双足机器人项目申请

1、学科分类XXX大学大学生科技创新项目项目名称： 项目负责人： 学院、专业、年级： 项目组成员：指导教师：共青团XXX大学委员会二O 一四年四月制项目承诺书申请人承诺：1、项目申请书中填报的各项内容真实准确，并经项目组所有成员一致确认，并愿意承担由于填报不实带来的后果。2、如果项目获得批准立项，本申请书将自动成为项目合同，本人及项目组所有成员将遵守XXX大学学生科技创新活动管理条例 有关规定，认真开展研究工作，取得预期研究成果。年月日项 目 负 责 人姓名性别出生 年月年级专业通信工程学历项 目 组 学 生 成 员姓名年龄性别专业分工姓名性别专业所在部 门职称学历成果形式实物及培训计划项目简介项

2、目名称双足机器人的设计与实现项目概况项目性质项目来源起止时间()基础研究()学生自主立题()应用研究()教师指导选题自2014年05月至2015 年05月、立项依据1项目的目的意义机器人技术是电子、机械、人工智能等各个领域新技术的结晶，双足机器人的研 究作为机器人学的一个分支，无疑对机器人研究的技术和思想提出了更高的要求。它所应该具有的活动能力对力学和机械学提出了挑战，它对控制的高度灵活的要求使现代控制理论找到了真正的用武之地，双足步行机器人具有仿人的外形和步行方式、广泛的社会应用前景和多学科的融合等特点，是机器人研究中的一个热门领域。双足机器人对机器人的驱动装置及机械结构提出了特殊要求，这将

3、导致传统机械的重大变革双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， 这对机器人的运学、动力学、控制理论的研究提出了一个非常理想的试验平台。在对 其研究的过程中，很可能导致新理论、新方法的产生。本项目拟进行双足步行机器人 的基本设计与研究工作研制具有高度稳定性的双足步行机器人平台，为研究后续工作和进一步的机器人发展铺平道路。未来的数字家庭中，机器人将是主宰者。分析人士指出，随着技术进步以及市场 空间的扩大，机器人的价格也将像 PC产业一样迅速下降，从而走进千家万户。而高 校作为科技人才培养的重要基地，对于机器人方面的人才的培养也是势在必行的。于因此有必要开发出一套通用性是各种

4、专门面向教学研究，旨在传授机器人学方面先进控制知识的教学机器人应运而 生了。由于目前高校教学所使用的机器人的型号很多， 较强，能够适合于培训的双足机器人教程和相应的配件。综上，双足机器人的研制，具有以下意义：1、双足机器人在不平地面和松散地面上运动速度较高，而耗能较低（相对于轮 式、履带式机器人而言）。2、 双足机器人具有广阔的工作空间。双足步行机器人不需要专门为其对环境进行大规 模改造，可以在人类的生活和工作环境中与人类协同工作。3、双足机器人能在人类的生活和环境中与人类协同合作，而不需要对其进行专 门大规模改造。4、双足机器人本身是机器人系统的入门，有很大的改进空间，经过改进，可以制成足球

5、机器 人，机器蜘蛛、机器狗等。5、双足机器人越来越广泛的应用于生产生活中，所以它也具有很高的生产价值和商业在极限环 境下代替人工作业，如海底勘探，水下资源的开发，地震搜救，核电站内的监视和维护等领域有着 广阔而潜在的应用前景。2、国内外研究概况、水平和发展趋势国外的双足机器人研究早在 80年代就已经形成了热潮，并且提出了很多非常系 统的建模及控制的理论和方法。 我国在这方面的研究则比较零星，很多研究集中在机器人的步态控制上，完整的动力学建模还较少涉及，这有待我们的进一步努力。经过不断地努力探索，通过对建模的方法针对步态进行优化，然后把所建立的优化方程直接用计算机进行仿真计算，从而得到机器人的特

6、性参数。随着这些方法的发展，双足机器人的模型也越来越复杂，从简单单自由度被动式机器人到拥有多达17个自由度的主动式机器人都已经问世，其中后者基本上可以完成走、转向、小跑等动 作。国内的研究中比较系统的建模理论很少，但在步态研究和控制研究却也不冷，并还有柳洪且很有创新，如张克等人提出的用小波神经网络来控制双足机器人的步态, 义等人在机器人脚触地所带来的冲击进行较为详细的研究。目前双足机器人移动方式能耗较低，对非结构环境具有较好的适应性，例如巷道和 活动空间较小的危险区域，具有更好的机动性和更强的避障能力。国内外双足机器人的 研究取得了丰硕的成果。美国波士顿动力公司于2009年推出第一代液压驱动双

7、足机器人“petman”2011年9月推出第二代 “petman，它的职能是为美军实验防护服装。日本本田公司推出的“ASIMO，它的目标是家庭服务。中国专利文献CN101856286A公开了 一种用于下肢假肢性能测试的双足步行机器人装置”，该装置用于智能下肢假肢定量测试和评估。中 国专利文献CN101229826A公开了 一种双足机器人的下肢机构”，该机构是电机驱动， 基本不具有 负重能力。中国专利文献 CN101565064A公开了 一种双足机器人步行机 构”该机构可实现较多的仿人动作，基本不具有负重能力。中国专利文献 CN101121424A公开了 一种多自由度的双足机器人下肢机构 ”该机

8、构具有一定的承载 能力，但是机构比较复杂。目前，双足机器人研究，大都追求仿人的动作及与人的交流。 机器人基本不具有负重能力。近年来，双足负重机器人的研究已逐步展开。2005年日本国际博览会（简称为爱知世博会丰田公司展出“I foot的载人机器人， 可搭载一名体重在70公斤以下的驾驶员，同时可以搬动60公斤左右的重物，身高2.36m, 其自身重量为200公斤，机构比较笨 重。日本千叶工业大学未来机器人研究中心研制 出可以搬运100kg的人或重物的双足步行机器人 “Core”这是目前世界上双足机器人可 以搬运的最大重 量。Core作为原型机，高1.915米，重230kg，在关节部位总共搭载了 12

9、台强力大型马达从而实现100kg的载重。运动能力相对较差。北大工学院智能控制实验室的研究人员，在北大 “95工程”经费的支持下，通过调 研国内外最新研究进展，经过精心设计和反复实验，成功研制出新型双足（类人）机器人。 该机器人被命名为Runbo。其每条机械腿均只使用一个电机作为主动运动驱动，膝关节 和踝关节采用仿生被动关节。整个运动通过弹性机构实现运动能量的存储和释放，在很 大程度上模拟了人类运动方式。现有负重型机器人机构比较笨重，运动能力相对较差，而且，大都采用电驱动，机 器人自身重量比较大。开发一种、机构简单、运动能力强并且具有负重能力的液压驱动 的双足机器人具有理论和实际意义。总之，现在

10、的双足机器人正在和人工智能、计算机、新材料等高技术领域相结合。3、项目的应用前景、学术价值双足机器人的研究起源于人的好奇性和一种自我挑战的心理，人们总想制造出 一种跟自己差不多的机器，它可以忠实地供人驱使，为人干活，成为人的终身保姆。 目前的双足机器人技术和人的这些梦想相比，可能还要一段很长的路要走。但是我 们可以看到现在己经有各种样式的双足机器人问世，它们可以行走和顺利拐弯，也 可以做一做“小动作”。但是如果这种机器人具有很好的控制性能，还有小巧玲珑 的体形，再加上必要的人工智能和学习能力，则它的应用不仅仅在科研上，它可以 进入家庭和服务业，进而代替现在的机器宠物，使这种“机器人保姆”进入市

11、场。 还可以在工业上代替从事一些复杂且没有规律的手工劳动，在科学探测活动中从事 高危险系数或者人无法完成的作业。总之，双足机器人有着巨大的应用前景和发展 潜力。双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。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

12、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。4、现有研究工作基础、现有条件和手段研究工作基础：双足步行机器人是近年来机器人研究领域的热点，是智能机器人理论和技术的集 中体现，涉及到许多的学科。两足步行机器人的机构是所有部件的载体，也是设计两足 步行机器人最基本的和首要的工作。它必须能够实现机器人的前后左右以及爬斜坡和 上楼梯等的基本 功能，因此自由度的配置必须合理：首先分析一下步行机器人的运动过 程（前向）和行走步

13、骤：重心右移（先右腿支撑）、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中 间、 重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。从机器人步行过程可以看出:机器人向前迈步时，髓关节与踝关节必须各自配置有一个俯仰自由度以配 合实现支撑腿和上躯体的移动；要实现重心转移，髋关节和踝关节的偏转自由度是必不 可少的;机器人要达到目标位置，有时必须进行转弯，所以需要有髋关节上的转体自由 度。另外膝关节处配置一个俯仰自由度能够调整摆动腿的着地高度，使上下台阶成为 可能，还能实现不同的步态。这样最终决定髋关节配置3个自由度，包括转体（roll）、俯仰（pitch）和偏转（yaw）自由度，膝关节配置一个俯仰自由

14、度，踝关节配置有俯仰和偏 转两个自由度。这样，每条腿配置 6个自由度，两条腿共12个自由度。髋关节、膝关 节和踝关节的俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在纵向平面（前进方向）内的直线行走功能；髋关节 的转体自由度可实现机器人的转弯功能；髋关节和踝关节的偏转 自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。各大院校，已经取得一些成果，例如，哈尔滨工业大学设计的舞蹈机器人，哈尔 滨工程大学设计的参加挑战杯比赛的机器人，都可以借鉴，取其优点，进行创新。现有条件：已经具备双足机器人的设计能力，制作过舞蹈机器人、无线机械臂、四轴飞行 器，有着参加过全国电子设计大赛的优秀学生团队，有着充足的经验与创新能

15、力。、研究方案1、主要研究内容、创新点、目标、社会效益或经济技术指标制作出适合培训的双足机器人，机器人的种类很多，但是没有一种适合广大电 子爱好者可以自主设计的机器人教程， 机器人十分吸引人，但是其内部结构十分复杂， 不适合初学者入手，所以设计一个适合培训的双足机器人是十分必要的。面对绝大多数双足机器人， 只可以看到他们美丽的外表， 而无法看到他们的组成 部分，基于此处的欠缺，我们设计了这款机双足器人，即使是不懂得编程，也可以上 手进行操作，基于能够自主设计，所以可以发挥自己的想象，为双足机器人配上美丽 的服装，通过校内的机器人比赛，来展现设计者独特的创意，让广大电子爱好者找到 新的学习道路。

16、设计双足机器人的具体目标是， 设计出可以用于培训的双足机器人， 并制作出一 整套培训方案，并进行一段时间的培训，是培训者能够设计出自己满意的机器人。可以通过在中小学的宣传走访， 把双足机器人带到中小学课堂，为他们讲解机器人的原理和内部结构，增进少年求知的欲望，调动孩子们的学习的热情，促进孩子可 以健康发展。通过参加一些婚礼和庆典，可以使用双足机器人进行表演，收取一些表演费用， 来获得一些经济效益，也可以设计成玩具，通过生产，推向市场。2、技术关键点和难点目前困难最大，也是最关键的问题就是双足机器人的平衡问题，就像一个蹒跚学步的婴儿，走路是十分困难的，所以要经过不断地调试，不断地利用算法进行弥补

17、， 完善机器人的走路这个难题。双足机器人的机械结构也是一个关键，要把握好机器人的重心， 使机器人不至于再做出动作时摔倒。电源选择方面也非常重要： 由于双足步行机器人要求的精度要求比较高，而交直流电机通电就转，断电就停，比较难进行机器人的位置控制；步进电机虽能按一定的精度工作，但它本身是 一个开环系统，精度达不到要求。因此，双足机器人选择使用伺服电动机。双足机器人的控制系统非常关键， 控制系统总体结构选用"上位机+串口 +下位机"的 控制系统解决方案。上位机控制软件的主要功能是对预定的机器人动作进行规划和位置 插补，再按照一定时间间隔和次序进行发送给下位机，实现机器人关节位置和近似的速度 控制；下位机主要功能是接收上位机发送的位置信号， 根据信号要求产生PWM波，控制 机器人各个关节舵机运动，使机器人按动作规划完成一系列动作。相应的，下位机主要 由完成串口通信、数据的调度和舵机驱动模块构成。对于电子专业学生来说，其中的机械设计部分是个难题。3、主要研究方法和技术路线通过前期的技术总结，不断地完善程序设计和机械设计，通过反复的调试，让双 足机器人更加的稳定，之后设计培训计划，通过不断地培训摸索，对培训计划进行修 改，最终完成整个项目。以前实验室也做过机器人的项目，在此基础上，