輪腿機器人開題報告

1、河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文開題報告論文題目2013年 12 月 2 日1.課題的研究背景及意義移動機器人是一種能夠通過內(nèi)、外傳感器反饋信息感知環(huán)境及自身狀態(tài)，實 現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中自主運動，從而完成一定功能或任務(wù)的機器人系統(tǒng)1。目 前已廣泛運用于野外考察、地震救災(zāi)、環(huán)境檢測、娛樂生活等諸多行業(yè)，在安全、 軍事、生活以及科學(xué)研究中扮演著越來越重要角色。其中輪式機器人結(jié)構(gòu)簡單， 容易實現(xiàn)，具有移動速度快、轉(zhuǎn)向性能好、行走效率高等特點。但同時適應(yīng)地形 和避障的能力差。足式機器人對地形的適應(yīng)能力較好，可以跨越障礙物、臺階等， 但運動間歇大，速度慢。隨著移動機器人的不斷開發(fā)和應(yīng)用范圍的擴展，未來會 在更

2、多復(fù)雜且未知的環(huán)境中工作。僅僅依靠輪式或者足式的移動機器人已無法完 全適應(yīng)工作環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性了。為了配合對移動機器人性能要求的逐漸提 高，相繼問世了許多混合式的移動機構(gòu)，其中輪腿式移動機器人就融合了輪式移 動機器人和腿式移動機器人的特點。既可以保證在平坦地面的移動效率又具有了 良好的跨越障礙的能力。但當(dāng)輪腿式移動機器人采用足式的方式行走時目前在技術(shù)上還存在許多困 難，然而在自然界中存在的多足昆蟲則可以通過它們長期進化得到的復(fù)雜且精妙 的肢體結(jié)構(gòu)和靈活的的運動方式，容易地通過了各種復(fù)雜的自然地形，甚至能在 光滑的表面上倒立行走。因此，將多足昆蟲的行為學(xué)研究成果，融入到移動機器 人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3、與控制中，開發(fā)具有卓越移動能力的輪腿式仿生移動機器人，對于 足式移動機器人和輪腿式移動機器人技術(shù)的研究與應(yīng)用都具有重要的理論和現(xiàn) 實意義。本文從仿生的角度出發(fā)，對輪腿機器人進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其可以在跨越障礙 物、溝壑、樓梯等不規(guī)則地形保持機體平穩(wěn)和運動的效率。主要的問題在于解決 腿部結(jié)構(gòu)，使其可以獲得更好的穩(wěn)定性和更低的能量消耗。結(jié)合輪式和足式的優(yōu) 點，根據(jù)不同的環(huán)境變換輪式運動和足式運動兩種運動方式，達到良好的運動靈 活性和較高的移動速度的統(tǒng)一，提供良好的應(yīng)用平臺。為了能夠保持機器人的穩(wěn)定移動，這就要求機器人足數(shù)越多越好。當(dāng)機器人 在選擇腿式不行和輪子轉(zhuǎn)動時需要進行輪腿的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換的過程中，

4、腿部需要 上抬，其余的腿用來保持平衡，這樣就需要至少四條腿，否則無法在轉(zhuǎn)換過程中 保持身體的平衡。隨著足數(shù)的增加，其穩(wěn)定程度會增加，但七足以上就會基本達 到飽和。因此本課題選擇六輪腿仿生機器人作為研究的對象，既具有冗余的腿部 結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，同時又不會造成腿部的浪費。對地形的適應(yīng)能力比較強，能夠在 復(fù)雜的地表高效行走，即使失去若干肢體也依然可以執(zhí)行任務(wù)，因此比較適合進 行野外偵查、水下搜索以及太空探測等對機器人的可靠性、自主性要求較高的工 作。并參考仿生學(xué)的成果，對六足昆蟲的腿部進行研究。分析了腿部結(jié)構(gòu)和功能 特點，以此為基礎(chǔ)設(shè)計完成了六足仿生機器人的單腿結(jié)構(gòu)2.六輪腿機器人研究現(xiàn)狀及趨勢輪腿式

5、機器人作為移動機器人的一部分，兼具了輪子和腿的功能，具有優(yōu)良 的越障能力和機動性能，簡單的結(jié)構(gòu)形式以及移動中的高效性和平穩(wěn)性。在平整 的地形可以運用輪子結(jié)構(gòu)前行，在非平整地形環(huán)境可以采用足式或輪腿復(fù)合式前 進。具有速度高、能耗低、地形適應(yīng)性強的特點。近幾十年來，輪腿式移動機器人技術(shù)得到了很快的發(fā)展，并有許多成功的案 例。輪腿式移動機器人多用在搶險、排爆、污染源檢測測、外星探測等領(lǐng)域2.1國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀美國噴氣與推進實驗室（JPL）研制了 1997年被人類送上火星的第一臺探測 車 sojourner （如圖 2.1），Sojourner 是 -輛微型自主式機器人車輛，采用六輪搖 臂懸吊式結(jié)構(gòu)，

6、即有6個獨立懸掛的驅(qū)動輪，傳動比為2000:1，本機器人是真正意 義上的六輪腿式移動機器人。以及后來的火星探測車漫游者（mars rover）機器 人（如圖2.2），該款機器人擁有最先進的機動性，其六輪腿式結(jié)構(gòu)是目前最先進 的,具有強大的越障能力。原地360o的轉(zhuǎn)彎能力及伸縮性，除了其先進的機動性 能，探路者機器人上安裝了包括Pancam（立體攝像頭）、Mini-TES（紅外分光儀）、 顯微鏡、Mossbauer（分光儀，用來測定巖石成分）、APXS（ALPHA射線）系統(tǒng)、 RAT（Rock Abrasion Tool）系統(tǒng)等各種先進的儀器來探測環(huán)境，觀察并分析巖石和 土壤。用來探測火星上是否

7、有生命，以及有沒有生命的遺跡、火星上的地質(zhì)和氣 候環(huán)境。圖2.1 sojourner探測車圖2.2 mars rover探測車美國全地形六足星際探測器“運動員” （ATHLETE）同樣也是由美國宇航局噴 氣與推進實驗室（JPL）研制的（如圖2.3），Athlete高13英尺（3.96米），重357石（2268 公斤），它可攜帶超過2285石（1.45萬公斤）有效載荷，但它比通常的行星探索車輕 25%。其最快行進速度能達到10m/s，最大爬坡能力為50度硬質(zhì)土地，25度沙 地。最大越障高度可達2.8米。為了減輕重量他將工具安裝在了腿上，當(dāng)輪子抬起來的時候，可以安裝、拆 卸工具，比如鉗子和電鉆等（

8、如圖2.4）。ATHLETE可以通過遠程控制實現(xiàn)行走， 甚至的跳躍和舞蹈。該機器人擁有6條關(guān)節(jié)型腿，腿上安有輪子，因此即便在凸 凹不平的地形上，它也能行動自如。同時ATHLETE機器人的六個負重輪擁有極大的靈活性，可在各種復(fù)雜的地形下前進。在遇到障礙時，可以通過抬腿越過障 礙。每條腿都有安裝有內(nèi)置的攝像頭，攝像頭拍攝到的視頻信息經(jīng)過整合處理， 可以同時顯示在一個顯示器上，為控制人員展示機器人周邊的3D影像5。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的兩款輪HITAN-I7（如圖2.5）它們的移動系統(tǒng)品動機器人Jft都由四 It-hY|T0R6哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的兩款輪HITAN-I7（如圖2.5）它們的移動系統(tǒng)品動

9、機器人Jft都由四 It-hY|T0R6和二二J組成，每套移動機構(gòu)四個自由度，車輪獨立驅(qū)動，腿關(guān)節(jié)三個自由度，可實現(xiàn)輪式或腿式移 動。輪式移動時，腿上各關(guān)節(jié)鎖定，由車輪獨立驅(qū)動。腿式移動時，當(dāng)前進時制 動器鎖止足底輪。腿部驅(qū)動選用蝸輪蝸桿機構(gòu)，這種設(shè)計可以將電機藏于腿的肢 體內(nèi)，結(jié)構(gòu)更加緊湊。是一個可以直行、原地轉(zhuǎn)向、樓梯爬越、足底輪滾進的復(fù) 合運動的輪腿機器人8。HITAN-I四條腿末端的車輪都可獨立驅(qū)動，這種設(shè)計可 以保證移動機構(gòu)具有更好的環(huán)境適應(yīng)性，但電機數(shù)量的增多使機構(gòu)負載提高，控 制難度加大。HITAN-IHIT-HYBTOR圖 2.5 HIT-HYBTOR和 HITAN-I由日本研

10、制的Roller-WalkeH9i0（圖2.6）也是一種四足輪-腿混合式移動機器 人，和所有其它成果不同的是，安裝在四條腿末端的車輪均為被動輪，不能獨立 驅(qū)動。它的運動原理類似于溜旱冰，依靠腿部驅(qū)動產(chǎn)生的推力實現(xiàn)輪式移動，它 結(jié)構(gòu)設(shè)計上的另一個獨特之處在于車輪可轉(zhuǎn)過90o，當(dāng)平臺以步行方式移動時， 可為腿式移動的“腳”，這種機構(gòu)的優(yōu)點在于充分挖掘了車輪的性能，松軟工作環(huán) 境下可在一定程度上減小對地壓強。2.2現(xiàn)有輪腿移動機器人結(jié)構(gòu)分類對于現(xiàn)有輪腿式移動機構(gòu)來說，雖然功能上非常相近，但是結(jié)構(gòu)上千差萬別, 綜合它們的結(jié)構(gòu)特點大體可以劃分為兩類：第一類從結(jié)構(gòu)上來看就是將輪子安裝在腿部的末端，使輪和腿

11、形成串聯(lián)結(jié) 構(gòu)，以輪作腳。這是輪腿混合式機構(gòu)系統(tǒng)中比較常見的一種。是目前研究成果較 多的一類。大多情況下輪和腿各自保持獨立驅(qū)動，這種特點保證了它們功能上既 能夠以單一方式移動，這時就相當(dāng)于純粹的輪式或腿式移動。又可以兩種移動機 構(gòu)同時發(fā)揮作用，以混合方式移動?？梢钥闯?，這種系統(tǒng)實際上只是兩種移動方 式功能上的簡單組合。結(jié)構(gòu)上兩種子機構(gòu)具有明顯的獨立性和完整性。上述幾種 都屬于等都屬于這一類mi。第二類從結(jié)構(gòu)上來看輪和腿完全分離，移動中兩者或同時發(fā)揮作用以混合式 移動，或采用單一方式移動。和第一類相比結(jié)構(gòu)上更加簡單，控制更容易。3本課題的主要內(nèi)容和研究目標本課題的研究目標是完成一個六輪腿仿生移動

12、機器人的機構(gòu)設(shè)計，并從仿生 機制、構(gòu)型設(shè)計、建模仿真等方面進行深入的研究，主要內(nèi)容如下。3.1六輪腿機器人的腿部機構(gòu)設(shè)計我們所設(shè)計的機器人采用四自由度的關(guān)節(jié)式腿機構(gòu)，每條腿都是一個平面連 桿機構(gòu)，由四段結(jié)構(gòu)組成：髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)和小腿。為了縮小擺腿時的轉(zhuǎn) 動慣量，使機器人運行盡可能平穩(wěn)。應(yīng)盡量將電機、減速器等裝置安裝在機體上。 因此我們把髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機及減速安裝在機體上。其余裝置安裝在結(jié)構(gòu)之間的 關(guān)節(jié)上。六條腿均安裝有輪子，每個輪子配有一個獨立的電機控制轉(zhuǎn)動。即每條腿共 有四個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。當(dāng)機器人從足式轉(zhuǎn)換成輪式結(jié)構(gòu)時，調(diào)整大腿 和膝關(guān)節(jié)之間角度以及膝關(guān)節(jié)和小腿之間的角度，完

13、成輪子的抬起和落下。（2）六輪腿機器人的機體設(shè)計機體的設(shè)計首先要考慮兩個因素：一是避免腿部之間發(fā)生碰撞，擴大腿部的 活動范圍；二是增加機體的穩(wěn)定性。又由于機體是一個支持的平臺，平臺上需要 安裝控制器、電源模塊、關(guān)節(jié)驅(qū)動電機、減速器等部件，其長度和寬度又必須滿 足這些部件的安裝需要。同時，因該機器人六條腿與機體相連，還需要考慮整體 布局和安裝定位。基于對多足昆蟲的仿生分析，選擇橢圓形的機體形式Hl%。 在選材既要考慮機體的高強度，也要注意減少機器人的整體重量。本課題采用的研究方法（1）.建立模型：在solidworks中建立六輪腿機器人的單腿模型。（2）進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化：通過Matlab對比其不同結(jié)

14、構(gòu)比例情況下的工作空間、 靈活度和能耗。腿部長度及各部分尺寸進行優(yōu)化。（3）精確仿真：在Admas中導(dǎo)入機構(gòu)，對其進行仿真，選取合適電機。本課題研究的主要難點(1)機器人整體結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化過程中，對于空間體積求解存在誤差，無法 得到最優(yōu)方案。(2)末端慣性過大，對電機的要求高，容易出現(xiàn)剛性差的現(xiàn)象，引起機器 人整體穩(wěn)定性差。本課題研究進度安排2012.11:閱讀相關(guān)文獻，對課題中的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，確定各階 段具體方法。2013.12-2014.1:提出腿部結(jié)構(gòu)方案，對其進行優(yōu)化。2014.2-2014.4 :確定方案，進行仿真，選取合適的電機和減速器等，繪出三 維及二維圖紙。2014.5-20

15、14.7:制作單腿的實體，對其進行各項測試和修改。2014.8-2014.9 :完成六條腿的制作及機體的設(shè)計和制作2015.1:開始組織材料，撰寫課題論文。參考文獻王海彬，黃永生，姚丹霖.國外地面軍用機器人系統(tǒng)綜述.汽車運用,2005,11:18-20.陳甫.六足仿生機器人的研制及其運動規(guī)劃研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文.2009張立杰.新型復(fù)合式仿生輪-腿機構(gòu)運動學(xué)及動力學(xué)研究.國防科技大學(xué)博士論文.2008Yasuhisa Hirata, Zhidong Wang, Kenta Fukaya and Kazuhiro Kosuge. Transporting an Object by a P

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