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1、毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：学 号：专 业：机械工程及自动化设计(论文)题目：两足行走机器人行走控制部分设计指 导 教 师: 开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文
2、献综述的参考文献应不少于15篇科技论文的信息量，一般一本参考书最多相当于三篇科技论文的信息量（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述摘要 两足行走机器人是当前机器人研究领域最活跃的研究方向之一，引起了许多科研工作者的注意。本文介绍了两足行走机器人与其他移动机器人相比的主要优点，对国内
3、外两足行走机器人的研制工作做了综述，并对将来的研究方向和工作重点做出了展望。关键词 机器人 智能控制 两足行走 1 两足行走机器人的一般情况两足机器人是模拟人类用两条腿走路的机器人1。两足步行机器人适于在凸凹不平或有障碍的地面行走作业，比一般移动机器人灵活性强，机动性好。1972年，日本早稻田大学研制出第一台功能较全的两足步行机器人。美国、南斯拉夫等学者也研制出各种两足走行机器人模型。两足步行模型是一个变结构机构，单脚支撑为开式链，双脚支撑为闭式链。支撑点的固定靠摩擦力来保证，质量分布和重量大小都直接影响静态和动态的稳定性。为保证行走过程中姿态的稳定性，对行走步态应加严格的约束2，4。如图1中
4、示出了具有11个动力关节的两足步行模型的自由度分配。这些关节以旋转轴的方向分为纵摇轴、横摇轴和偏航轴。纵摇轴实现前进方向的重心移动，横摇轴实现左右方向的重心摆动，偏航轴转换方向。在行走过程中，通过纵摇轴的髋关节、膝关节和踝关节的协调动作，在前进方向上移动重心；通过上驱体关节使上身左倾或右倾，移动上身塔载调节重心；通过偏航轴的腰关节转换方向。关节的驱动能源主要有气压、液压和电动三种。气压式重量轻、安全便宜，但因空气的可缩性，在变负载情况下，稳定性差。液压式输出功率大、快速性好，但需配备动力组件。例如，日本早稻田大学加藤一郎教授研制的WD-10RD,是具有12个自由度的液压驱动机器人。电动式结构简
5、单、控制容易。但功率密度低、价格较高6。图1 两足步行机器人自由度的配置2 两足行走机器人的组成机器人主要由以下6个部分组成。(1)手臂手臂是机器人的一部分。该部位由手（手爪）、手臂（手的姿势）和手腕组成。手臂通过各关节来实现动作的完成。 (2)操作机构该部位是驱动机械人关节的驱动机构。被用于关节部位的操作机构几乎都是带有减速器的伺服电动机，但是对于可以放入手腕和腿中的小型高扭矩的直接驱动式电动机的要求则较高。(3)传感器传感器作为用来检测视觉、触觉、动作姿势控制等部位，包括用于测定手腕位置和速度等的内置传感器和用于识别机器人作业对象的外部传感器。(4)移动机构移动机构就机器人的脚，它是用来移
6、动的部位，以实现机器人的抬腿跨步，以及关节的旋转摆动，从而完成一些较为复杂的动作。(5)控制器（控制装置）控制器是用来控制一系列动作的部位8，9。为了使机器人的手腕和腿部位活动起来，需要控制器（控制装置）来向安装在这些部位的操作机构和传感器发送信号指令，使其接受位置信号。控制器会把人类所要求的作业命令记录起来，通过开始质量那个让其激活，再把必要的动作指令传送给手腕和腿部位。(6)操作机构的驱动源操作机构的驱动源主要有液压式、电动式和启动式。3 两足行走机器人的特性体现 (1)两足行走机器人能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，能够方便的上下台阶及通过不平整、不规则或较窄的路面，它的移动“盲
7、区”很小。(2) 两足行走机器人的能耗很小，因为该机器人可具有独立的能源装置，因此在设计时就应充分考虑其能耗问题。机器人力学计算也表明，足式机器人的能耗通常低于轮式和履带式79。(3) 两足行走机器人具有广阔的工作空间。由于行走系统的占地面积小，而活动范围很大，所以为其配置的机械手提供了更大的活动空间，同时也可使机械手臂设计得较为短小紧凑。(4)两足行走是生物界难度最高的步行动作。但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的。所以，仿人机器人的研制势必要求并促进机器人结构的革命性的变化同时有力推进机器人学及其它相关学科的发展12。两足机器人对机器人的机械结构及驱动装置提出了许多特殊要求，这将导致传
8、统机械的重大变革。两足机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统。这对机器人的运动学、动力学及控制理论的研究提供了一个非常理想的实验平台。在对其研究的过程中很可能导致力学及控制领域中新理论、新方法的产生，另外，仿两足机器人的研究还可以推动仿生学、人工智能、计算机图形、通信等相关学科的发展。因此，两足步行机器人的研制具有十分重大的价值和意义。4 两足行走机器人的研制展望两足行走机器人与轮式、履带式机器人相比有许多突出的优点和它们无法比拟的优越性。但是由于受到机构学、材料科学、计算机技术、控制技术、微电子学、通讯技术、传感技术、人工智能、数学方法、仿生学等相关学科发展的制约。至今基
9、本上仍处于实验室研制的阶段，尤其是双足行走的速度、稳定性及自适应能力仍不是十分理想。只有在走稳走好之后再加上臂部执行机构和智能结构，才谈得上真正的仿人12。当然，仿人不能仅仅局限于这些。还应该模仿人类的视觉、触觉、语言，甚至情感等功能。仿人机器人是许多技术的综合、集成和提高。目前，主要的攻关项目还是行走功能的进一步提高。日本本田公司生产的仿人机器人虽已走向市场化。但是，它的功能还很有限，离实际意义上的拟人化还有相当的一段距离，所以仿人机器人给科研工作者提供了广阔的研究空间，提出了一个又一个新的挑战!同时也促进了许多相关学科的发展，导致了一些新理论，新方法的出现。越来越多的科研工作者投入了这一新
10、兴的前沿学科。5 总结两足步行是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统13。两足步行系统具有非常丰富的动力学特性，对步行的环境要求很低，既能在平地上行走，也能在非结构性的复杂地面上行走，对环境有很好的适应性。与其它足式机器人相比，双足机器人具有支撑面积小，支撑面的形状随时间变化较大，质心的相对位置高的特点。是其中最复杂，控制难度最大的动态系统。但由于双足机器人比其它足式机器人具有更高的灵活性，因此具有自身独特的优势，更适合在人类的生活或工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对这些环境进行大规模改造。例如代替危险作业环境中(如核电站内)的工作人员，在不平整地面上搬运货物等等。此外将来社
11、会环境的变化使得双足机器人在护理老人、康复医学以及一般家务处理等方面也有很大的潜力。参 考 文 献1 马香峰. 机器人机构学M. 北京: 机械工业出版社, 1991.2 王晓明电动机的单片机控制北京航空航天大学出版社，2003.3 吴瑞祥. 机器人技术及应用M. 北京：北京航空航天大学出版社，1994. 4 熊有伦. 机器人技术基础M.武汉：华中理工大学出版社，1996.5 王志良. 竞赛机器人制作技术M.北京：机械工业出版社，2007.6 马香峰. 工业机器人的操作机设计M. 北京：冶金工业出版社，1996.9.7 余达太，马香峰. 工业机器人应用工程M. 北京：冶金工业出版社，1999.4
12、.8 刘政华等 机械电子学M北京：国防科技大学出版社，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 张建民. 机电一体化原理与应用M国防科技大学出版社，1992.112 曲家骐. 伺服控制系统中的传感器M北京：机械工业出版社，1998.13 秦志强. 基础机器人制作与编程M. 北京
13、： 电子工业出版社，2007.14 高钟毓. 机电一体化系统设计M北京：机械工业出版社，1997.215 陈继荣. 智能电子创新制作M. 北京：科技出版社，2007.16 张建民机电一体化系统设计M北京：北京理工大学出版社，1997.毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1 课题目的与预期目标微机原理及接口技术在各科领域有很广泛的应用，通过该课题的研究使学生掌握微机在控制系统中的应用方法，行走电路的设计、对电动机驱动与控制设计。同时使学生掌握工程设计的一般方法以及独立分析问题和解决问题的能力，最终使学生的综合素质得以提高。2主要研究的问题(1
14、) 设计了两足步行机器人的硬件电路选用高性能、低功耗的 8 位AVR微处理器，指令执行时间为单个时钟周期，速度快，控制精度高、I/O口驱动能力更强，优于AT51、STC51系列单片机。 (2) 选择设计了两足步行机器人的控制软件系统在操作系统下设计了应用程序，实现了两足机器人控制系统的各项功能，搭建了完整的两足机器人控制系统软件框架(3) 搭建了17自由度机器人双腿的运动模式静态步行模式分为10个静态姿势及其切换顺序如图2所示。图2 两足机器人行走步行模式毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：该生的文献综述结合所要研究地课题比较紧密，从文中可以看出该生对所要做地工作进行了较深入地学习。2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：本课题要做什么步骤叙述很清楚，设计思路正确，工作量合理，预计该生能顺利并很好地完成该课题。 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日
