1、河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文開(kāi)題報(bào)告論文題目2013年 12 月 2 日1.課題的研究背景及意義移動(dòng)機(jī)器人是一種能夠通過(guò)內(nèi)、外傳感器反饋信息感知環(huán)境及自身狀態(tài)，實(shí) 現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中自主運(yùn)動(dòng)，從而完成一定功能或任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)1。目 前已廣泛運(yùn)用于野外考察、地震救災(zāi)、環(huán)境檢測(cè)、娛樂(lè)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(lái)越重要角色。其中輪式機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 容易實(shí)現(xiàn)，具有移動(dòng)速度快、轉(zhuǎn)向性能好、行走效率高等特點(diǎn)。但同時(shí)適應(yīng)地形 和避障的能力差。足式機(jī)器人對(duì)地形的適應(yīng)能力較好，可以跨越障礙物、臺(tái)階等， 但運(yùn)動(dòng)間歇大，速度慢。隨著移動(dòng)機(jī)器人的不斷開(kāi)發(fā)和應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，未來(lái)會(huì) 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(dòng)機(jī)器人已無(wú)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(duì)移動(dòng)機(jī)器人性能要求的逐漸提 高，相繼問(wèn)世了許多混合式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中輪腿式移動(dòng)機(jī)器人就融合了輪式移 動(dòng)機(jī)器人和腿式移動(dòng)機(jī)器人的特點(diǎn)。既可以保證在平坦地面的移動(dòng)效率又具有了 良好的跨越障礙的能力。但當(dāng)輪腿式移動(dòng)機(jī)器人采用足式的方式行走時(shí)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(chóng)則可以通過(guò)它們長(zhǎng)期進(jìn)化得到的復(fù)雜且精妙 的肢體結(jié)構(gòu)和靈活的的運(yùn)動(dòng)方式，容易地通過(guò)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(chóng)的行為學(xué)研究成果，融入到移動(dòng)機(jī)器 人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3、與控制中，開(kāi)發(fā)具有卓越移動(dòng)能力的輪腿式仿生移動(dòng)機(jī)器人，對(duì)于 足式移動(dòng)機(jī)器人和輪腿式移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用都具有重要的理論和現(xiàn) 實(shí)意義。本文從仿生的角度出發(fā)，對(duì)輪腿機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其可以在跨越障礙 物、溝壑、樓梯等不規(guī)則地形保持機(jī)體平穩(wěn)和運(yùn)動(dòng)的效率。主要的問(wèn)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(diǎn)，根據(jù)不同的環(huán)境變換輪式運(yùn)動(dòng)和足式運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式，達(dá)到良好的運(yùn)動(dòng)靈 活性和較高的移動(dòng)速度的統(tǒng)一，提供良好的應(yīng)用平臺(tái)。為了能夠保持機(jī)器人的穩(wěn)定移動(dòng)，這就要求機(jī)器人足數(shù)越多越好。當(dāng)機(jī)器人 在選擇腿式不行和輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要進(jìn)行輪腿的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，

4、腿部需要 上抬，其余的腿用來(lái)保持平衡，這樣就需要至少四條腿，否則無(wú)法在轉(zhuǎn)換過(guò)程中 保持身體的平衡。隨著足數(shù)的增加，其穩(wěn)定程度會(huì)增加，但七足以上就會(huì)基本達(dá) 到飽和。因此本課題選擇六輪腿仿生機(jī)器人作為研究的對(duì)象，既具有冗余的腿部 結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，同時(shí)又不會(huì)造成腿部的浪費(fèi)。對(duì)地形的適應(yīng)能力比較強(qiáng)，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(jìn) 行野外偵查、水下搜索以及太空探測(cè)等對(duì)機(jī)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(duì)六足昆蟲(chóng)的腿部進(jìn)行研究。分析了腿部結(jié)構(gòu)和功能 特點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)完成了六足仿生機(jī)器人的單腿結(jié)構(gòu)2.六輪腿機(jī)器人研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)輪腿式

5、機(jī)器人作為移動(dòng)機(jī)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(jī)動(dòng)性能，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式以及移動(dòng)中的高效性和平穩(wěn)性。在平整 的地形可以運(yùn)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(jìn)。具有速度高、能耗低、地形適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。近幾十年來(lái)，輪腿式移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人多用在搶險(xiǎn)、排爆、污染源檢測(cè)測(cè)、外星探測(cè)等領(lǐng)域2.1國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀美國(guó)噴氣與推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）研制了 1997年被人類送上火星的第一臺(tái)探測(cè) 車(chē) sojourner （如圖 2.1），Sojourner 是 -輛微型自主式機(jī)器人車(chē)輛，采用六輪搖 臂懸吊式結(jié)構(gòu)，

6、即有6個(gè)獨(dú)立懸掛的驅(qū)動(dòng)輪，傳動(dòng)比為2000:1，本機(jī)器人是真正意 義上的六輪腿式移動(dòng)機(jī)器人。以及后來(lái)的火星探測(cè)車(chē)漫游者（mars rover）機(jī)器 人（如圖2.2），該款機(jī)器人擁有最先進(jìn)的機(jī)動(dòng)性，其六輪腿式結(jié)構(gòu)是目前最先進(jìn) 的,具有強(qiáng)大的越障能力。原地360o的轉(zhuǎn)彎能力及伸縮性，除了其先進(jìn)的機(jī)動(dòng)性 能，探路者機(jī)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(lái)測(cè)定巖石成分）、APXS（ALPHA射線）系統(tǒng)、 RAT（Rock Abrasion Tool）系統(tǒng)等各種先進(jìn)的儀器來(lái)探測(cè)環(huán)境，觀察并分析巖石和 土壤。用來(lái)探測(cè)火星上是否

7、有生命，以及有沒(méi)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(cè)車(chē)圖2.2 mars rover探測(cè)車(chē)美國(guó)全地形六足星際探測(cè)器“運(yùn)動(dòng)員” （ATHLETE）同樣也是由美國(guó)宇航局噴 氣與推進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(guò)2285石（1.45萬(wàn)公斤）有效載荷，但它比通常的行星探索車(chē)輕 25%。其最快行進(jìn)速度能達(dá)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(dá)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(lái)的時(shí)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(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)行走， 甚至的跳躍和舞蹈。該機(jī)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(dòng)自如。同時(shí)ATHLETE機(jī)器人的六個(gè)負(fù)重輪擁有極大的靈活性，可在各種復(fù)雜的地形下前進(jìn)。在遇到障礙時(shí)，可以通過(guò)抬腿越過(guò)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(guò)整合處理， 可以同時(shí)顯示在一個(gè)顯示器上，為控制人員展示機(jī)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(dòng)系統(tǒng)品動(dòng)機(jī)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(dòng)系統(tǒng)品動(dòng)

9、機(jī)器人Jft都由四 It-hY|T0R6和二二J組成，每套移動(dòng)機(jī)構(gòu)四個(gè)自由度，車(chē)輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，腿關(guān)節(jié)三個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)輪式或腿式移 動(dòng)。輪式移動(dòng)時(shí)，腿上各關(guān)節(jié)鎖定，由車(chē)輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。腿式移動(dòng)時(shí)，當(dāng)前進(jìn)時(shí)制 動(dòng)器鎖止足底輪。腿部驅(qū)動(dòng)選用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)可以將電機(jī)藏于腿的肢 體內(nèi)，結(jié)構(gòu)更加緊湊。是一個(gè)可以直行、原地轉(zhuǎn)向、樓梯爬越、足底輪滾進(jìn)的復(fù) 合運(yùn)動(dòng)的輪腿機(jī)器人8。HITAN-I四條腿末端的車(chē)輪都可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，這種設(shè)計(jì)可 以保證移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有更好的環(huán)境適應(yīng)性，但電機(jī)數(shù)量的增多使機(jī)構(gòu)負(fù)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(dòng)機(jī)器 人，和所有其它成果不同的是，安裝在四條腿末端的車(chē)輪均為被動(dòng)輪，不能獨(dú)立 驅(qū)動(dòng)。它的運(yùn)動(dòng)原理類似于溜旱冰，依靠腿部驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的推力實(shí)現(xiàn)輪式移動(dòng)，它 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的另一個(gè)獨(dú)特之處在于車(chē)輪可轉(zhuǎn)過(guò)90o，當(dāng)平臺(tái)以步行方式移動(dòng)時(shí)， 可為腿式移動(dòng)的“腳”，這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于充分挖掘了車(chē)輪的性能，松軟工作環(huán) 境下可在一定程度上減小對(duì)地壓強(qiáng)。2.2現(xiàn)有輪腿移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)分類對(duì)于現(xiàn)有輪腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，雖然功能上非常相近，但是結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別, 綜合它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)大體可以劃分為兩類：第一類從結(jié)構(gòu)上來(lái)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(jī)構(gòu)系統(tǒng)中比較常見(jiàn)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(dú)立驅(qū)動(dòng)，這種特點(diǎn)保證了它們功能上既 能夠以單一方式移動(dòng)，這時(shí)就相當(dāng)于純粹的輪式或腿式移動(dòng)。又可以兩種移動(dòng)機(jī) 構(gòu)同時(shí)發(fā)揮作用，以混合方式移動(dòng)?？梢钥闯觯@種系統(tǒng)實(shí)際上只是兩種移動(dòng)方 式功能上的簡(jiǎn)單組合。結(jié)構(gòu)上兩種子機(jī)構(gòu)具有明顯的獨(dú)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(lái)看輪和腿完全分離，移動(dòng)中兩者或同時(shí)發(fā)揮作用以混合式 移動(dòng)，或采用單一方式移動(dòng)。和第一類相比結(jié)構(gòu)上更加簡(jiǎn)單，控制更容易。3本課題的主要內(nèi)容和研究目標(biāo)本課題的研究目標(biāo)是完成一個(gè)六輪腿仿生移動(dòng)

12、機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并從仿生 機(jī)制、構(gòu)型設(shè)計(jì)、建模仿真等方面進(jìn)行深入的研究，主要內(nèi)容如下。3.1六輪腿機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)我們所設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用四自由度的關(guān)節(jié)式腿機(jī)構(gòu)，每條腿都是一個(gè)平面連 桿機(jī)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(shí)的轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量，使機(jī)器人運(yùn)行盡可能平穩(wěn)。應(yīng)盡量將電機(jī)、減速器等裝置安裝在機(jī)體上。 因此我們把髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速安裝在機(jī)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(gè)輪子配有一個(gè)獨(dú)立的電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)。即每條腿共 有四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。當(dāng)機(jī)器人從足式轉(zhuǎn)換成輪式結(jié)構(gòu)時(shí)，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(jī)器人的機(jī)體設(shè)計(jì)機(jī)體的設(shè)計(jì)首先要考慮兩個(gè)因素：一是避免腿部之間發(fā)生碰撞，擴(kuò)大腿部的 活動(dòng)范圍；二是增加機(jī)體的穩(wěn)定性。又由于機(jī)體是一個(gè)支持的平臺(tái)，平臺(tái)上需要 安裝控制器、電源模塊、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器等部件，其長(zhǎng)度和寬度又必須滿 足這些部件的安裝需要。同時(shí)，因該機(jī)器人六條腿與機(jī)體相連，還需要考慮整體 布局和安裝定位?；趯?duì)多足昆蟲(chóng)的仿生分析，選擇橢圓形的機(jī)體形式Hl%。 在選材既要考慮機(jī)體的高強(qiáng)度，也要注意減少機(jī)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(jī)器人的單腿模型。（2）進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化：通過(guò)Matlab對(duì)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(zhǎng)度及各部分尺寸進(jìn)行優(yōu)化。（3）精確仿真：在Admas中導(dǎo)入機(jī)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行仿真，選取合適電機(jī)。本課題研究的主要難點(diǎn)(1)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化過(guò)程中，對(duì)于空間體積求解存在誤差，無(wú)法 得到最優(yōu)方案。(2)末端慣性過(guò)大，對(duì)電機(jī)的要求高，容易出現(xiàn)剛性差的現(xiàn)象，引起機(jī)器 人整體穩(wěn)定性差。本課題研究進(jìn)度安排2012.11:閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)課題中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。2014.2-2014.4 :確定方案，進(jìn)行仿真，選取合適的電機(jī)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(shí)體，對(duì)其進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試和修改。2014.8-2014.9 :完成六條腿的制作及機(jī)體的設(shè)計(jì)和制作2015.1:開(kāi)始組織材料，撰寫(xiě)課題論文。參考文獻(xiàn)王海彬，黃永生，姚丹霖.國(guó)外地面軍用機(jī)器人系統(tǒng)綜述.汽車(chē)運(yùn)用,2005,11:18-20.陳甫.六足仿生機(jī)器人的研制及其運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)研究.國(guó)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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