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畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 設計(論文)題目： 擬人步行機器人的設計 　　　　　　　　 學生姓名： 學　　號： ?！　I(yè)： 所在學院： 指導教師： 職　　稱： 年 月 日 開題報告填寫要求 1．開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導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處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見； 3．“文獻綜述”應按論文的框架成文，并直接書寫（或打印）在本開題報告第一欄目內(nèi)，學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于15篇（不包括辭典、手冊）； 4．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標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，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。 5.開題報告（文獻綜述）字體請按宋體、小四號書寫，行間距1.5倍。 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 1．結(jié)合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫不少于1000字的文獻綜述： 1.1 引言 什么是機器人呢?在國際上，關于機器人的定義很多，出發(fā)點各不相同，有的強調(diào)工業(yè)機器人特征，有的側(cè)重于智能機器人。美國機器人協(xié)會認為“機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，并具有編程能力的多功能操作機”，顯然該定義指的是工業(yè)機器人，國際標準化組織(ISO)也有類似的定義。日本工業(yè)機器人協(xié)會(JIRA)定義機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器。有些定義直接把機器人分為工業(yè)機器人和智能機器人兩種情況來解釋，認為工業(yè)機器人是“一種能夠執(zhí)行與人的上肢(手和臂)類似動作的多功能機器”，智能機器人是“一種具有感覺和識別能力，并能夠控制自身行為的機器”。我國的蔣新松院士曾建議把機器人定義為“一種擬人功能的機械電子裝置”。盡管定義各不相同，但有共同之處，即認為機器人應具有下列特征: （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）是人造的機械或機械電子裝置。 當然，隨著機器人的進化和其智能的發(fā)展，這些定義很難涵蓋其本質(zhì)，有必要修改[1]。 1.2 機器人的發(fā)展及技術(shù) 1.2.1 機器人的發(fā)展 20世紀40年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn)，關于機器人技術(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器人樣機，并成立了Unimation公司，定型生產(chǎn)了Unimate機器人。20世紀70年代以來，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機器人技術(shù)逐漸發(fā)展為專門學科。1970年，第一次國際機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)、不同用途的機器人已進入了實用化階段。目前，盡管關于機器人的定義還未統(tǒng)一，但一般認為機器人的發(fā)展按照從低級到高級經(jīng)歷了三代。第一代機器人，主要指只能以“示教一再現(xiàn)”方式工作的機器人，其只能依靠人們給定的程序，重復進行各種操作。目前的各類工業(yè)機器人大都屬于第一代機器人。第二代機器人是具有一定傳感器反饋功能的機器人，其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，機器人按照己編好的程序做出一定推理，對動作進行反饋控制，表現(xiàn)出低級的智能。當前，對第二代機器人的研究著重于實際應用與普及推廣上。第三代機器人是指具有環(huán)境感知能力，并能做出自主決策的自治機器人。它具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中可獨立行動。第三代機器人又稱為智能機器人，并己成為機器人學科的研究重點，但目前還處于實驗室探索階段。機器人技術(shù)己成為當前科技研究和應用的焦點與重心，并逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設等方面發(fā)揮巨大作用?？梢灶A見到，機器人將在21世紀人類社會生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色。 1.2.2 機器人技術(shù) 機器人學是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學科，該學科涉及領域廣泛，集中了機械工程、電氣與電子工程、計算機工程、自動控制工程、生物科學以及人工智能等多種學科的最新科研成果，代表了機電一體化的最新成就。機器人充分體現(xiàn)了人和機器的各自特長，它比傳統(tǒng)機器具有更大的靈活性和更廣泛的應用范圍。機器人的出現(xiàn)和應用是人類生產(chǎn)和社會進步的需要，是科學技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進化的必然。目前，機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)應用領域，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、娛樂等各個領域滲透。目前，雖然機器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發(fā)展。隨著各學科的發(fā)展和社會需要的發(fā)展，機器人技術(shù)出現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢，如網(wǎng)絡機器人技術(shù)、虛擬機器人技術(shù)、協(xié)作機器人技術(shù)、微型機器人技術(shù)和雙足步行機器人技術(shù)等。人們普遍認為，機器人技術(shù)將成為緊隨計算機技術(shù)及網(wǎng)絡技術(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技術(shù)的新時代[2]。 1.3 雙足機器人的優(yōu)點及國內(nèi)外研究概況 1.3.1 雙足步行機器人的優(yōu)點 機器人是現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物，因為人們總是設法讓機器來代替人的繁重工作，從而發(fā)明了各種各樣的機器。機器的發(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，機器發(fā)展的最高形式必然是機器人。而機器人發(fā)展的最高目標是制造出像人一樣可以行走和作業(yè)的機器人，也就是擬人機器人。因為它具有良好的環(huán)境適應性，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，所以與之相關的問題己經(jīng)成為研究熱點。擬人機器人的研制工作開始于20世紀60年代，短短的幾十年時間內(nèi)，其研制工作進展迅速。步行機器人的研制工作是其中一項重要內(nèi)容。目前，機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器人的研究主要集中在自主運動控制上，如避障路徑規(guī)劃等。這兩種機器人過分依賴于周圍環(huán)境，應用范圍受限。爬行和蠕動式機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。常見的步行機器人有雙足、四足和六足等情況。自然界事實、仿生學以及力學分析表明:在具有許多優(yōu)點的步行機器人中，雙足步行機器人因其體積相對較小，對非結(jié)構(gòu)性環(huán)境具有較好的適應性，避障能力強，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，雙足步行機器人的要求很低，理論上只需要分散的、孤立的支撐點，就可以通過機器人自行選擇最佳的支撐點，獲得最佳的移動性能。而輪式移動機器人通常要求連續(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。其次，在存在障礙物的情況下，雙足步行機器人能夠跨越與自身腿長相當?shù)恼系K物，甚至跳越障礙，而輪式移動機器人僅能滾越尺寸小于輪子半徑的障礙物。機器人力學計算表明，足式步行機器人的能耗通常低于輪式和履帶式[7]。 1.3.2 雙足步行機器人的步行特點及研究意義 世界著名機器人專家，日本早稻田大學的加藤一郎教授曾經(jīng)指出“機器人應當具有的最大的特征之一是步行功能”。一般說來，機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(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。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、蠕動式等機器人相比，雙足步行機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，穩(wěn)定步行和高速運動都困難的。雙足步行機器人系統(tǒng)存在著高階、強耦合、多變量及非線性等特性，這些特性使得雙足步行機器人的運動學和動力學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動學和動力學解析解，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動學和動力學的近似解，這往往導致了機器人的規(guī)劃運動與實際運動有較大的出入。所以，迄今為止雙足步行機器人還是以“靜步行”為主，特點是步速較低、步幅較小，其運動性能與人類相比還相距甚遠。由于步行機器人的發(fā)展受到機構(gòu)學、材料學、計算機技術(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)學方法、仿生學等學科發(fā)展程度的制約，還處于實驗室研制階段，距離真正意義上的擬人機器人還有相當?shù)木嚯x[10]。在這一領域內(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，它的完美實現(xiàn)必然要求機器人在結(jié)構(gòu)設計方面產(chǎn)生巨大的變革和創(chuàng)新，從而有力地推動相關學科的發(fā)展。同時，雙足步行機器人具有多關節(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，也相應的給各種控制策略和優(yōu)化方法提供了理想的試驗平臺，因此，對雙足步行機器人的研究具有很高的理論價值，引起國內(nèi)外無數(shù)專家學者的矚目[4]。為了促進機器人技術(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器人大賽。中國機器人大賽是由中國自動化學會機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器人項目就是為了促進雙足步行機器人的發(fā)展而設立的。由于步行機器人的實現(xiàn)目前還存在很多技術(shù)難題，前幾屆由中國科技大學主辦的舞蹈機器人大賽基本上是以輪式機器人為主，還沒有出現(xiàn)步行機器人參賽。由此可見，雙足步行機器人的發(fā)展還有一段很長的路要走。研制雙足步行機器人的一項重要內(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)關系;步態(tài)規(guī)劃就是給出機器人各關節(jié)位置與時間的關系，是雙足步行機器人研制中的一項關鍵技術(shù)，也是難點之一。步態(tài)規(guī)劃的好壞將直接影響到雙足步行機器人的行走穩(wěn)定性、美觀性以及各關節(jié)所需驅(qū)動力矩的大小等多個方面，已經(jīng)成為雙足步行機器人領域的研究熱點?；谏鲜鲈颍菊n題擬進行雙足步行機器人的步態(tài)規(guī)劃研究，研制具有高度穩(wěn)定性的雙足步行機器人平臺，為進一步的擬人機器人研制奠定基礎。 1.3.3 國外研究概況 擬人機器人的研究是一個很誘人、難度很大的研究課題。關于這方面的研究日本走在了世界的前列。早稻田大學理工學部1973年建立了“人格化機器人”研究室，曾開發(fā)出不少擬人機器人系統(tǒng)。例如會演奏鋼琴的機器人、雙足步行機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)。機器人與人類的共存是我們研究開發(fā)的課題之一”。當今世界，有“機器人王國”之稱的日本在雙足步行機器人研究領域處于絕對領先地位，具有代表性的研究機構(gòu)有加藤實驗室、日本早稻田大學、日本東京大學、日本東京理工學院、日本機械學院、松下電工、本田公司和索尼公司等。日本早稻田大學的加藤一郎教授于1968年率先展開了雙足步行機器人的研制工作，并先后研制出場系列樣機若干年研制出P-1平面自由度步行機器人，該機器人具有六個自由度，每條腿有骼、膝、踩三個關節(jié)；關節(jié)處使用人造橡膠肌肉，通過充氣、排氣引起肌肉收縮，肌肉的收縮牽引關節(jié)轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)步行。1971年，研制出WAP-3型雙足機器人，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。該機器人重130kg高0.9m，實現(xiàn)步幅15cm，每步455的靜態(tài)步行；同年又研制出WL-5雙足步行機器人，該機器人采用液壓驅(qū)動，具有11個自由度，下肢作三維運動，上軀體左右擺動以實現(xiàn)雙足機器人重心的左右移動。1973年，在WAP-5的基礎上配置機械手及人工視覺、聽覺等裝置組成自主式WAROT-1。1980年，推出WL-9DR(Dynam Refined)雙足機器人，該機器人采用預先設計步行方式的程序控制方法，通過對步行運動的分析及重復實驗設計步態(tài)軌跡，用設計出的步態(tài)控制機器人的步行運動，該機器人采用了以單腳支撐期為靜態(tài)，雙腳切換期為動態(tài)的準動態(tài)步行方案，實現(xiàn)了步幅45cm，每步95的準動態(tài)步行。1984年，研制出采用踝關節(jié)力矩控制的WL-10DR雙足機器人，增加了踝關節(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)雙足機器人，該機器人通過軀體運動來補償下肢的任意運動，實現(xiàn)了步行周期23秒，步幅30cm的平地動態(tài)步行。代表雙足步行機器人和擬人機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器人的當前狀態(tài)和外界環(huán)境的變化，并基于這些傳感器對下肢各關節(jié)的運動做出調(diào)整，實現(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器人，實現(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)的基礎上組合了新的“預測運動控制功能”，它可以實時預測以后的動作，并且據(jù)此事先移動重心來改變步調(diào)。以往由于不能進行“預測運動控制”，當從直行改為轉(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24個自由度。2001年7月，川田工業(yè)公司的航空機械業(yè)務部開發(fā)出了研究用類人型雙足步行機器人。該機器人身高146.8cm，體重55kg，關節(jié)自由度全身合計32個。通過使用具有搖桿(Joystick)的操作部件，可以令該機器人向任何方向自由步行。該產(chǎn)品在腳趾處安裝有關節(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器人世界杯大賽。從該屆起，將增設雙足步行機器人的足球賽事。這標志著機器人選手參加的世界杯又向人類走近了一步。該大賽的目標是“在2050年之前，制造出能夠戰(zhàn)勝當時世界冠軍隊的自律型機器人隊伍”，這一夢想將由雙足步行機器人來實現(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”擬人機器人亮相東京。該機器人身高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個部位的動作進行解析，然后把有關解析數(shù)據(jù)輸入給機器人，最后利用這些數(shù)據(jù)來控制機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、法國等也對步行機器人做了大量的基礎理論研究和樣機研制工作，并取得一定成就。美籍華人鄭元芳博士是美國雙足步行機器人研究者中一位非常杰出的人物。他基于神經(jīng)網(wǎng)絡研制出兩臺雙足步行機器人，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器人。他利用SDR-2于 1986年實現(xiàn)了平地上的前進、后退以及左、右側(cè)行；1987年，又成功地實現(xiàn)了動態(tài)步行。1971年至1986年間，英國牛津大學的Witt等人制造并完善了一個雙足步行機器人，該機器人在平地上行走良好，步速達0.23m/s。前面所述的研究主要是關于主動式步行機器人(靠關節(jié)電機驅(qū)動)。加拿大的d·McGeer主要研究被動式雙足步行機器人，即在無任何外界輸入的情況下，靠重力和慣性力實現(xiàn)步行運動。1989年，他建立了平面型的雙足步行機構(gòu)，兩腿為直桿機構(gòu)，沒有膝關節(jié)，每條腿上各有一個小電機來控制腿的伸縮，無任何主動控制和能量供給，放在斜坡上，可依靠重力實現(xiàn)動態(tài)步行。目前，主動和被動式雙足步行機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)雙足步行機器人的研制工作起步較晚，我國是從20世紀80年代開始雙足步行機器人領域的研究和應用的。1986年，我國開展了“七五”機器人攻關計劃，1987年，我國的“863”高技術(shù)計劃將機器人方面的研究開發(fā)列入其中。目前我國從事機器人研究與應用開發(fā)的單位主要是高校和有關科研院所等。最初我國進行機器人技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國際先進的機器人技術(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)大學和國防科技大學較為成果顯著。在自然科學基金和國家“863”計劃的支持下，哈爾濱工業(yè)大學自1985年開始研制雙足步行機器人，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型雙足步行機器人問世，HIT-I型雙足步行機器人具有10個自由度，重100kg，高1.2m，關節(jié)由直流伺服電機驅(qū)動，屬于靜步態(tài)行走。HIT-Ⅰ具有12個自由度，該機器人髖關節(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個自由度，踝關節(jié)采用兩電機交叉結(jié)構(gòu)，同時實現(xiàn)了兩個自由度，腿部結(jié)構(gòu)采用了圓筒形結(jié)構(gòu)。HIT-Ⅲ實現(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，國防科技大學成功研制出我國第一臺平面型六自由度的雙足機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)前進、后退和上下樓梯；1989年，他們又實現(xiàn)了準動態(tài)步行。1990年，進一步實現(xiàn)了實驗室環(huán)境下的全方位行走；2000年2月30日，國防科技大學在自1986年開始研制的雙足步行機器人的基礎上，成功研制出我國第一臺擬人機器人“先行者”，并通過國家“863”項目專家組驗收。與該校1990年成功研制的雙足步行機器人相比，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，實現(xiàn)了多項關鍵技術(shù)突破。2003年1月取名為BRH-1的仿人機器人在北京理工大學通過國家“863”項目組的驗收。這個機器人身高1.58m，體重76kg，具有32個自由度，每小時能夠行走1km，步幅0.33m。驗收專家認為該機器人在系統(tǒng)集成、步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)等方面實現(xiàn)了重大的突破。仿人機器人課題組負責人、北京理工大學教授李科杰認為:目前“BHR-1”仿人機器人己經(jīng)能夠根據(jù)自身力覺、平衡覺等感知機器人自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化，實現(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、電源和機構(gòu)于一體的高水平仿人機器人國家。 參 考 文 獻 [1] 張永學. 雙足機器人步態(tài)規(guī)劃及步行控制研究[M]. 哈爾濱工業(yè)大學博士學位論文. 2001. 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