 1km，步幅 0.33m。驗(yàn)收專(zhuān)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(jué)、平衡覺(jué)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(guó)成為繼日本之后，第二個(gè)研制出無(wú)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機(jī)器人國(guó)家。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 8 頁(yè) 共 28 頁(yè)2 雙足機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 引言雙足步行機(jī)器人本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)是研究機(jī)器人的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)的好壞直接影響到機(jī)器人后續(xù)的研究工作。以雙足類(lèi)人結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，各研究結(jié)構(gòu)研制的雙足機(jī)器人在自由度，驅(qū)動(dòng)方式，重量，高度與結(jié)構(gòu)特征等方面都存在很大的差異。機(jī)器人結(jié)構(gòu)的不同，其控制的方式也有所不同。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(lèi)自身的模仿，但是人類(lèi)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(lái)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，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(lèi)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，骸部再加一個(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(骸關(guān)節(jié) 3 個(gè)，膝關(guān)節(jié) 1 個(gè)，踝關(guān)節(jié) 3 個(gè))。但是，無(wú)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(踝關(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-m、國(guó)防科技大的“先行者” 、本田公司的AsIMO 和索尼公司的 SDR 和 QRIO。具有 6×2 個(gè)自由度的機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制都特別的復(fù)雜。按照在能完成研究目標(biāo)的情況下，自由度最少的設(shè)計(jì)原則，在過(guò)去的四十年中，為了不同的研究目標(biāo)，人們?cè)O(shè)計(jì)了許多具有不同自由度的兩足步行機(jī)器 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 9 頁(yè) 共 28 頁(yè)人，按照行走過(guò)程中的穩(wěn)定方式，兩足步行機(jī)器人一般分為三類(lèi):(1) 靜態(tài)機(jī)器人，這類(lèi)步行機(jī)器人的 COM(Censer of Mass)始終處于支撐多邊形(單腳支撐期為支撐腳的輪廓線，雙腳支撐期為兩只腳的外邊沿所圍成的凸多邊形)內(nèi)，所以只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)行走；(2) 動(dòng)態(tài)機(jī)器人，這類(lèi)步行機(jī)器人有踝關(guān)節(jié)，依靠踝關(guān)節(jié)來(lái)保證它的 ZMP 點(diǎn)(Zero Momeni Censer)始終處于支撐多邊形內(nèi)，所以可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)行走和動(dòng)態(tài)行走；(3) 全動(dòng)態(tài)機(jī)器人，這類(lèi)步行機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)，甚至沒(méi)有踝關(guān)節(jié)所以，支撐多邊形在單腳支撐期縮小成一個(gè)點(diǎn)，在雙腳支撐期縮小為一條線段，所以，這類(lèi)機(jī)器人不能保持靜態(tài)平衡，只能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)行走 [8， 9] 。自由度數(shù)最少的兩足步行機(jī)器人只有一個(gè)自由度，如圖 2.1 所示。這類(lèi)機(jī)器人沒(méi)有軀干，兩條腿直接鉸鏈在一起。這類(lèi)機(jī)器人理論上只有一個(gè)自由度，實(shí)際上，為了防止擺動(dòng)腿擺動(dòng)時(shí)和地面干涉，這兩條腿都必須是可以伸縮的。加上這兩個(gè)平移自由度，這個(gè)機(jī)器人實(shí)際上有 3 個(gè)自由度。它的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是平面的，沒(méi)有側(cè)向運(yùn)動(dòng)，在徑向平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)象一個(gè)兩腳圓規(guī)。在雙腳支撐期，沒(méi)有冗余自由度。這類(lèi)兩足步行機(jī)器人不能保持靜態(tài)平衡，屬于完全動(dòng)態(tài)機(jī)器人，在僅受重力作用時(shí)，可以在斜面上行走。圖 2.1 一個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人2.3 雙足機(jī)器人的自由度配置我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)雙足步行機(jī)器人模型，如圖 2.2 所示。顯著的結(jié)構(gòu)特征就是采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)平地前后行、爬斜坡等功能。動(dòng)力源采用舵機(jī)直接動(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)源全為電機(jī)，便于集中控制和程序化控制。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 10 頁(yè) 共 28 頁(yè)圖 2.2 雙足步行機(jī)器人模型圖 2.2 模仿人類(lèi)，肩關(guān)節(jié)三個(gè)自由度，前向和側(cè)向自由度，一般不考慮轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。肘關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度前向和側(cè)向自由度，腕關(guān)節(jié)一個(gè)自由度。踝關(guān)節(jié)有兩個(gè)自由度，前向和側(cè)向自由度:膝關(guān)節(jié)只有一個(gè)前向自由度，髖關(guān)節(jié)處要模擬人類(lèi)髖關(guān)節(jié)行為理論上要求有三個(gè)正交的自由度，但在機(jī)器人直線前進(jìn)時(shí)只需要正交的前向和側(cè)向自由度，同樣不考慮 [5， 6] 。2.3.1 頭部及身體結(jié)構(gòu)規(guī)劃 在頭部裝有一個(gè)舵機(jī)，可實(shí)現(xiàn) Z 軸一個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)。身體內(nèi)部空心以降低重心，提高機(jī)器人步行的穩(wěn)定性。頭部結(jié)構(gòu)如圖 2.3 所示。身體結(jié)構(gòu)如圖 2.4，圖 2.5所示。圖 2.3 頭部零件 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 11 頁(yè) 共 28 頁(yè)圖 2.4 機(jī)器人的身體結(jié)構(gòu)圖 2.5 機(jī)器人的身體結(jié)構(gòu)2.4 驅(qū)動(dòng)方式的選擇驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)本體各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)功率。目前驅(qū)動(dòng)方式主要有氣動(dòng)、液壓和伺服電機(jī)。驅(qū)動(dòng)器在雙足步行機(jī)器人中的作用就相當(dāng)于人體的肌肉，如果把連桿以及關(guān)節(jié)想象為機(jī)器人的骨骼，那么驅(qū)動(dòng)器就起到肌肉的作用，它通過(guò)移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)連桿來(lái)改變機(jī)器人的構(gòu)型。驅(qū)動(dòng)器必須有足夠的功率對(duì)負(fù)載加速或者減速。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器本身要精確、靈敏、輕便、經(jīng)濟(jì)、使用方便可靠且易于維護(hù) [11 ，12] 。目前己經(jīng)有很多種驅(qū)動(dòng)器，常用的有以下幾種:(1)電動(dòng)機(jī):舵機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)；(2)液壓驅(qū)動(dòng)器；(3)氣壓驅(qū)動(dòng)器；(4)形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器；(5)磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器等。液壓驅(qū)動(dòng)是由高精度的剛體和活塞一起完成的?；钊蛣傮w采用滑動(dòng)配合，壓力油從液壓缸的一端進(jìn)入，把活塞推向液壓缸的另一端，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)部活塞兩端的液體壓力和進(jìn)入液壓缸的油量即可控制活塞的運(yùn)動(dòng)。以前在大型的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，液壓系統(tǒng)使用非常普遍，它具有驅(qū)動(dòng)力矩大，功率重量比較高，工作平穩(wěn)可靠，系統(tǒng)響應(yīng)速度快以及傳動(dòng)中的力、速度、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等特點(diǎn)；但是也存在成本高、重量大、工藝復(fù)雜以及可能發(fā)生泄漏甚至高溫爆炸等缺點(diǎn)，同時(shí)因其固有的笨重性，不宜用作雙足步行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器。氣動(dòng)具有成本低、控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。氣動(dòng)裝置在原理上和液壓系統(tǒng)非常相似，它以壓縮空氣為氣源驅(qū)動(dòng)氣缸做直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并用人工或電磁閥進(jìn)行控制。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的制造精度要求沒(méi)有液壓元件高，易于高速控制，無(wú)污染，但由于位置控制困難，只能用于 1/2 自由度(受限的關(guān)節(jié)，被限定為幾個(gè)可能的值)的開(kāi)關(guān)類(lèi)型關(guān) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 12 頁(yè) 共 28 頁(yè)節(jié)，實(shí)現(xiàn)插入、點(diǎn)位搬運(yùn)等簡(jiǎn)單操作，并且其工作穩(wěn)定性差，壓縮空氣需要除水。液壓驅(qū)動(dòng)與氣壓驅(qū)動(dòng)不能實(shí)現(xiàn)自帶能源，更直接決定了其難于應(yīng)用到雙足步行機(jī)器人系統(tǒng)中。步行機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)都是旋轉(zhuǎn)副。在廉價(jià)的計(jì)算機(jī)問(wèn)世之前，控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主要困難是計(jì)算量大，所以當(dāng)時(shí)認(rèn)為采用直線驅(qū)動(dòng)方式比較好。今天，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制的費(fèi)用已經(jīng)大大降低，大功率晶體管己經(jīng)廣泛使用，只需要采用幾個(gè)晶體管就可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)大功率伺服電機(jī)。同樣，微型計(jì)算機(jī)的價(jià)格也越來(lái)越便宜，計(jì)算機(jī)費(fèi)用在機(jī)器人總費(fèi)用中所占的比例大大降低。甚至在每個(gè)關(guān)節(jié)或自由度中都采用一個(gè)微處理器?；谏鲜龇治隹梢钥闯觯姍C(jī)驅(qū)動(dòng)具有成本低、精度高、易于控制、可靠且維修方便等特點(diǎn)，是最常用的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器。直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，形狀—記憶合金等驅(qū)動(dòng)器目前還處于研究和開(kāi)發(fā)階段，在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)變得非常有用。本雙足步行機(jī)器人采用舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。舵機(jī)是一種最早應(yīng)用在航模運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)力裝置，它的控制信號(hào)是一個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)，所以很方便和數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行接口。只要能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的控制信號(hào)的數(shù)字設(shè)備都可以用來(lái)控制舵機(jī)，比如 PLC、單片機(jī)等。而且舵機(jī)體積緊湊，便于安裝，輸出力矩大，穩(wěn)定性好，控制簡(jiǎn)單，所以舵機(jī)己經(jīng)廣泛地應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域 [15 ，16] 。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 13 頁(yè) 共 28 頁(yè)3 雙足步行機(jī)器人的 3D 圖3.1 整體結(jié)構(gòu)圖機(jī)器人全身一共裝有 17 個(gè)舵機(jī)，控制包括頭部，手臂，手肘，大腿，小腿，腳踝等部分的一共 17 個(gè)自由度。在頭部以下的舵機(jī)控制 Z 軸的自由度，使機(jī)器人人具有搖頭功能。手臂部分一共有 3×2 個(gè)舵機(jī)，控制手臂擺動(dòng)，手肘的內(nèi)外擺動(dòng)，小手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。大腿部分一共有 5×2 個(gè)舵機(jī)，主要控制機(jī)器人的步行動(dòng)作。如圖 3.1，圖 3.2 所示。圖 3.1 機(jī)器人的正面圖 3.2 機(jī)器人的背面 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 14 頁(yè) 共 28 頁(yè)3．2 頭部零件圖頭部材料采用鋁制合金板，圖 3.3 角鐵部分和小孔方便與頸部連接。圖 3.4 空隙處方便安裝舵機(jī)，角鐵處可與身體部分連接。圖 3.3 頭部部件圖圖 3.4 頸部部件圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 15 頁(yè) 共 28 頁(yè)3．3 身體零件圖身體兩側(cè)的空隙處方便安裝舵機(jī)，中下側(cè)的兩塊鐵板將前后兩塊身體主板相連接以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。最下側(cè)的鐵條作為身體與腿部的連接點(diǎn)。身體內(nèi)部安裝控制系統(tǒng)。如圖 3.5,圖 3.6 所示。身體主板上一共設(shè)有 2×5 個(gè)小孔。身體上側(cè)的小孔用于連接身體前后兩塊主板。中間兩側(cè)的 2×2 個(gè)小孔用于安裝舵機(jī)并加大身體主板連接的穩(wěn)定性。身體主板下側(cè)一共有 10 個(gè)小孔，分上下兩排排列。上排 4×2 個(gè)小孔用于安裝腿部的兩個(gè)舵機(jī)并作為身體主板于腿部的連接點(diǎn)。下排 2 個(gè)小孔用于安裝連接前后兩個(gè)身體主板的鐵片，以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。身體主體板塊的設(shè)計(jì)盡可能使用較少材料，不僅減少上身材料，降低機(jī)器人的整體重心，也節(jié)省材料。使用鋁合金材料，因?yàn)殇X的密度較小而強(qiáng)度較高。使用普通的工具就能容易的實(shí)現(xiàn)切割和彎曲。鋁材料一般可以做成各種形狀。在原計(jì)劃中，要實(shí)現(xiàn)身體的轉(zhuǎn)身功能，但在實(shí)際操作過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)支撐點(diǎn)的技術(shù)難度較高，在結(jié)構(gòu)上難以支持上身的重量。希望可以在以后的研究可以解決這些問(wèn)題。圖 3.5 身體部件圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 16 頁(yè) 共 28 頁(yè)圖 3.6 身體部件圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 17 頁(yè) 共 28 頁(yè)4 液晶顯示4.1 引言在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，為系統(tǒng)擴(kuò)充外部設(shè)備一直是用戶(hù)所關(guān)注的問(wèn)題。LCD 屏幕就是相當(dāng)重要的外圍設(shè)備之一。本節(jié)將對(duì) LCD 系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。選擇液晶顯示的原因是基于它友好的人機(jī)交互界面，能夠進(jìn)行良好人機(jī)信息交互。它是以ARM920T 處理器為核心研發(fā)的。能夠顯示文字，例如：4.2 LCD 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)4.2.1 STN 型彩色 LCD 模塊介紹STN 液晶顯示器與液晶材料、光線的干涉現(xiàn)象有關(guān)，因此顯示的色調(diào)以淡綠色與橘色為主。STN 液晶顯示器中，使用 X、Y 軸交叉的單純電極驅(qū)動(dòng)方式，即 X、Y 軸由垂直與水平方向的驅(qū)動(dòng)電極構(gòu)成，水平方向驅(qū)動(dòng)電壓控制顯示部分為亮或暗，垂直方向的電極則負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)液晶分子的顯示。STN 液晶顯示屏加上彩色濾光片，并將單色顯示矩陣中的每一像素分成三個(gè)子像素，分別通過(guò)彩色濾光片顯示紅、綠、藍(lán)三原色，也可以顯示出色彩。單色液晶屏及灰度液晶屏都是 STN 液晶屏。研究課題中使用液晶顯示屏主要考慮的參數(shù)有外形尺寸、分辨率、點(diǎn)寬、色彩模式等。以下是EmbestEdukit2 實(shí)驗(yàn)板所選用的液晶屏為 LRH9J515XA STN/BW 型，可視屏幕的尺寸及參數(shù)示意如圖 4.1 所示 [17]。熱烈慶祝南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院建校 5 周年 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 18 頁(yè) 共 28 頁(yè)圖 4.1 液晶屏參數(shù)示意圖4.2.2 LCD 系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu) LCD 控制器主要提供液晶屏顯示數(shù)據(jù)的傳送、時(shí)鐘和各種信號(hào)的產(chǎn)生與控制功能。S3C2410 處理器的 LCD 控制器主要部分框圖如圖 4.2 所示。圖4.2 LCD控制器框圖S3C2410 LCD 控制器用于傳輸顯示數(shù)據(jù)和產(chǎn)生控制信號(hào)。除了控制信號(hào)之外，S3C2410 還提供數(shù)據(jù)端口供顯示數(shù)據(jù)傳輸，也就是 VD[23:0]。LCD 控制器包含REGBANK、LCDCDMA、VIDPRCS、TIMEGEN 和 LPC3600 等控制模塊。REGBANK 中有 17 個(gè)可編程的寄存器組和 256×16 調(diào)色板內(nèi)存用于配置 LCD 控制器。LCDCDMA 是一個(gè)專(zhuān)用的 DMA，它負(fù)責(zé)自動(dòng)地將幀緩沖區(qū)中的顯示數(shù)據(jù)發(fā)往 LCD 驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)特定的 DMA，顯示數(shù)據(jù)可以不需要 CPU 的干涉，自動(dòng)地發(fā)送到屏幕上。VIDPRCS 將 LCDCDMA 發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)變換為合適的格式之后通過(guò) VD[23:0]發(fā)送到 LCD 驅(qū)動(dòng)器。TMIEGEN 包含可編程邏輯用于支持不同 LCD 驅(qū)動(dòng)器對(duì)時(shí)序以及速率的需求。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 19 頁(yè) 共 28 頁(yè)VFRAME、VLINE、VCLK、VM 等控制信號(hào)由 TIMEGEN 產(chǎn)生。在 LCD 控制的 33 個(gè)輸出接口中有 24 個(gè)負(fù)責(zé)用戶(hù)數(shù)據(jù)輸出，9 個(gè)用于控制 [18]。4.2.3 LCD 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行液晶屏控制電路設(shè)計(jì)時(shí)必須提供電源驅(qū)動(dòng)、偏壓驅(qū)動(dòng)以及 LCD 顯示控制器。由于 S3C2410 處理器本身自帶 LCD 控制器，而且可以驅(qū)動(dòng)本課題所選用的液晶屏，所以控制電路的設(shè)計(jì)可以省去顯示控制電路，只需進(jìn)行電源驅(qū)動(dòng)和偏壓驅(qū)動(dòng)的電路設(shè)計(jì)即可。具體電路設(shè)計(jì)圖及液晶管腳說(shuō)明如圖 4.3 所示。電源驅(qū)動(dòng)與偏壓驅(qū)動(dòng)如圖 4.4 所示。圖4.3 液晶電路結(jié)構(gòu)框圖圖4.4 電源驅(qū)動(dòng)與偏壓驅(qū)動(dòng)電路 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 20 頁(yè) 共 28 頁(yè)4.3 觸摸屏控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)4.3.1 觸摸屏的特性觸摸屏(TSP:Touch Screen Panel)由于其體積小、輕便和接口簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，成為一種在嵌入式系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的輸入設(shè)備。按技術(shù)原理可分為五類(lèi)：矢量壓力傳感式、電阻式、電容式、紅外線式和表面聲波式，其中電阻式觸摸屏在嵌入式系統(tǒng)中用的較多 [20]。常用的觸摸屏由于實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不同，導(dǎo)致特性各異。4.3.2 觸摸屏工作原理TSP 由觸摸檢測(cè)部件和觸摸屏控制器組成。觸摸檢測(cè)部件安裝在顯示器前端，用于檢測(cè)用戶(hù)觸摸位置，接受信息后傳送至觸摸屏控制器；控制器的主要作用是接收觸摸信息并轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)傳至 CPU，并接收和執(zhí)行 CPU 下達(dá)的命令。Embest EduKit III 采用四線式電阻觸摸屏，點(diǎn)數(shù)為 320×240，其被按下的狀態(tài)如圖 4.5 所示圖4.5 觸摸屏按下時(shí)示意圖圖4.6 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)所使用的觸摸屏外觀圖如圖 4.6 所示，電阻觸摸屏采用一塊帶有統(tǒng)一電阻外表面的玻璃板。聚酯表層緊貼在玻璃面上，通過(guò)小的透明絕緣顆粒與玻璃面分開(kāi)。聚酯層外表面堅(jiān)硬耐用， 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 21 頁(yè) 共 28 頁(yè)內(nèi)表面有一個(gè)傳導(dǎo)層。當(dāng)觸摸屏幕時(shí)，傳導(dǎo)層與玻璃面表層電子接觸，產(chǎn)生的電壓就是觸摸位置的模擬表示 [20]。等效電路示意圖如圖 4.7，圖 4.8 所示。\圖4.7 等效電路示意圖圖 4.8 觸摸屏的等效電路4.3.3 S3C2410 處理器 TS 控制器處理器集成的 TSP 只使用到 3 個(gè)寄存器，即 ADC 控制寄存器(ADCCON)、觸摸屏控制寄存器(ADCTSC)和 ADC 數(shù)據(jù)寄存器(ADCDAT)。ADC 控制寄存器(ADCCON)ADCCON[15]：A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志0：A/D 轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行 1：A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束ADCCON[14]：A/D 轉(zhuǎn)換預(yù)分頻允許0：不允許預(yù)分頻 1：允許預(yù)分頻ADCCON[13:6]：預(yù)分頻值 PRSCVL 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 22 頁(yè) 共 28 頁(yè)P(yáng)RSCVL 在 0 到 255 之間，實(shí)際的分頻值為 PRSCVL+1ADCCON[5:3]：模擬信道輸入選擇000 = AIN0 001 = AIN1 010 = AIN2 011 = AIN3100 = AIN4 101 = AIN5 110 = AIN6 111 = AIN7ADCCON[2]：待機(jī)模式選擇位0：正常模式 1：待機(jī)模式ADCCON[1]：A/D 轉(zhuǎn)換讀－啟動(dòng)選擇位0：禁止 Start-by-read 1：允許 Start-by-readADCCON[0]：A/D 轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)0：A/D 轉(zhuǎn)換器不工作 1：A/D 轉(zhuǎn)換器開(kāi)始工作觸摸屏控制寄存器(ADCTSC)ADCTSC[8]：保留，必須為 0ADCTSC[7]：選擇 YMON 輸出值0：輸出為 0 1：輸出為 1ADCTSC[6]：選擇 YPON 輸出值0：輸出為 0 1：輸出為 1ADCTSC[5]：選擇 XMON 輸出值0：輸出為 0 1：輸出為 1ADCTSC[4]：選擇 XPON 輸出值0：輸出為 0 1：輸出為 1ADCTSC[3]：上拉開(kāi)關(guān)使能0：上拉使能 1：上拉禁止ADCTSC[2]：自動(dòng)按順序轉(zhuǎn)換 X、Y 坐標(biāo)選擇位0：正常模式 1：自動(dòng)按順序轉(zhuǎn)換 X、Y 坐標(biāo)使能ADCTSC[1:0]：手工設(shè)置 X、Y 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換00：無(wú)操作 01：X 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換10：Y 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 11：等待中斷模式ADC 數(shù)據(jù)寄存器(ADCDAT0,ADCDAT1)ADCDAT0[15]：等待中斷模式，Stylus 電平選擇 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 23 頁(yè) 共 28 頁(yè)0：低電平 1：高電平ADCDAT0[14]:自動(dòng)按照先后順序轉(zhuǎn)換 X、Y 坐標(biāo)0：正常 ADC 順序 1：按照先后順序轉(zhuǎn)換ADCDAT0[13:12]：自定義 X、Y 位置00：無(wú)操作模式 01：測(cè)量 X 位置10：測(cè)量 Y 位置 11：等待中斷模式ADCDAT0[11:10]：保留ADCDAT0[9:0]：X 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)值A(chǔ)DCDAT1[15:10]與 ADCDAT0[15:10]功能相同ADCDAT0[9:0]:Y 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)值A(chǔ)/D 轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換時(shí)間計(jì)算例如 PCLK 為 50MHz，PRESCALER=49；所有 10 位轉(zhuǎn)換時(shí)間為：50MHz/(49+1)=1MHz轉(zhuǎn)換時(shí)間為 1/(1M/5 cycles)＝5usA/D 轉(zhuǎn)換器的最大工作時(shí)鐘為 2.5MHz，最大的采樣率可以達(dá)到 500ksps。4.3.4 觸摸屏的電路設(shè)計(jì)當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，平常絕緣的兩層導(dǎo)電層在觸摸點(diǎn)位置產(chǎn)生一個(gè)接觸，控制器檢測(cè)到這個(gè)接通后，產(chǎn)生中斷通知 CPU 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換；具體原理：當(dāng)觸摸屏被按下時(shí)，首先導(dǎo)通 FET 管組 Q602 和 Q604，X 軸回路加上+5V 電源，同時(shí)將 FET 管組 Q1和 Q3 關(guān)閉；再啟動(dòng)處理器的 A/D 轉(zhuǎn)換通 AIN7，電路電阻與觸摸屏按下產(chǎn)生的電阻輸出分量電壓，并由 A/D 轉(zhuǎn)換器將電壓值數(shù)字化，計(jì)算出 X 軸的坐標(biāo)。中斷處理程序通過(guò)導(dǎo)通不同 MOS 管組，使接觸部分與控制器電路構(gòu)成電阻電路，并產(chǎn)生一個(gè)電壓降作為坐標(biāo)值輸出。其電路如圖 4.9 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 24 頁(yè) 共 28 頁(yè)圖 4.9 觸摸屏坐標(biāo)轉(zhuǎn)換控制電路顯示模塊選用的是周立功 SmartARM 3250 通用教學(xué)/競(jìng)賽/工控開(kāi)發(fā)平臺(tái),它全面深入地支持 μC/OS-II、WinCE 和 Linux 操作系統(tǒng)，它完全按照工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（EMC/EMI）設(shè)計(jì)，精心設(shè)計(jì)的電路提供多達(dá) 7 路串口、IrDA 接口、USB OTG 接口、帶電氣隔離的 CAN-bus 接口、CF 卡接口、SD/MMC 卡接口、I2S 音頻接口、以太網(wǎng)接口等，滿足各種應(yīng)用要求。由于這款芯片是新款,到畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束,芯片還沒(méi)有到位,所以沒(méi)有完成液晶顯示的調(diào)試過(guò)程,希望在以后的設(shè)計(jì)中完善。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 25 頁(yè) 共 28 頁(yè)結(jié)束語(yǔ)本論文是關(guān)于機(jī)器人頭部身體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。從了解機(jī)器人開(kāi)始，到對(duì)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，對(duì)機(jī)器人人步行過(guò)程中的平穩(wěn)性研究，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(wèn)題的一次考驗(yàn)。在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我們團(tuán)隊(duì)不僅在書(shū)面上對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的分析，控制程序的編排，更是通過(guò)大家的實(shí)踐做出了成品。通過(guò)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(guò)收集各種有關(guān)資料所解決的畢業(yè)設(shè)計(jì)問(wèn)題。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中，了解到了機(jī)器人的發(fā)展歷史，發(fā)展前景以及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，初步完成了對(duì)機(jī)器人身體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過(guò)查找資料以及老師的指導(dǎo)，初步了解了液晶顯示的相關(guān)理論。但是對(duì)機(jī)器人步行穩(wěn)定性的研究仍停留在初步，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些不合理性，對(duì)液晶顯示方面的相關(guān)較深入的理論仍理解不夠。整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步規(guī)劃并做成實(shí)體，對(duì)全身自由度特別是手部以及腿部做到了合理分配，使機(jī)器人基本實(shí)現(xiàn)行走功能。但在行走穩(wěn)定連續(xù)性方面仍顯不足，在液晶顯示方面也只是停止與簡(jiǎn)單文字的顯示，沒(méi)有更多的人機(jī)交互功能。在身體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，原本計(jì)劃的轉(zhuǎn)身功能也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，其原因主要是支撐點(diǎn)的建構(gòu)難度過(guò)高。希望下一屆能夠彌補(bǔ)我們這一屆的遺憾。不過(guò)正是這些遺憾讓我認(rèn)識(shí)到了自己的不足，深深感到對(duì)知識(shí)的追求是沒(méi)有止境的，這些遺憾更是激勵(lì)我以后努力工作，認(rèn)真學(xué)習(xí)。從實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，在學(xué)習(xí)中收獲知識(shí)。由于自身經(jīng)驗(yàn)不足，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)一定很多不足之處。希望老師們多多指教，對(duì)老師們的指導(dǎo)表示深深的感謝。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 26 頁(yè) 共 28 頁(yè)致 謝在此，我對(duì)指導(dǎo)老師劉艷老師對(duì)我的嚴(yán)格要求和對(duì)我在設(shè)計(jì)上的幫助，表示衷心的感謝！他們?cè)诜泵Φ墓ぷ髌陂g，對(duì)我畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成付出了大量的心血，多次給我提出深刻而具有指導(dǎo)性的意見(jiàn)，讓我能夠很好的按時(shí)完成畢業(yè)設(shè)任務(wù)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)完成之時(shí)，謹(jǐn)向恩師們表示最衷心的感謝，并致以崇高的敬意。此外，還要衷心感謝機(jī)械工程系的其他曾經(jīng)給予我指導(dǎo)、問(wèn)題解答的老師，以及與我朝夕相處、共同研討解決設(shè)計(jì)中碰到疑難的同窗學(xué)友。我還要以我的畢業(yè)設(shè)計(jì)成果，真誠(chéng)地、深深地感謝一直對(duì)我關(guān)心、支持、并寄予厚望的父母！同時(shí)也對(duì)我的團(tuán)隊(duì)，徐超，許峰，吳玉坤，黃俊表示衷心的感謝，通過(guò)我們共同的努力，完成了整個(gè)工程，這些離不開(kāi)他們的熱情幫助。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 27 頁(yè) 共 28 頁(yè)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. 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