機(jī)械手-兩足行走機(jī)器人

機(jī)械手-兩足行走機(jī)器人,機(jī)械手,行走,機(jī)器人 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 學(xué) 生 姓 名： 黃俊 學(xué) 號： 05010213 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動化 設(shè)計(論文)題目： 兩足行走機(jī)器人 —行走控制部分設(shè)計 指 導(dǎo) 教 師: 路建萍 劉 艷 2009 年 3 月 22 日 開題報告填寫要求 1．開題報告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效； 2．開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見； 3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇科技論文的信息量，一般一本參考書最多相當(dāng)于三篇科技論文的信息量（不包括辭典、手冊）； 4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。  畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫 2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 摘要 兩足行走機(jī)器人是當(dāng)前機(jī)器人研究領(lǐng)域最活躍的研究方向之一，引起了許多科研工作者的注意。本文介紹了兩足行走機(jī)器人與其他移動機(jī)器人相比的主要優(yōu)點(diǎn)，對國內(nèi)外兩足行走機(jī)器人的研制工作做了綜述，并對將來的研究方向和工作重點(diǎn)做出了展望。 關(guān)鍵詞 機(jī)器人 智能控制 兩足行走 1 兩足行走機(jī)器人的一般情況 兩足機(jī)器人是模擬人類用兩條腿走路的機(jī)器人[1]。兩足步行機(jī)器人適于在凸凹不平或有障礙的地面行走作業(yè)，比一般移動機(jī)器人靈活性強(qiáng)，機(jī)動性好。1972年，日本早稻田大學(xué)研制出第一臺功能較全的兩足步行機(jī)器人。美國、南斯拉夫等學(xué)者也研制出各種兩足走行機(jī)器人模型。兩足步行模型是一個變結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)，單腳支撐為開式鏈，雙腳支撐為閉式鏈。支撐點(diǎn)的固定靠摩擦力來保證，質(zhì)量分布和重量大小都直接影響靜態(tài)和動態(tài)的穩(wěn)定性。為保證行走過程中姿態(tài)的穩(wěn)定性，對行走步態(tài)應(yīng)加嚴(yán)格的約束[2]，[4]。 如圖1中示出了具有11個動力關(guān)節(jié)的兩足步行模型的自由度分配。這些關(guān)節(jié)以旋轉(zhuǎn)軸的方向分為縱搖軸、橫搖軸和偏航軸?？v搖軸實(shí)現(xiàn)前進(jìn)方向的重心移動，橫搖軸實(shí)現(xiàn)左右方向的重心擺動，偏航軸轉(zhuǎn)換方向。在行走過程中，通過縱搖軸的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)動作，在前進(jìn)方向上移動重心；通過上驅(qū)體關(guān)節(jié)使上身左傾或右傾，移動上身塔載調(diào)節(jié)重心；通過偏航軸的腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換方向。關(guān)節(jié)的驅(qū)動能源主要有氣壓、液壓和電動三種。氣壓式重量輕、安全便宜，但因空氣的可縮性，在變負(fù)載情況下，穩(wěn)定性差。液壓式輸出功率大、快速性好，但需配備動力組件。例如，日本早稻田大學(xué)加藤一郎教授研制的WD-10RD,是具有12個自由度的液壓驅(qū)動機(jī)器人。電動式結(jié)構(gòu)簡單、控制容易。但功率密度低、價格較高[6]。 圖1 兩足步行機(jī)器人自由度的配置 2 兩足行走機(jī)器人的組成 機(jī)器人主要由以下6個部分組成。 (1)手臂 手臂是機(jī)器人的一部分。該部位由手（手爪）、手臂（手的姿勢）和手腕組成。手臂通過各關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)動作的完成。 (2)操作機(jī)構(gòu) 該部位是驅(qū)動機(jī)械人關(guān)節(jié)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。被用于關(guān)節(jié)部位的操作機(jī)構(gòu)幾乎都是帶有減速器的伺服電動機(jī)，但是對于可以放入手腕和腿中的小型高扭矩的直接驅(qū)動式電動機(jī)的要求則較高。 (3)傳感器 傳感器作為用來檢測視覺、觸覺、動作姿勢控制等部位，包括用于測定手腕位置和速度等的內(nèi)置傳感器和用于識別機(jī)器人作業(yè)對象的外部傳感器。 (4)移動機(jī)構(gòu) 移動機(jī)構(gòu)就機(jī)器人的腳，它是用來移動的部位，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的抬腿跨步，以及關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)擺動，從而完成一些較為復(fù)雜的動作。 (5)控制器（控制裝置） 控制器是用來控制一系列動作的部位[8]，[9]。為了使機(jī)器人的手腕和腿部位活動起來，需要控制器（控制裝置）來向安裝在這些部位的操作機(jī)構(gòu)和傳感器發(fā)送信號指令，使其接受位置信號。控制器會把人類所要求的作業(yè)命令記錄起來，通過開始質(zhì)量那個讓其激活，再把必要的動作指令傳送給手腕和腿部位。 (6)操作機(jī)構(gòu)的驅(qū)動源 操作機(jī)構(gòu)的驅(qū)動源主要有液壓式、電動式和啟動式。 3 兩足行走機(jī)器人的特性體現(xiàn) (1)兩足行走機(jī)器人能適應(yīng)各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，能夠方便的上下臺階及通過不平整、不規(guī)則或較窄的路面，它的移動“盲區(qū)”很小。 (2) 兩足行走機(jī)器人的能耗很小，因?yàn)樵摍C(jī)器人可具有獨(dú)立的能源裝置，因此在設(shè)計時就應(yīng)充分考慮其能耗問題。機(jī)器人力學(xué)計算也表明，足式機(jī)器人的能耗通常低于輪式和履帶式[7～9]。 (3) 兩足行走機(jī)器人具有廣闊的工作空間。由于行走系統(tǒng)的占地面積小，而活動范圍很大，所以為其配置的機(jī)械手提供了更大的活動空間，同時也可使機(jī)械手臂設(shè)計得較為短小緊湊。 (4)兩足行走是生物界難度最高的步行動作。但其步行性能卻是其它步行結(jié)構(gòu)所無法比擬的。所以，仿人機(jī)器人的研制勢必要求并促進(jìn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的革命性的變化同時有力推進(jìn)機(jī)器人學(xué)及其它相關(guān)學(xué)科的發(fā)展[12]。 兩足機(jī)器人對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動裝置提出了許多特殊要求，這將導(dǎo)致傳統(tǒng)機(jī)械的重大變革。兩足機(jī)器人是工程上少有的高階、非線性、非完整約束的多自由度系統(tǒng)。這對機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)及控制理論的研究提供了一個非常理想的實(shí)驗(yàn)平臺。在對其研究的過程中很可能導(dǎo)致力學(xué)及控制領(lǐng)域中新理論、新方法的產(chǎn)生，另外，仿兩足機(jī)器人的研究還可以推動仿生學(xué)、人工智能、計算機(jī)圖形、通信等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。因此，兩足步行機(jī)器人的研制具有十分重大的價值和意義。 4 兩足行走機(jī)器人的研制展望 兩足行走機(jī)器人與輪式、履帶式機(jī)器人相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn)和它們無法比擬的優(yōu)越性。但是由于受到機(jī)構(gòu)學(xué)、材料科學(xué)、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、微電子學(xué)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能、數(shù)學(xué)方法、仿生學(xué)等相關(guān)學(xué)科發(fā)展的制約。至今基本上仍處于實(shí)驗(yàn)室研制的階段，尤其是雙足行走的速度、穩(wěn)定性及自適應(yīng)能力仍不是十分理想。只有在走穩(wěn)走好之后再加上臂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)和智能結(jié)構(gòu)，才談得上真正的仿人[12]。當(dāng)然，仿人不能僅僅局限于這些。還應(yīng)該模仿人類的視覺、觸覺、語言，甚至情感等功能。仿人機(jī)器人是許多技術(shù)的綜合、集成和提高。目前，主要的攻關(guān)項(xiàng)目還是行走功能的進(jìn)一步提高。日本本田公司生產(chǎn)的仿人機(jī)器人雖已走向市場化。但是，它的功能還很有限，離實(shí)際意義上的擬人化還有相當(dāng)?shù)囊欢尉嚯x，所以仿人機(jī)器人給科研工作者提供了廣闊的研究空間，提出了一個又一個新的挑戰(zhàn)!同時也促進(jìn)了許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，導(dǎo)致了一些新理論，新方法的出現(xiàn)。越來越多的科研工作者投入了這一新興的前沿學(xué)科。 5 總結(jié) 兩足步行是步行方式中自動化程度最高、最為復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)[13]。兩足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動力學(xué)特性，對步行的環(huán)境要求很低，既能在平地上行走，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上行走，對環(huán)境有很好的適應(yīng)性。與其它足式機(jī)器人相比，雙足機(jī)器人具有支撐面積小，支撐面的形狀隨時間變化較大，質(zhì)心的相對位置高的特點(diǎn)。是其中最復(fù)雜，控制難度最大的動態(tài)系統(tǒng)。但由于雙足機(jī)器人比其它足式機(jī)器人具有更高的靈活性，因此具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢，更適合在人類的生活或工作環(huán)境中與人類協(xié)同工作，而不需要專門為其對這些環(huán)境進(jìn)行大規(guī)模改造。例如代替危險作業(yè)環(huán)境中(如核電站內(nèi))的工作人員，在不平整地面上搬運(yùn)貨物等等。此外將來社會環(huán)境的變化使得雙足機(jī)器人在護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及一般家務(wù)處理等方面也有很大的潛力。 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] 王曉明．電動機(jī)的單片機(jī)控制．北京航空航天大學(xué)出版社，2003. [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. 工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計[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：國防科技大學(xué)出版社，1999.10. [9] Ernest L. Mallet. Robotics: A User-Friendly Introduction [M]. New York: CBS College Publishing, 1985. [10] Yore Koran. Robotics for Engineers [M].McGraw-Hill Book Company, 1985. [11] 張建民. 機(jī)電一體化原理與應(yīng)用[M]．國防科技大學(xué)出版社，1992.1 [12] 曲家騏. 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. [13] 秦志強(qiáng). 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] 高鐘毓. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.2 [15] 陳繼榮. 智能電子創(chuàng)新制作[M]. 北京：科技出版社，2007. [16] 張建民．機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，1997. 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 ２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： 1 課題目的與預(yù)期目標(biāo) 微機(jī)原理及接口技術(shù)在各科領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用，通過該課題的研究使學(xué)生掌握微機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方法，行走電路的設(shè)計、對電動機(jī)驅(qū)動與控制設(shè)計。同時使學(xué)生掌握工程設(shè)計的一般方法以及獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，最終使學(xué)生的綜合素質(zhì)得以提高。 2主要研究的問題 (1) 設(shè)計了兩足步行機(jī)器人的硬件電路 選用高性能、低功耗的 8 位AVR微處理器，指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動能力更強(qiáng)，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機(jī)。 (2) 選擇設(shè)計了兩足步行機(jī)器人的控制軟件系統(tǒng) 在操作系統(tǒng)下設(shè)計了應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了兩足機(jī)器人控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，搭建了完整的兩足機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件框架 (3) 搭建了17自由度機(jī)器人雙腿的運(yùn)動模式 靜態(tài)步行模式分為10個靜態(tài)姿勢及其切換順序如圖2所示。 圖2 兩足機(jī)器人行走步行模式 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 指導(dǎo)教師意見： 1．對“文獻(xiàn)綜述”的評語： 該生的文獻(xiàn)綜述結(jié)合所要研究地課題比較緊密，從文中可以看出該生對所要做地工作進(jìn)行了較深入地學(xué)習(xí)。 2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測： 本課題要做什么步驟敘述很清楚，設(shè)計思路正確，工作量合理，預(yù)計該生能順利并很好地完成該課題。 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日