1、燕 山 大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告課題名稱： 并聯(lián)腿步行機(jī)器人四足/兩足 轉(zhuǎn)化裝置設(shè)計(jì) 學(xué)院（系）： 年級(jí)專業(yè)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 一、綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說(shuō)明選題的依據(jù)和意義1、步行機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r步行機(jī)器人，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【9】。步行機(jī)器人與輪式機(jī)器人相比較，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是步行機(jī)器人對(duì)行走路面的要求很低。它可以跨越障礙物，走過(guò)沙地、沼澤等特殊路面1。我國(guó)對(duì)于步行機(jī)器人的研究起步較晚，從2O世紀(jì)8O年代開(kāi)始研究，到目前已經(jīng)取得了一系列的成果。1980年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密

2、機(jī)械研究所采用平行四邊形和凸輪機(jī)構(gòu)研制出一臺(tái)八足螃蟹式步行機(jī)器人，做了越障、爬坡和通過(guò)沼澤地的試驗(yàn) 。1989年，北京航空航天大學(xué)在張啟先教授的指導(dǎo)下 ，孫漢旭博士進(jìn)行了剛足步行機(jī)的研究，試制成功一臺(tái)四足步行機(jī)，并進(jìn)行了步行實(shí)驗(yàn) ；錢晉武博士研究地壁兩用六足步行機(jī)器人，進(jìn)行了步態(tài)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的研究。1990年，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制出全方位六足步行機(jī) ，不僅能在平地步行，還能上樓梯。2000年，上海交通大學(xué)馬培蓀等對(duì)第一代形狀記憶合金SMA驅(qū)動(dòng)的微型六足機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出具有全方位運(yùn)動(dòng)能力的微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR【9】。助殘步行機(jī)器人的研究成為機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(diǎn)

3、，并取得了較大的進(jìn)展。目前，日本在兩足機(jī)器人研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。豐田公司于2004年底推出了一系列“伙伴機(jī)器人”，其中包括一臺(tái)可搭乘人的兩足機(jī)器人i-Foot。該機(jī)器人重200kg，可載人60kg。它的最終目的是在有人乘坐的情況下，實(shí)現(xiàn)包括上下樓梯在內(nèi)的靈活運(yùn)動(dòng)。日本東北大學(xué)中野榮二教授等2005年開(kāi)發(fā)出供高齡人、殘疾人等步行困難者使用的步行機(jī)器人ChaffBe。該步行機(jī)器人具有高的機(jī)動(dòng)性和在不平地面步行的穩(wěn)定性，可自如地上下臺(tái)階。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)高級(jí)研究所開(kāi)發(fā)出一臺(tái)HuboFX-1椅子機(jī)器人。它是一個(gè)帶有腿的椅子，可以承載重達(dá)100kg的人【1】。2、并聯(lián)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r并聯(lián)機(jī)器人的產(chǎn)生可

4、追溯到十九世紀(jì)初。1813年，法國(guó)學(xué)者Canchy曾研究過(guò)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，但未涉及應(yīng)用。文獻(xiàn)記載，1947年，英國(guó)人Gough采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種6自由度的輪胎測(cè)試機(jī)，這種結(jié)構(gòu)被稱為六足結(jié)構(gòu)(Hexapod)。這種類型的輪胎測(cè)試機(jī)器從1954年被投入使用。1962年，Gough發(fā)明了一種6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并把它用作輪胎檢測(cè)裝置。1965年，英國(guó)高級(jí)工程師Stewart對(duì)Gough的這種6自由度機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，將其作為飛行模擬器，發(fā)表了名為”A Platform with Six Degrees of Freedom”的論文，引起廣泛關(guān)注，后來(lái)這種機(jī)構(gòu)被稱為Stewart機(jī)構(gòu)，它是至今為止應(yīng)用最為廣

5、泛的6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。1979年，H. McCallion和D. T. Pham將Stewart機(jī)構(gòu)用于研制裝配機(jī)器人獲得成功，從此世界上出現(xiàn)了第一臺(tái)并聯(lián)機(jī)器人，也拉開(kāi)了并聯(lián)機(jī)器人應(yīng)用和研究的序幕。國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)研究和開(kāi)發(fā)并聯(lián)機(jī)床都非常重視。1986年美國(guó)Oregon大學(xué)學(xué)者Fichter采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)做出了以Stewart平臺(tái)為主機(jī)構(gòu)的線性手臂。1988年，Hudgens和Tesar研制了采用Stewart機(jī)構(gòu)的并聯(lián)平臺(tái)式微動(dòng)機(jī)器人。1989年，Lee研制了采用三自由度3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的微動(dòng)機(jī)器人；Kerr采用Stewart機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了并聯(lián)平臺(tái)式傳感器。1992年，法國(guó)的Merlet教

6、授則提出了INRIA并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并給出了樣機(jī)。1993年，Nguyen提出了Stewart基平臺(tái)式力力矩傳感器。1994年在芝加哥國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)(IMTS94)上首次展出了稱為“六足蟲(chóng)”(Hexapod)和“變異型”(VARIAX)的數(shù)控機(jī)床與加工中心并引起了轟動(dòng)。此后，各主要工業(yè)國(guó)家都投入了大量的人力和物力進(jìn)行并聯(lián)機(jī)床的研究與開(kāi)發(fā). 并聯(lián)機(jī)床所涉及的基本理論問(wèn)題同樣引起了許多研究單位的重視,由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)動(dòng)議，1998年在意大利召開(kāi)了第一屆國(guó)際并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器專題研討會(huì)，2000年在美國(guó)召開(kāi)了第二屆國(guó)際并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器專題研討會(huì)12。 我國(guó)已在國(guó)家“九五”科技攻關(guān)計(jì)劃和“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)

7、劃中對(duì)并聯(lián)機(jī)床的研究與開(kāi)發(fā)予以支持。國(guó)內(nèi)最早從事并聯(lián)機(jī)器人基礎(chǔ)性理論研究的是黃真教授和粱崇高教授。1991年，燕山大學(xué)研制出我國(guó)第一臺(tái)并聯(lián)機(jī)器人樣機(jī)，并在此基礎(chǔ)上作了很多理論研究。黃真教授系統(tǒng)的介紹了在研究機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)中應(yīng)用尤為突出的螺旋理論，他成功地把螺旋理論應(yīng)用到并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算上，解決了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算問(wèn)題，并運(yùn)用螺旋理論對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的合理性進(jìn)行了判別，還成功地研究了3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)，并且成功地螺旋理論應(yīng)用到少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的型綜合上，綜合出了完全對(duì)稱的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。1994年，他研制出了6自由度柔性鉸鏈機(jī)器人誤差補(bǔ)償器。1997年，黃真教授出版了

8、我國(guó)第一部關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人理論及控制的專著。服務(wù)機(jī)器人現(xiàn)在是國(guó)內(nèi)外機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域研究的一個(gè)重點(diǎn)方向，在國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要中被列為我國(guó)大力發(fā)展的四大先進(jìn)制造技術(shù)之一，其應(yīng)用范圍覆蓋家用、助老助殘、安保和陪護(hù)等【2】。中國(guó)已經(jīng)步入老齡化社會(huì)，生活中有障礙的老人和殘疾人為數(shù)眾多，服務(wù)機(jī)器人由于能節(jié)省人力資源，減輕年輕人的負(fù)擔(dān)，在國(guó)內(nèi)有著很廣闊的應(yīng)用前景，助老助殘步行機(jī)器人是指能夠讓老人或下肢殘疾人乘坐，能夠應(yīng)付各種地面條件的載人步行機(jī)器人。助老助殘步行機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用基礎(chǔ)研究最高水平的體現(xiàn)。已有很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)助老助殘步行機(jī)器人做了廣泛而深入的研究，并取得了較大的進(jìn)展，也發(fā)現(xiàn)了許多

9、問(wèn)題。如：輪式機(jī)器人對(duì)路面要求高；串聯(lián)腿步行機(jī)器人自重/載重比大、承載能力低；兩足步行機(jī)器人行走穩(wěn)定性差；多足步行機(jī)器人上下樓梯時(shí)機(jī)體傾斜等。為滿足乘坐者日常的工作生活，機(jī)器人的活動(dòng)范圍是不固定的比如戶外的復(fù)雜地面，樓梯等。而如何使步行機(jī)器人滿足經(jīng)常變化的工作環(huán)境需要，是擺在研究人員面前需要解決的難題。上述諸多問(wèn)題阻礙著助老助殘步行機(jī)器人的實(shí)用化發(fā)展。因此需要設(shè)計(jì)出一種可以在各種環(huán)境下行走的步行機(jī)器人是解決這些難題的有效途徑【2】。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問(wèn)題 本課題的導(dǎo)師提出將并聯(lián)腿機(jī)構(gòu)用于四足步行機(jī)器人，以克服串聯(lián)腿機(jī)構(gòu)承載能力低和兩足步行機(jī)器人行走穩(wěn)性差的缺陷。四足與兩足助殘步行

10、機(jī)器人各有優(yōu)缺點(diǎn)：四足穩(wěn)定性好，安全性能高，但是上下樓梯或臺(tái)階時(shí)座椅有較大的傾斜；兩足能夠在上下樓梯或臺(tái)階時(shí)保持座椅水平，但穩(wěn)定性差，沒(méi)有安全感，對(duì)下肢殘疾人來(lái)講，行走時(shí)會(huì)產(chǎn)生恐懼心理。為了揚(yáng)長(zhǎng)避短，要求設(shè)計(jì)出一種四足/兩足可重組并聯(lián)腿機(jī)構(gòu)步行機(jī)器人。為了能根據(jù)實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)四足與兩足的靈活轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)合適的機(jī)構(gòu)來(lái)完成四足與兩足的靈活轉(zhuǎn)換，繪制出三維立體圖和二維圖紙。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 1并聯(lián)機(jī)器人載重60kg；2步行機(jī)器人本體設(shè)計(jì)；4四足/兩足轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；5受力分析、運(yùn)動(dòng)范圍計(jì)算。三、研究步驟、方法及措施 通過(guò)搜索相關(guān)的中外文資料，了解并聯(lián)步行機(jī)器人的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，撰寫文獻(xiàn)綜述；閱讀并翻

11、譯外文資料，并借助查閱相關(guān)的專業(yè)文獻(xiàn)完成開(kāi)題報(bào)告。 自己通過(guò)在自主學(xué)習(xí)并在指導(dǎo)老師的指點(diǎn)和引導(dǎo)下，形成自己的設(shè)計(jì)思想，確定設(shè)計(jì)方案，完成設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制三維機(jī)構(gòu)和二維圖紙，并完成并聯(lián)步行機(jī)器人的電子圖稿。設(shè)計(jì)步驟：1.根據(jù)任務(wù)書要求擬定總體設(shè)計(jì)方案。2.繪制出方案草圖，與導(dǎo)師討論自己的方案，根據(jù)導(dǎo)師的意見(jiàn)對(duì)方案進(jìn)行修正。3.查閱相關(guān)資料和技術(shù)手冊(cè)，根據(jù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，考察計(jì)算的正確性。4.初步繪制總裝圖，查找設(shè)計(jì)方案中的不足和缺陷，和導(dǎo)師溝通討論。5.完善總裝圖，查找設(shè)計(jì)手冊(cè)，繪制零件圖。6.完成外文翻譯，撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書四、研究工作進(jìn)度 第一、二周，利用學(xué)校圖書館和網(wǎng)絡(luò)資源，查閱資料，借閱

12、書籍，手機(jī)相關(guān)論文第三周，撰寫文獻(xiàn)綜述和開(kāi)題報(bào)告，進(jìn)行方案論證與方案設(shè)計(jì)。，第四周，將自己的設(shè)計(jì)方案匯報(bào)給導(dǎo)師，請(qǐng)導(dǎo)師提出意見(jiàn)，準(zhǔn)備開(kāi)題報(bào)告答辯。第五周，參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，開(kāi)始設(shè)計(jì)計(jì)算。進(jìn)行機(jī)器人腿部的受力分析第六周，完成機(jī)器人腿部的受力計(jì)算。第七八周，完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍的計(jì)算。第九周，開(kāi)始繪制機(jī)器人的四足/兩足的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的總裝配圖。第十周，繼續(xù)繪制總裝配圖，準(zhǔn)備中期考核。第十一十三周，完成總裝配圖的繪制，開(kāi)始繪制零件圖第十四周，查詢相關(guān)的技術(shù)手冊(cè)，繪制零件圖第十五周，完成外文翻譯。第十六周，撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書。第十七，十八周，審查設(shè)計(jì)資料，結(jié)題答辯考核。五、主要參考文獻(xiàn) 1王洪波齊政彥胡正

13、偉黃真，并聯(lián)腿機(jī)構(gòu)在四足兩足可重組步行機(jī)器人中的應(yīng)用，機(jī)械工程學(xué)報(bào)第45卷第8期2009年8月:24-302 王洪波*，徐桂玲，張典范，胡星, 助老助殘四足/兩足可重構(gòu)并聯(lián)腿步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真，燕山大學(xué)學(xué)報(bào)第34 卷第6 期2010年11: 508-515。3徐灝等編,機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社，1992。4黃真，并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制，機(jī)械工業(yè)出版社，2006年09月。5黃真，空間機(jī)構(gòu)學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版，1991。6朱喜林等編，機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)/21世紀(jì)高等院校教材，科學(xué)出版社，2008年1月。7王一治，常德功，四足機(jī)器人研究綜述，中國(guó)科技論文在線，.

14、cn8王吉岱，盧坤媛，徐淑芬，雷云云，四足步行機(jī)器人研究現(xiàn)狀及展望，制造業(yè)自動(dòng)化 第31卷第2期200902 469雷靜桃，高峰，崔瑩，多足步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及展望，機(jī)械 設(shè) 計(jì)第23卷第9期2 0 0 6年9月10 黃俊軍，葛世榮，曹為, 多足步行機(jī)器人研究狀況及展望, 機(jī)床與液壓2008年5月 第36卷第5期: 187-19111/youngbrave/blog/item/2eb7770107f45c0f7aec2c4f.html12 夏廣嵐等人,并聯(lián)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與展望, 中國(guó)科技信息2005年第22期13Reza Ghorbani, Qiong W

15、u*，Adjustable Stiffness Artificial Tendons: Conceptual Design And Energetics Study In Bipedal Walking Robots，Mechanism and Machine Theory 44 (2009):14016114Erika Ottaviano, Sergey Vorotnikov , Marco Ceccarelli , Pavel Kurenevb,Design Improvements and Control of a Hybrid Walking Robot，Robotics And Au

16、tonomous Systems 59 (2011): 12814115TANG Zhe (湯哲), SUN Zengqi (孫增圻)*,ZHOU Changjiu (周長(zhǎng)久), HU Lingyun (胡凌云)，Reference Trajectory Generation for 3-Dimensional Walking of a Humanoid Robot*，TSINGHUA SCIENCE AND TECHNOLOGY，ISSN 1007-0214 12/19 pp577-584 Volume 12 Number 5 October 200716David Wettergreen * , Chuck Thorpe ,Red Whittaker,Exploring Mount Erebus by Walki