六足步行機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告

1、燕山大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告課題名稱：六足步行機(jī)器人學(xué)院（系）里仁學(xué)院年級(jí)專業(yè)： 機(jī)械電子學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：完成日期：一、綜述本課題國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義步行機(jī)器人，簡(jiǎn)稱步行機(jī)，是一種智能型機(jī)器人，它是涉及到生物科學(xué)， 仿生學(xué)，機(jī)構(gòu)學(xué)，傳感技術(shù)及信息處理技術(shù)等的一 門綜合性高科技. 在崎嶇路面上，步行車輛優(yōu)于輪式或履帶式車輛.腿式系 統(tǒng)有很大的優(yōu)越 以及較好的機(jī)動(dòng)性，崎嶇路面上乘坐的舒適性，對(duì)地形的適應(yīng)能力強(qiáng).所 以，這類機(jī)器人在軍事運(yùn)輸，海底 探測(cè)，礦山開采，星球探測(cè)，殘疾 人的輪椅，教育及娛樂等眾多行業(yè)，有非常廣闊的應(yīng)用前景，多足步行 機(jī)器人技術(shù)一直是國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)

2、域的研究熱點(diǎn)之一。目前機(jī)械電子等期刊發(fā)布國內(nèi)研究成果如下：閏尚彬，韓寶玲，羅慶生在文獻(xiàn)1針對(duì)仿生六足步行機(jī)器人關(guān)節(jié)較多， 其步態(tài)軌跡規(guī)劃和關(guān)節(jié)控制量計(jì)算都較為復(fù)雜的現(xiàn)狀，采用Solidworks軟 件與MSC.ADAMS軟件相結(jié)合的方式對(duì)六足仿生步行機(jī)器人的樣機(jī)模型進(jìn)行 了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與分析.通過仿真，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的三角步態(tài)的適用性和所選 擇的三次樣條曲線作為機(jī)器人足端點(diǎn)軌跡曲線方案的可行性.韓寶玲 王秋麗羅慶生在文獻(xiàn)2基于六足仿生步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)特性 的研究，采用數(shù)值分析法求解了機(jī)器人步行足的足端工作空間，利用虛擬樣 機(jī)技術(shù)計(jì)算了機(jī)器人的靈活度，從兩方面綜合衡量六足仿生步行機(jī)器人的工 作能力，

3、并以六足步行機(jī)器人各腿節(jié)比例關(guān)系的確定為例，介紹了六足步行 機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化的具體方案.蘇軍陳學(xué)東田文罡在文獻(xiàn)3研究六足步行機(jī)器人全方位行走步態(tài)， 分析其靜態(tài)穩(wěn)定性；規(guī)劃了典型直線行走步態(tài)和定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)，確定了直線 行走步態(tài)最大跨步和定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)最大轉(zhuǎn)角；進(jìn)行了步態(tài)控制算法模擬仿真 及實(shí)地步行實(shí)驗(yàn)。王紹治郭偉 于海濤 李滿天在文獻(xiàn)4根據(jù)CPG雙層網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，采用 分層分布式系統(tǒng)架構(gòu)研究制了一種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).其基于FPGA的星 型總線，在保證通信速率的同時(shí)提高了系統(tǒng)抗干擾能力.在單足控制器中嵌 入雙NIOS完成CPG網(wǎng)絡(luò)解算和電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制.郭少晶韓寶玲 羅慶生在文獻(xiàn)5針對(duì)采用電池供電的六足仿

4、生步行機(jī) 器人其工作時(shí)間受限的情況，提出了將動(dòng)態(tài)電源管理、實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度和運(yùn)動(dòng) 策略規(guī)劃等方法，綜合運(yùn)用于其控制系統(tǒng)，且更為全面地考慮了機(jī)器人系統(tǒng) 的能耗等級(jí).這種方法對(duì)于降低機(jī)器人的系統(tǒng)能耗起到了實(shí)質(zhì)性的作用，其 整體思路與技術(shù)途徑可為降低其它類似的多足步行機(jī)器人的系統(tǒng)能耗，陳甫臧希喆趙杰閆繼宏在文獻(xiàn)6從機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)模式和步態(tài)控制 3個(gè)方面，對(duì)六足步行機(jī)器人的仿生機(jī)制進(jìn)行了分析.提出一種靈活度評(píng) 價(jià)函數(shù)，基于該函數(shù)對(duì)六足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；推導(dǎo)了步態(tài)模 式與步行速度關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)；構(gòu)建了分布式局部規(guī)則網(wǎng)絡(luò)，可自適應(yīng)地 調(diào)整錯(cuò)亂的腿間相序，生成靜態(tài)穩(wěn)定的自由步態(tài).仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述仿生

5、 機(jī)制的有效性。王立 劉連蕊 高建華在文獻(xiàn)7針對(duì)六足步行機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化地形下 運(yùn)動(dòng)時(shí)方向轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小對(duì)控制的影響,運(yùn)用差分控制方法導(dǎo)出六足步行機(jī) 器人在非結(jié)構(gòu)化地形下行走時(shí)各足端的方位信息，在保持機(jī)體和足端協(xié)調(diào)性 的同時(shí)，保證機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中不與復(fù)雜的地面發(fā)生接觸，順利地完成機(jī) 器人左右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng).在仿真實(shí)驗(yàn)中得到了滿意的結(jié)果，為將來的實(shí)際應(yīng)用奠 定基礎(chǔ)。楊立輝羅慶生王秋麗毛新在文獻(xiàn)8通過對(duì)六足步行機(jī)器人步行足 的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，按照坐標(biāo)系的建立原則，選取機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動(dòng)副作為關(guān)節(jié)變量， 推導(dǎo)出各關(guān)節(jié)的廣義變換矩陣，得到了步行足足端的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，求出步行 足足端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)的正解坐標(biāo)系，利用paul等人

6、提出的代數(shù)解法進(jìn)行了運(yùn)動(dòng) 學(xué)逆解分析，并借助計(jì)算機(jī)對(duì)其逆解進(jìn)行了驗(yàn)證，為后續(xù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和軌 跡規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。張伏張國英邱兆美毛鵬軍在文獻(xiàn)9對(duì)雙足人、四足動(dòng)物、六足昆蟲 的行走方式和軀體形態(tài)以及它們?cè)诓綉B(tài)、體態(tài)方面的差別進(jìn)行了綜合論述， 進(jìn)而對(duì)不同行走方式的機(jī)器人的步態(tài)策略進(jìn)行了論述,并對(duì)行走機(jī)構(gòu)足數(shù)與 性能進(jìn)行了定性評(píng)價(jià)，展望了動(dòng)物步態(tài)和仿生步行機(jī)器人研究的發(fā)展前景。1990年，美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)研制出用于外星探測(cè)的六足步行機(jī)器 人AMBL ER2 ,如圖1所示。該機(jī)器人采用了新型的腿機(jī)構(gòu)，由一個(gè)在水 平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)桿和在垂直平面內(nèi)作直線運(yùn)動(dòng)的伸展桿組成，兩桿正交。 該機(jī)器人由一臺(tái)32

7、位的處理機(jī)來規(guī)劃系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)路線、控制運(yùn)動(dòng)和監(jiān)視系統(tǒng) 的狀態(tài)，所用傳感器包括激光測(cè)距掃描儀、彩色攝像機(jī)、慣性基準(zhǔn)裝置和觸 覺傳感器?？傎|(zhì)量為3 180 kg，由于體積和質(zhì)量太大,最終沒被用于行星探 測(cè)計(jì)劃。1993年，美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)開發(fā)出有纜的八足步行機(jī)器人 DANTE，用于對(duì)南極的埃里伯斯火山進(jìn)行了考察，其改進(jìn)型DANTE - II也在 實(shí)際中得到了應(yīng)用3 ，如圖2所示。1994年,DANTE - II對(duì)距離安克雷 奇145 km的斯伯火山進(jìn)行了考察，傳回了各種數(shù)據(jù)及圖像。19962000年，美國羅克威爾公司在DARPA資助下,研制自主水下步行機(jī) ALUV (Autonomous Legg

8、ed UnderwaterVehicle) 4 ，如圖 3 所示。該步 行機(jī)模仿螃蟹的外形，每條腿有兩個(gè)自由度，具有兩棲運(yùn)動(dòng)性能，可以隱藏在 海浪下面，在水中步行，當(dāng)風(fēng)浪太大時(shí)，將腳埋入沙中。它的腳底裝有傳感器, 用于探測(cè)岸邊的地雷，當(dāng)它遇到水雷時(shí)，自己爆炸同時(shí)引爆水雷。在對(duì)昆蟲步態(tài)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,2000年美國研制出六足仿生步行機(jī)器人 Biobot1,如圖4所示。為了像昆蟲那樣在凸凹不平地面上仍能高速和靈活 步行，采用氣動(dòng)人工肌肉的方式，壓縮空氣由步行機(jī)上部的管子傳輸，并由氣 動(dòng)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié),使用獨(dú)特的機(jī)構(gòu)來模仿肌肉的特性。與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比, 該作動(dòng)器能提供更大的力和更高的速度。通常足數(shù)

9、多于或等于四的步行機(jī)器人稱為多足步行機(jī)器人，該類機(jī)器人能夠 在不平的路面上穩(wěn)定地行走，可以取代輪式車完成在一些復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)輸 作業(yè)，因此多足步行機(jī)器人在軍事運(yùn)輸及探測(cè)、礦山開采、水下建筑、核工 業(yè)、星球探測(cè)、農(nóng)業(yè)及森林采伐、教育、藝術(shù)及娛樂等許多行業(yè)有著非常廣 闊的應(yīng)用前景。長期以來，多足步行機(jī)器人技術(shù)一直是國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域研 究的熱點(diǎn)之一。為了探索多足步行機(jī)器人技術(shù)的研究前沿，給我國多足步行 機(jī)器人工程實(shí)用化開發(fā)提供關(guān)鍵技術(shù)的支持，開展多足步行機(jī)器人相關(guān)理論 和技術(shù)的研究具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題步行機(jī)器人的機(jī)械部分是機(jī)器人所有控制及運(yùn)動(dòng)的載體，

10、其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直 接決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，其性能的好壞也直接決定了功能可行性。多足步行機(jī)器人的 機(jī)構(gòu)系統(tǒng)主要包括機(jī)器人腿部件的布局、腿部件的結(jié)構(gòu)形式、腿的數(shù)量等， 而其中腿部件的結(jié)構(gòu)形式是多足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)的重要組成部分，是機(jī)械設(shè) 計(jì)的關(guān)鍵之一。因此，從某種意義上說，對(duì)多足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)的分析主要 集中在對(duì)其腿機(jī)構(gòu)的分析。一般地，從機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求看，腿機(jī)構(gòu)不能 過于復(fù)雜，桿件過多的腿機(jī)構(gòu)形式會(huì)引起結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生困難。因此 對(duì)多足步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)的基本要求可以歸納為：（1）實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的要求；（2）承載能力的要求；（3）結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)和方便控制的要求。三、研究步驟、方法及措施查閱文獻(xiàn)資料，從文獻(xiàn)

11、資料中掌握一些關(guān)于工業(yè)關(guān)節(jié)機(jī)器人的基本知 識(shí)，確定研究方案。對(duì)選定方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，定出各零 部件的尺寸形狀，進(jìn)行強(qiáng)度校核，并確定驅(qū)動(dòng)器容量、傳動(dòng)方式和速比。利用Solidworks對(duì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)造型，再將零件裝配起來，利用仿真 模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模擬。利用Solidworks / cosmos模塊對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)械本體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得 出關(guān)鍵部件的動(dòng)態(tài)速度及加速度圖表，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行必要的校核，并驗(yàn)證動(dòng) 力容量和速比的正確性。繪制典型零件圖、部件圖及總體裝配圖。制作畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書，翻譯外文文獻(xiàn)。四、研究工作進(jìn)度第一階段（3月1號(hào)3月3號(hào)），查閱資料。第二階段（3月4號(hào)3月

12、7號(hào)），閱讀文獻(xiàn)資料。第三一階段（3月8號(hào)3月10號(hào)），篩選文獻(xiàn)資料，初步確定設(shè)計(jì)方案。第四階段（3月11號(hào)3月13號(hào)），撰寫開題報(bào)告與文獻(xiàn)綜述。第五階段（3月14號(hào)3月17號(hào)），討論修改報(bào)告。第六階段（3月18號(hào)3月22號(hào)），制作PPT。第七階段（3月23號(hào)3月25號(hào)），準(zhǔn)備第一次答辯。第八階段（3月27號(hào)3月31號(hào)），進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，確定所用機(jī)械結(jié)構(gòu)， 所用零件。第九階段（4月1號(hào)4月3號(hào)），進(jìn)行初步校核。第十階段（4月4號(hào)4月6號(hào)），用solidworks對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)造型。第十一階段（4月7號(hào)4月8號(hào)），將每個(gè)零件裝配起來。第十二階段（4月9號(hào)4月12號(hào)），利用仿真模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿

13、真模擬。第十三階段（4月13號(hào)4月17號(hào)），進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。第十四階段（4月18號(hào)4月23號(hào)），第十五階段（4月23號(hào)4月30號(hào)），用Solidworks對(duì)機(jī)械腿進(jìn)行三維 造型。第十六階段（5月1號(hào)5月4號(hào)），用Solidworks對(duì)用到的其他零部件 進(jìn)行三維造型。第十七階段（5月5號(hào)5月7號(hào)），對(duì)所畫的零部件進(jìn)行初步的組裝。第十八階段（5月8號(hào)5月11號(hào)），檢查各處配合完成零部件的組裝。第十九階段（5月12號(hào)5月15號(hào)），進(jìn)行模擬仿真。第二十階段（5月16號(hào)5月18號(hào)），機(jī)械本體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證 設(shè)計(jì)的合理性。第二十一階段（5月19號(hào)5月23號(hào)），繪制初步的整體圖紙。第二十二階段（5月19

14、號(hào)5月22號(hào)），采用CAD繪制典型零件圖、 部件圖。第二十三階段（5月23號(hào)5月30號(hào)），繪制典型零件圖、部件圖。第二十四階段（5月31號(hào)6月3號(hào)），繪制總體裝配圖。第二十五階段（6月4號(hào)6月7號(hào)），制作畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第二十六階段（6月8號(hào)6月12號(hào)），翻譯外文文獻(xiàn)。第二十七階段（6月13號(hào)6月15號(hào)）,對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行整理。第二十八階段（6月18號(hào)6月17號(hào)），準(zhǔn)備答辯五、主要參考文獻(xiàn)【1】韓寶玲王秋麗羅慶生六足仿生步行機(jī)器人足端工作空間和靈活 度研究 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究2006第4期【2】閏尚彬韓寶玲羅慶生仿生六足步行機(jī)器人步態(tài)軌跡的研究與 仿真計(jì)算機(jī)仿真2007第10期【3】蘇軍 陳學(xué)東田文罡

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