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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 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(hào)：
專(zhuān) 業(yè)：
所在學(xué)院：
指導(dǎo)教師：
職 稱(chēng)：
年 月 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)按論文的框架成文，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（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“2004年4月26日”或“2004-04-26”。
5.開(kāi)題報(bào)告（文獻(xiàn)綜述）字體請(qǐng)按宋體、小四號(hào)書(shū)寫(xiě)，行間距1.5倍。
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)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(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)樗哂辛己玫沫h(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“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，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)、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，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。
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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）：
本課題要研究或解決的問(wèn)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(shí)利用相應(yīng)的CAD軟件，對(duì)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(jiǎn)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?jī)?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(wèn)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(guò)程中，著重對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。對(duì)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(jiàn)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(guò)程，書(shū)寫(xiě)說(shuō)明書(shū)。
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(shū)館查閱與本課題有關(guān)的書(shū)籍和資料本，同時(shí)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(zhuān)業(yè)知識(shí)，還提高了查閱專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)手冊(cè)、圖冊(cè)的能力，并熟悉相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，鍛煉獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)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(shí)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。
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指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語(yǔ)：
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)：
3.是否同意開(kāi)題：□ 同意 □ 不同意
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