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哈爾濱理工大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
開(kāi) 題 報(bào) 告
學(xué)生姓名 張?jiān)錾?
學(xué) 號(hào) 1630060332
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化
班 級(jí) 機(jī)械16-3班
指導(dǎo)教師 趙金濤
2020年3月20日
課題題目及來(lái)源：
題目：步行四邊形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
題目來(lái)源： 自擬
課題研究的意義和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：
1.1課題研究的意義
近年來(lái)機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展迅速，機(jī)器人也不再局限于工業(yè)生產(chǎn)，各種各樣的機(jī)器人融入到我們的生活中?，F(xiàn)在最廣泛被人們使用的是輪式機(jī)器人以及履帶式機(jī)器人，多用于倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)、物資運(yùn)輸?shù)鹊孛孑^為平坦且環(huán)境簡(jiǎn)單的地方，例如某快遞倉(cāng)庫(kù)所使用的輪式機(jī)器人。但是輪式機(jī)器人與履帶機(jī)器人無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，在野外等環(huán)境工作效率大大降低。因此，相比于輪式和履帶式機(jī)器人，足式機(jī)器人對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠在復(fù)雜的陸地和淺灘地面環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的行走。
足式生物因其強(qiáng)大的機(jī)動(dòng)能力與靈活性而遍布全世界的大陸，這種能力也足以支撐其在多種復(fù)雜環(huán)境之下行動(dòng)自如。步行四邊形機(jī)器人則是模仿自然界中靈活性較強(qiáng)的四足生物而來(lái)，如典型的犬型機(jī)器人，可在山地、叢林、建筑廢墟中活動(dòng)自如，進(jìn)行物資運(yùn)輸、偵查、搜救等工作。其次，在同等體積的情況下步行機(jī)器人的穩(wěn)定性要強(qiáng)于輪式、履帶式機(jī)器人，在出錯(cuò)的情況下也具有很強(qiáng)的自我調(diào)整能力。步行四邊形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)決定了其質(zhì)量、靈活度、運(yùn)動(dòng)能力等多種重要參數(shù)，所以步行四邊形機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可以優(yōu)化機(jī)器人的各種性能，使其更加適應(yīng)地形、降低運(yùn)動(dòng)時(shí)的錯(cuò)誤率，從而提高其工作效率，對(duì)人類社會(huì)進(jìn)步和發(fā)展有著重大意義。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國(guó)對(duì)于機(jī)器人的研究要晚于美國(guó)、德國(guó)等技術(shù)基礎(chǔ)較強(qiáng)的發(fā)達(dá)國(guó)家，而步行機(jī)器人復(fù)雜程度較高，所以近十幾年來(lái)我國(guó)步行機(jī)器人技術(shù)才有所發(fā)展。我國(guó)最初的一些四足機(jī)器人，例如由上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的四足機(jī)器人Baby Elephant，如圖1-1所示。該機(jī)器人配備有線性位移傳感器和壓力傳感器，位于作為執(zhí)行器的液壓缸上，主體上的陀螺儀和腿尖上的接觸傳感器。機(jī)器人的平衡和恒定的高度通過(guò)控制身體和擺動(dòng)腿的軌跡來(lái)保證。
由于步行機(jī)器人在某些特定的重要壞境中有著巨大的作用，以及此領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展空間與潛力，我國(guó)多個(gè)知名高校對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了研究并取得了巨大的成果。例如，2017年5月，浙江大學(xué)與南江機(jī)器人聯(lián)合展示了名為“赤兔”的四足機(jī)器人，拿下全球?qū)W生設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)最具含金量的Top1桂冠，如圖1-2所示。赤兔機(jī)器人重約60公斤，高約0.5米，可以實(shí)現(xiàn)小跑、小跳等動(dòng)作，一般運(yùn)行速度相當(dāng)于成年人的步行速度，還可以做出爬樓梯、越過(guò)障礙物等相對(duì)復(fù)雜的動(dòng)作。
同樣是浙江大學(xué)，2018年自主研發(fā)出了“赤兔”機(jī)器人的升級(jí)版“絕影”。在機(jī)器人“赤兔”的基礎(chǔ)上增加了高效的識(shí)別裝置，可以識(shí)別減速帶、臺(tái)階、防護(hù)欄桿等多種常見(jiàn)障礙物，還可以識(shí)別雪地、草地等高度差不均衡的地形，并通過(guò)傳感系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整落地動(dòng)作，加強(qiáng)自身的連貫性與平衡性。如圖1-3所示。
圖1-1上海交通大學(xué)四足機(jī)器人 圖1-2“赤兔”機(jī)器人
圖1-3“絕影”機(jī)器人 圖1-4鄭州大學(xué)四足機(jī)器人
在設(shè)計(jì)步行機(jī)器人最主要的部分是設(shè)計(jì)腿部結(jié)構(gòu)，腿部結(jié)構(gòu)決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，也決定了其主要功能。近些年國(guó)內(nèi)很多研宄機(jī)構(gòu)和院校對(duì)于機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研究的成績(jī)非常可觀。例如，中國(guó)鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院研制出一種新型混合式四足機(jī)器人，如圖1-4。此機(jī)器人腿部采用液壓驅(qū)動(dòng)桿式聯(lián)動(dòng)裝置，這種結(jié)構(gòu)更接近于四足動(dòng)物的腿部結(jié)構(gòu)，其中連桿與人腿部大腿肌的工作方式十分相似，起支撐、調(diào)節(jié)作用，進(jìn)一步提高了機(jī)器人的穩(wěn)定性。
重慶大學(xué)設(shè)計(jì)了一種電機(jī)整周轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)腿部實(shí)現(xiàn)擺轉(zhuǎn)跨步動(dòng)作方案，具有切比雪夫機(jī)構(gòu)、五桿機(jī)構(gòu)組成的２自由度雙曲柄復(fù)合連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)，如圖1-5。其中切比雪夫機(jī)構(gòu)是一種常見(jiàn)的機(jī)器人足式結(jié)構(gòu)，運(yùn)行動(dòng)作類似于步行，可使機(jī)器人腳部抬離地面，大大加強(qiáng)了機(jī)器人的越障能力。五桿機(jī)構(gòu)則優(yōu)化了具體運(yùn)動(dòng)軌跡，增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。
天津大學(xué)機(jī)構(gòu)理論與裝備設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室近期設(shè)計(jì)研制了一種新型下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型是兩自由度的五桿機(jī)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改性，使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡可調(diào)，如圖1-6。該機(jī)構(gòu)在不同人使用時(shí)進(jìn)行小幅度的微調(diào)即可符合使用者的具體要求，并且運(yùn)行幅度較小、穩(wěn)定性好，其運(yùn)動(dòng)軌跡符合人體腿部運(yùn)動(dòng)軌跡。
圖1-5連續(xù)電驅(qū)動(dòng)腿部五桿機(jī)構(gòu) 圖1-6下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)
1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀
國(guó)外對(duì)于步行機(jī)器人的研究始于19世紀(jì)70年代，首臺(tái)步行機(jī)器人是由美國(guó)公司Mosher研發(fā)的“Walking Truck”，用來(lái)在一些復(fù)雜的地形中協(xié)助搬運(yùn)物資。但在那個(gè)時(shí)期步行機(jī)器人的研發(fā)受到技術(shù)、社會(huì)環(huán)境等多方面制約，其性能與近十幾年的步行機(jī)器人相差甚遠(yuǎn)，并且沒(méi)有形成一個(gè)完善的體系。美國(guó)波士頓動(dòng)力公司于2005年研發(fā)了以汽油為燃料的四足機(jī)器人“BigDog”，如圖2-1。其單足運(yùn)動(dòng)主要由三個(gè)旋轉(zhuǎn)副和一個(gè)移動(dòng)副完成，整體結(jié)構(gòu)具有12或16個(gè)主動(dòng)自由度，由液壓驅(qū)動(dòng)裝置提供動(dòng)力。
圖2-1四足機(jī)器人“BigDog” 圖2-2四足機(jī)器人“Cheetah”
同樣是波士頓公司，于2015年研發(fā)了四足步行機(jī)器人“Cheetah”，如圖2-2。
“Cheetah”與前幾代步行機(jī)器人最大的優(yōu)點(diǎn)是其速度遠(yuǎn)高于前幾代機(jī)器人，平均時(shí)速可達(dá)16km/h，最大時(shí)速達(dá)到48km/h，高于人類速度的極限。在此基礎(chǔ)上還可以在奔跑時(shí)進(jìn)行穩(wěn)定的轉(zhuǎn)彎、急停等動(dòng)作。“Cheetah”的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)方式參考了自然界中速度最快的動(dòng)物獵豹，其動(dòng)力來(lái)源不同于之前的液壓驅(qū)動(dòng)裝置，而是采用電擊的方式作為動(dòng)力來(lái)源，其不同之處在于這種方式反應(yīng)更加的迅速敏捷。而“Cheetah”能達(dá)到高速的最重要原因是其對(duì)于每次奔跑時(shí)力量的控制，“Cheetah”可通過(guò)激光感應(yīng)器辨別障礙物的屬性，通過(guò)算法計(jì)算得出輸出力的大小，增強(qiáng)了其奔跑時(shí)的穩(wěn)定性。
除了四足步行機(jī)器人，還有許多根據(jù)人體下肢結(jié)構(gòu)研發(fā)的雙足機(jī)器人。例如波蘭的波茲南理工大學(xué)控制機(jī)器人和信息工程學(xué)院研制的仿哺乳動(dòng)物機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2-3。Marco Ceccarelli等人提出的一種以平面四連桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的機(jī)器人腿部模型，如圖2-4。這類機(jī)器人機(jī)構(gòu)相對(duì)于四足步行機(jī)器人較為簡(jiǎn)單，成本低且易于操控，但在穩(wěn)定性、運(yùn)行速度以及承載能力上要遜色于四足步行機(jī)器人?，F(xiàn)階段對(duì)于此類機(jī)器人的應(yīng)用并不廣泛，但可預(yù)測(cè)其未來(lái)在服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域有很大前景。
圖2-3波蘭機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu) 圖2-4平面四連桿機(jī)構(gòu)腿部機(jī)構(gòu)
課題研究的內(nèi)容，擬解決的主要問(wèn)題：
2.1 課題研究的主要內(nèi)容
研究對(duì)象：步行四邊形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
研究?jī)?nèi)容：
1、闡述課題背景，對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和分析；
2、根據(jù)主要技術(shù)指標(biāo)，在分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上制定總體設(shè)計(jì)方案，并闡明方案制定依據(jù)；
3、選定步行四邊形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案，確定整體結(jié)構(gòu)。按照擬定的功能要求，選定各對(duì)應(yīng)的功能單元；
4、根據(jù)擬定方案確定技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)主要零部件，并校核；
5、利用校核后的數(shù)據(jù)，加以設(shè)計(jì)繪制裝配圖，并依據(jù)實(shí)際需要，隨時(shí)改善。
6、得出設(shè)計(jì)結(jié)論。
2.2課題擬解決的主要問(wèn)題
步行機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)直接影響了其運(yùn)動(dòng)性能以及功能的可行性，因此腿部的結(jié)構(gòu)、腿的數(shù)量與腿的布局是設(shè)計(jì)時(shí)最重要的部分。一般滿足使用條件的機(jī)構(gòu)不易太復(fù)雜，并且腿的數(shù)量不易過(guò)多，否則會(huì)限制機(jī)器人腿部的運(yùn)動(dòng)軌跡，機(jī)器人的整體質(zhì)量也會(huì)隨之增大，因此其主要問(wèn)題有以下幾點(diǎn)。
1、 機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃，包括靜步態(tài)規(guī)劃、動(dòng)步態(tài)規(guī)劃；
2、確定機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式，在多種傳動(dòng)方式中尋找最優(yōu)解；
3、確定機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)。
2.3基本原理及相關(guān)參數(shù)
基本原理：步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)步行動(dòng)作的主要結(jié)構(gòu)是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，由一臺(tái)伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并且采用對(duì)角線原則來(lái)保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性與一致性。運(yùn)動(dòng)傳遞為電機(jī)帶動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，軸帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)足部運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)步行運(yùn)動(dòng)。
相關(guān)參數(shù)：此步行機(jī)器人定位是微小型步行機(jī)器人，長(zhǎng)寬高均不超過(guò)0.5m，可在平坦地面或較為崎嶇的地面穩(wěn)定行走，也可以進(jìn)行爬坡。腿的數(shù)量初定為六條。四腿在運(yùn)動(dòng)時(shí)兩條腿抬起兩條腿支撐，穩(wěn)定性不足；八腿會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，在運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)動(dòng)性也會(huì)下降并且重量增大，加大電機(jī)負(fù)擔(dān)。
研究的步驟、方法及措施：
3.1研究的步驟
1、依據(jù)功能需要，確定最佳功能解及總體方案；
2、進(jìn)行功能元分析，憑借現(xiàn)有設(shè)定和掌握的技術(shù)參數(shù)，利用動(dòng)力學(xué)反問(wèn)題求解的方法，完成各個(gè)對(duì)應(yīng)功能單元的選擇問(wèn)題；
3、借上述求解方案，完成總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安排各個(gè)單元的初步排布，設(shè)定主要零件的技術(shù)尺寸，并進(jìn)行剛度和強(qiáng)度校核；
4、通過(guò)經(jīng)校核后確定的技術(shù)參數(shù)，按照一定比例完成初步裝配圖，確定總體結(jié)構(gòu)尺寸；
5、待初步轉(zhuǎn)配圖完成后，進(jìn)行軸承、減速器等壽命的驗(yàn)算，ANSYS 等力學(xué)分析，完成裝配圖的細(xì)化出圖工作；
6、得出設(shè)計(jì)結(jié)論。
3.2方法及措施
1、在ADAMS下建立機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行步態(tài)仿真；
2、使用皮帶傳動(dòng)連接相鄰兩桿件，保持運(yùn)動(dòng)的一致性；
3、使用常見(jiàn)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且運(yùn)動(dòng)規(guī)律滿足要求。
工作進(jìn)度安排：
第1-2周：查閱資料，完成開(kāi)題報(bào)告；
第3周： 完成總體方案設(shè)計(jì)、論證和選擇；
第4-6周：完成總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
第7-8周：完成主要零部件的設(shè)計(jì)；
第9周： 完成外文翻譯（不少于3000字）并準(zhǔn)備期中答辯材料；
第10-12周：繪制總體結(jié)構(gòu)裝配圖和主要零件圖（至少折合A0圖紙2.5張）；
第13周： 驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，并完成論文初稿；
第14-16周：完善畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)資料，準(zhǔn)備答辯。
課題研究所需的參考文獻(xiàn)：
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指導(dǎo)教師審查意見(jiàn)：
1、論題具有（較強(qiáng)的、一定的）現(xiàn)實(shí)意義和學(xué)術(shù)價(jià)值；論點(diǎn)（鮮明正確有新意、清楚），表現(xiàn)出一定的獨(dú)創(chuàng)性。
2、該生對(duì)課題查閱了一定技術(shù)文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)態(tài)度端正，論文涉及面廣，難度適中，工作量適度。
3、該生能熟練的綜合運(yùn)用所學(xué)理論和專業(yè)知識(shí)；能較全面的或深入地分析實(shí)際問(wèn)題，表現(xiàn)出較強(qiáng)的獨(dú)立進(jìn)行研究的能力。
4、開(kāi)題報(bào)告格式（符合要求、基本符合有要求、存在少量格式錯(cuò)誤），所選題目與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)（基本）吻合。
5、根據(jù)該生的現(xiàn)有基礎(chǔ)，通過(guò)課題工作期間的努力可以（較好地）完成課題任務(wù)。
同意該學(xué)生繼續(xù)進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)工作。
指導(dǎo)教師簽字：
2020年 月 日
指導(dǎo)委員會(huì)審核意見(jiàn)：
該生的論文選題（較好、一般），具有（較高的、一定的）理論和實(shí)踐價(jià)值。論文研究工作量（充實(shí)、適中、較少），研究方法（合理、比較合理），研究的重難點(diǎn)（明確、比較明確）。開(kāi)題報(bào)告格式（正確、基本正確、存在少量錯(cuò)誤需要修改）。經(jīng)過(guò)評(píng)審和表決，評(píng)審小組成員一致同意通過(guò)該篇開(kāi)題報(bào)告，同意學(xué)生繼續(xù)進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)工作。
組長(zhǎng)簽字：
2020年 月 日