1、燕山大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告課題名稱：六足步行機器人學(xué)院（系）里仁學(xué)院年級專業(yè)： 機械電子學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：完成日期：一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義步行機器人，簡稱步行機，是一種智能型機器人，它是涉及到生物科學(xué)， 仿生學(xué)，機構(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 以及較好的機動性，崎嶇路面上乘坐的舒適性，對地形的適應(yīng)能力強.所 以，這類機器人在軍事運輸，海底 探測，礦山開采，星球探測，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 機器人技術(shù)一直是國內(nèi)外機器人領(lǐng)

2、域的研究熱點之一。目前機械電子等期刊發(fā)布國內(nèi)研究成果如下：閏尚彬，韓寶玲，羅慶生在文獻1針對仿生六足步行機器人關(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)合的方式對六足仿生步行機器人的樣機模型進行 了運動學(xué)仿真與分析.通過仿真，驗證了所設(shè)計的三角步態(tài)的適用性和所選 擇的三次樣條曲線作為機器人足端點軌跡曲線方案的可行性.韓寶玲 王秋麗羅慶生在文獻2基于六足仿生步行機器人機構(gòu)學(xué)特性 的研究，采用數(shù)值分析法求解了機器人步行足的足端工作空間，利用虛擬樣 機技術(shù)計算了機器人的靈活度，從兩方面綜合衡量六足仿生步行機器人的工 作能力，

3、并以六足步行機器人各腿節(jié)比例關(guān)系的確定為例，介紹了六足步行 機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化的具體方案.蘇軍陳學(xué)東田文罡在文獻3研究六足步行機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)和定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)，確定了直線 行走步態(tài)最大跨步和定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)最大轉(zhuǎn)角；進行了步態(tài)控制算法模擬仿真 及實地步行實驗。王紹治郭偉 于海濤 李滿天在文獻4根據(jù)CPG雙層網(wǎng)絡(luò)的特點，采用 分層分布式系統(tǒng)架構(gòu)研究制了一種機器人運動控制系統(tǒng).其基于FPGA的星 型總線，在保證通信速率的同時提高了系統(tǒng)抗干擾能力.在單足控制器中嵌 入雙NIOS完成CPG網(wǎng)絡(luò)解算和電機運動控制.郭少晶韓寶玲 羅慶生在文獻5針對采用電池供電的六足仿

4、生步行機 器人其工作時間受限的情況，提出了將動態(tài)電源管理、實時任務(wù)調(diào)度和運動 策略規(guī)劃等方法，綜合運用于其控制系統(tǒng)，且更為全面地考慮了機器人系統(tǒng) 的能耗等級.這種方法對于降低機器人的系統(tǒng)能耗起到了實質(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器人的系統(tǒng)能耗，陳甫臧希喆趙杰閆繼宏在文獻6從機械結(jié)構(gòu)、運動模式和步態(tài)控制 3個方面，對六足步行機器人的仿生機制進行了分析.提出一種靈活度評 價函數(shù)，基于該函數(shù)對六足機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(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；構(gòu)建了分布式局部規(guī)則網(wǎng)絡(luò)，可自適應(yīng)地 調(diào)整錯亂的腿間相序，生成靜態(tài)穩(wěn)定的自由步態(tài).仿真實驗驗證了上述仿生

5、 機制的有效性。王立 劉連蕊 高建華在文獻7針對六足步行機器人在非結(jié)構(gòu)化地形下 運動時方向轉(zhuǎn)動角度大小對控制的影響,運用差分控制方法導(dǎo)出六足步行機 器人在非結(jié)構(gòu)化地形下行走時各足端的方位信息，在保持機體和足端協(xié)調(diào)性 的同時，保證機器人在運動過程中不與復(fù)雜的地面發(fā)生接觸，順利地完成機 器人左右轉(zhuǎn)彎運動.在仿真實驗中得到了滿意的結(jié)果，為將來的實際應(yīng)用奠 定基礎(chǔ)。楊立輝羅慶生王秋麗毛新在文獻8通過對六足步行機器人步行足 的運動學(xué)分析，按照坐標系的建立原則，選取機構(gòu)中的轉(zhuǎn)動副作為關(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動學(xué)方程，求出步行 足足端點運動學(xué)的正解坐標系，利用paul等人

6、提出的代數(shù)解法進行了運動 學(xué)逆解分析，并借助計算機對其逆解進行了驗證，為后續(xù)的運動學(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9對雙足人、四足動物、六足昆蟲 的行走方式和軀體形態(tài)以及它們在步態(tài)、體態(tài)方面的差別進行了綜合論述， 進而對不同行走方式的機器人的步態(tài)策略進行了論述,并對行走機構(gòu)足數(shù)與 性能進行了定性評價，展望了動物步態(tài)和仿生步行機器人研究的發(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的六足步行機器 人AMBL ER2 ,如圖1所示。該機器人采用了新型的腿機構(gòu)，由一個在水 平面內(nèi)運動的旋轉(zhuǎn)桿和在垂直平面內(nèi)作直線運動的伸展桿組成，兩桿正交。 該機器人由一臺32

7、位的處理機來規(guī)劃系統(tǒng)運動路線、控制運動和監(jiān)視系統(tǒng) 的狀態(tài)，所用傳感器包括激光測距掃描儀、彩色攝像機、慣性基準裝置和觸 覺傳感器。總質(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 測計劃。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器人 DANTE，用于對南極的埃里伯斯火山進行了考察，其改進型DANTE - II也在 實際中得到了應(yīng)用3 ，如圖2所示。1994年,DANTE - II對距離安克雷 奇145 km的斯伯火山進行了考察，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 ALUV (Autonomous Legg

8、ed UnderwaterVehicle) 4 ，如圖 3 所示。該步 行機模仿螃蟹的外形，每條腿有兩個自由度，具有兩棲運動性能，可以隱藏在 海浪下面，在水中步行，當(dāng)風(fēng)浪太大時，將腳埋入沙中。它的腳底裝有傳感器, 用于探測岸邊的地雷，當(dāng)它遇到水雷時，自己爆炸同時引爆水雷。在對昆蟲步態(tài)進行研究的基礎(chǔ)上,2000年美國研制出六足仿生步行機器人 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，采用氣動人工肌肉的方式，壓縮空氣由步行機上部的管子傳輸，并由氣 動作動器驅(qū)動各關(guān)節(jié),使用獨特的機構(gòu)來模仿肌肉的特性。與電機驅(qū)動相比, 該作動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器人稱為多足步行機器人，該類機器人能夠 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)境中的運輸 作業(yè)，因此多足步行機器人在軍事運輸及探測、礦山開采、水下建筑、核工 業(yè)、星球探測、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，多足步行機器人技術(shù)一直是國內(nèi)外機器人領(lǐng)域研 究的熱點之一。為了探索多足步行機器人技術(shù)的研究前沿，給我國多足步行 機器人工程實用化開發(fā)提供關(guān)鍵技術(shù)的支持，開展多足步行機器人相關(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)用價值。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題步行機器人的機械部分是機器人所有控制及運動的載體，

10、其結(jié)構(gòu)特點直 接決定了機器人的運動學(xué)特征，其性能的好壞也直接決定了功能可行性。多足步行機器人的 機構(gòu)系統(tǒng)主要包括機器人腿部件的布局、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)形式是多足步行機器人機構(gòu)的重要組成部分，是機械設(shè) 計的關(guān)鍵之一。因此，從某種意義上說，對多足步行機器人機構(gòu)的分析主要 集中在對其腿機構(gòu)的分析。一般地，從機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計要求看，腿機構(gòu)不能 過于復(fù)雜，桿件過多的腿機構(gòu)形式會引起結(jié)構(gòu)和傳動的實現(xiàn)產(chǎn)生困難。因此 對多足步行機器人腿機構(gòu)的基本要求可以歸納為：（1）實現(xiàn)運動的要求；（2）承載能力的要求；（3）結(jié)構(gòu)實現(xiàn)和方便控制的要求。三、研究步驟、方法及措施查閱文獻資料，從文獻

11、資料中掌握一些關(guān)于工業(yè)關(guān)節(jié)機器人的基本知 識，確定研究方案。對選定方案進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動學(xué)分析，進行相關(guān)的計算，定出各零 部件的尺寸形狀，進行強度校核，并確定驅(qū)動器容量、傳動方式和速比。利用Solidworks對零件進行設(shè)計造型，再將零件裝配起來，利用仿真 模塊進行運動仿真模擬。利用Solidworks / cosmos模塊對設(shè)計的機械本體進行動力學(xué)分析，得 出關(guān)鍵部件的動態(tài)速度及加速度圖表，對關(guān)鍵點進行必要的校核，并驗證動 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)計說明書，翻譯外文文獻。四、研究工作進度第一階段（3月1號3月3號），查閱資料。第二階段（3月4號3月

12、7號），閱讀文獻資料。第三一階段（3月8號3月10號），篩選文獻資料，初步確定設(shè)計方案。第四階段（3月11號3月13號），撰寫開題報告與文獻綜述。第五階段（3月14號3月17號），討論修改報告。第六階段（3月18號3月22號），制作PPT。第七階段（3月23號3月25號），準備第一次答辯。第八階段（3月27號3月31號），進行初步設(shè)計，確定所用機械結(jié)構(gòu)， 所用零件。第九階段（4月1號4月3號），進行初步校核。第十階段（4月4號4月6號），用solidworks對每個零件進行三維設(shè)計造型。第十一階段（4月7號4月8號），將每個零件裝配起來。第十二階段（4月9號4月12號），利用仿真模塊進行運動仿

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

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

15、 六足步行機器人全方位步態(tài)的研究機械 與電子2004第3期【4】王紹治郭偉于海濤李滿天基于CPG的六足步行機器人運動 控制系統(tǒng)研究機械與電子2010第8期【5】郭少晶韓寶玲 羅慶生六足仿生步行機器人系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究機 械與電子2007第4期【6】陳甫臧希喆趙杰閆繼宏六足步行機器人仿生機制研究機械與電 子2009第9期【7】王立劉連蕊 高建華 六足步行機器人非結(jié)構(gòu)化地形下的方向控制研 究浙江理工大學(xué)學(xué)報2010第2期【8】楊立輝羅慶生王秋麗毛新新型仿生六足機器人步行足運動學(xué)分析 與研究機械設(shè)計與制造2006第9期【9】張伏張國英 邱兆美 毛鵬軍 仿生地面行走機構(gòu)的步態(tài)研究現(xiàn)狀與進 展農(nóng)機化研究

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