六足行走機器人設(shè)計,六足行走機器人設(shè)計,行走,機器人,設(shè)計 大 連 大 學 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 )開題報告 論 文 題 目： 六足行走 機器人設(shè)計 學 院： 機 械 工 程 學 院 專 業(yè) 、班 級： 機械設(shè)計 及其自動化日 131 班 學 生 姓 名： 邵 倩 指導教師（職稱）： 關(guān) 浩 （教授） 2016 年 12 月 25 日填 畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告要求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高 質(zhì)量畢業(yè)論文 （設(shè)計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。 一、選題依據(jù) 1.論文（設(shè)計）題目及研究領(lǐng)域； 2.論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值； 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢。 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題； 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路）； 3.本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果。 三、論文（設(shè)計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)）； 2.論文（設(shè)計）進度計劃。 四、文獻查閱及文獻綜述 學生應(yīng)根據(jù)所在學院及指導教師的要求閱讀 一定量的文獻資料，并在此基礎(chǔ)上通 過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應(yīng)在調(diào)研、實驗或?qū)嵙暤幕A(chǔ)上遞交相 關(guān)的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。 五、其他要求 1.開題報告應(yīng)在畢業(yè)論文（設(shè)計）工作開始后的前四周內(nèi)完成； 2.開題報告必須經(jīng)學院教學指導委員會審查通過； 3.開題報告不合格或沒有做開題報告的學生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論 文（設(shè)計）工作，否則不允許參加答辯； 4.開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導教 師； 5.開題報告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張 上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?一、選題依據(jù) 1.論文（設(shè)計）題目 六足行走 機器人設(shè)計 2. 研究領(lǐng)域 機械 電子工程 -機器人設(shè)計 3.論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值 在自然界 以及 人類社會中存在人類無法到達的地方 以及 危及 人類生命的特殊場合。如 行星表面 、防災(zāi)救援 等 等，對這些危險環(huán)境進行不斷地探索 研究，尋求一條解決 問題 的可行途徑成為科學技術(shù)發(fā)展和人類社會進步的需要。地形不規(guī)則 以及 崎嶇不平是這 些環(huán)境的共同特點 ， 從而 使輪式 或 履帶式機器人的應(yīng)用受限 。以往的研究表明輪式移 動方式在相對平坦的地形上行駛時，具有相當?shù)膬?yōu)勢 ： 運動速度 迅速、平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)和 控制也較簡單，但在不平地面上行駛時，能耗將大 幅度 增加，而在松軟地面或嚴重崎 嶇不平的地形上，車輪的作用也將嚴重喪失 使 移動效率 降低。為了改善輪子對松軟地 面和不平地面的適應(yīng)能力，履帶式移動方式應(yīng)運而生但履帶式機器人在不平地面上的 機動性仍然很差 而且 行駛時機身晃動嚴重。與輪式、履帶式 移動機器人 相比在崎嶇不 平的路面 步行機器人 具有獨特優(yōu)越性能 ， 因此，在這種背景下 行 走 機器人的研究蓬勃 發(fā)展起來。而仿生步行機器人的出現(xiàn)更加顯示出步行機器人的優(yōu)勢。 多足 行 走 機器人的運動軌跡是一系列離散的足印 ， 運動時只需要離散的點接觸 ， 因 此對 地面 環(huán)境的破壞程度也較小 ，而且 可以在可能到達的地面上選擇最優(yōu)的支撐 點對 崎嶇 地形 有 較強的適應(yīng) 能力 。因此多足 行 走 機器人對環(huán)境的破壞程度也較小。輪式和 履帶式機器人 則是一條條連續(xù)的轍跡。崎嶇地形中往往含有巖石、泥土、 沙子 甚至峭 壁和陡坡等障礙物 ， 可以穩(wěn)定支撐機器人的連續(xù)路徑 非常 有限 ,所以 此時輪帶式和履帶 式機器人在這種情況下并不太實用 。 多足 行走機器人的 腿 通常是多自由度 的 ，所以靈 活度也較好 。它可以通過調(diào)節(jié)腿的長度 和 伸展 程度 保持身體水平 和 調(diào)整 重心的位置因 此不易翻倒 有 相對高的穩(wěn)定性 。當然多足步行機器人也存在一些不足之處 。比如為使 腿部協(xié)調(diào)穩(wěn)定運動從機械結(jié)構(gòu)設(shè)計到控制系統(tǒng)算法都比較復 雜 ， 仿生多足步行機器人 在 機動性方面和自然界的節(jié)肢動物相比還有很大的差距 。 4目前研究的概況和發(fā)展趨勢 最早 的多足 步行 機器人可以追溯到中國三國時期的水牛流馬 ，國外 據(jù) 記載 最早 是 1893 年 Rygg 設(shè)計的機械馬。之后多足步行機器人經(jīng)過近百年的發(fā)展，取得了極大的 進步，尤其是隨著 當今 電子 計算機技術(shù)的發(fā)展，多足步行機器人不再 是 過去的純機械 階段 而是 進入到了 如今 的 機電 控制階段。進 入八十年代，步行機器人的發(fā)展更是日新 月異，這里 簡單介紹 近年來比較 典型 的幾種多足步行機器人 。 1983 年， Odetics 公司生產(chǎn)出第一代“ OdexI”型六足步行機器人，如圖 1.1 所 示。該機器人的電子驅(qū)動裝置使用大功率場效應(yīng)管的開關(guān)型放大器，用直流電動機作 驅(qū)動元件。控制系統(tǒng)分級安排 。最低級的 6 個 寬帶寬處理機用于處理腿驅(qū)動裝置的數(shù) 字式伺服回路的數(shù)據(jù)以及腳和腿部觸覺傳感系統(tǒng)的快速反射式反應(yīng) 數(shù)據(jù)；中間級有一 個處理機，管理 6 個 低級處理機和最高一級系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流的分配；最高級包括若 干個處理機，處理實際的行走算 法、垂直基準、數(shù)據(jù)采集、通信和系統(tǒng)診斷等計算和 控制任務(wù)。 1986 年， Miura 和 Shimoyama 等研制出“ Collie-2”四足步行機器人，如圖 1.2 所示。 用直流伺服電機驅(qū)動 ，用 RMS68K 和 MC68020 芯片 操作系統(tǒng) 控制，機器人 的每一個關(guān)節(jié)安裝了一個電位器。 圖 1.1 六足機器人“ Odex I” 圖 1.2 東京大學的四足機器人“ Collie-2” 2002 年 ,印度 研制 的六足行走 機器人“舞王”，如圖 1.3 所示。該機器人用 18 臺電 子發(fā)動機帶動每條腿 轉(zhuǎn)動，基座上裝有電腦 用于控制和監(jiān)視，另外用一臺無線臺式電 腦用來遙控，它是 印度技術(shù)研究院 的 科學家 門 8 年心血的結(jié)晶。 圖 1.3 印度六足行走式機器人“舞王” 在我國，近年來多足步行機器人的研究也取得了很大的進展。 1993 年，由上海交通 大學研制的 JTUWM-III 型四足步行機器人。 采用 4 分布式控制系統(tǒng)。以 8098 單片 機為核心的直流伺服系統(tǒng)是機器人的直接控制級，由 8031 單片機構(gòu)成的通信控制器 是機器人的中間級，最高級是管理協(xié)調(diào)計算機。 國內(nèi)其它的單位清華大學、北京 航空航天大學、國防科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、 長春光學精密機械研究所、中科院沈陽自動化所等在多足步行機器人領(lǐng)域都取得了豐 碩成果。中科院沈陽自動化所研制成功水下六足步行機，清華大學開發(fā)出了 DTWN 框架式雙三足移動機器人和五足爬桿機器人。 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題 六足行走機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 行走結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路） （ 1）根據(jù)實際應(yīng)用情況，做詳細的調(diào)研，并在此基礎(chǔ)上確定合理的方案實現(xiàn)六足行 走機器人設(shè)計。 （ 2）繪制六足 行走機器人 行走機構(gòu)的機構(gòu)圖。 （ 3）制定系統(tǒng)總體設(shè)計方案，繪制系統(tǒng)的設(shè)計圖。 （ 4）對系統(tǒng)進行必要的參數(shù)計算。 （ 5）完成對系統(tǒng)的控制設(shè)計工作。 （ 6）編寫設(shè)計說明書 3.本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果 六足 行走 機器人行走機構(gòu)的設(shè)計方案、設(shè)計圖， 總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖紙和部分部件圖紙， 六足 行走 機器人行走機構(gòu)的設(shè)計說明書。 三、論文（設(shè)計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)）； 本課題是機械設(shè)計的技術(shù)項目，因為技術(shù)比較成熟，有關(guān)的硬件條件已基本具備， 所以方案是可行的。 參考國內(nèi) 外有關(guān)資料，根據(jù)擬訂的方案完成六足行走機器人行走機構(gòu)的機構(gòu)設(shè)計， 進行調(diào)試。 機構(gòu)采用步進電機帶動齒輪機構(gòu)驅(qū)動，只需提供電能，就能完成六足 行走 任務(wù)。 2.論文（設(shè)計）進度計劃 1-2 周 調(diào)研、方案論證 3 周 撰寫開題報告 4-5 周 方案設(shè)計 6-8 周 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 9-10 周 控制系統(tǒng)設(shè)計 11-12 周 控制系統(tǒng)調(diào)試 13-14 周 完善設(shè)計方案，進行技術(shù)總結(jié) 15 周 準備答辯 四、需要閱讀的參考文獻 1張金柱 ,金振林 ,陳廣廣 . 六足步行機器人腿部機構(gòu)運動學分析 J. 農(nóng)業(yè)工程學報 . 2016(09) 2張春陽 ,江先志 . 六足機器人步態(tài)規(guī)劃及其靜態(tài)穩(wěn)定性研究 J. 成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化 . 2016(02) 3程乾 . 六足機器人行走機構(gòu)設(shè)計與運動仿真研究 D. 西南科技大學 2015 4葉 俊 ,吳宏熊 ,葉曉偉 . 基于并聯(lián)機械腿的六足機器人分析與設(shè)計 J. 電子技術(shù)與軟件工程 . 2016(22) 5陳剛 . 六足步行機器人位姿控制及步態(tài)規(guī)劃研究 D. 浙江大學 2014 6胡廈 . 六足步行機器人直行關(guān)鍵技術(shù)研究 D. 浙江大學 2008 7金波 ,胡廈 ,俞亞新 . 新型六足爬行機器人設(shè)計 J. 機電工程 . 2007(06) 8徐小云 ,顏國正 ,丁國清 ,劉華 . 六足微型仿生機器人及其控制系統(tǒng)的研究 J. 計算機工程 . 2002(11) 9宋一然 ,顏國正 ,徐小云 . 基于仿生學原理的六足微型機器人 J. 機電一體化 . 2005(03) 10徐小云 ,顏國正 ,丁國清 . 微型六足仿生機器人及其三角步態(tài)的研究 J. 光學精密工程 . 2002(04) 11六足機器人控制系統(tǒng)研究與設(shè)計 D. 哈爾濱理工大學 2012 12潘陽 . P-P 結(jié)構(gòu)六足機器人性能設(shè)計與控 制實驗研究 D. 上海交通大學 2014 13Maurizio Ruggiu,Xianwen Kong. Mobility and kinematic analysis of a parallel mechanism with both PPR and planar operation modesJ. Mechanism and Machine Theory . 2012 14Dan Zhang,Zhen Gao. Forward kinematics, performance analysis, and multi-objective optimization of a bio-inspired parallel manipulatorJ. Robotics and Computer Integrated Manufacturing . 2012 (4) 15Zhiying Wang,Xilun Ding,Alberto Rovetta,Alessandro Giusti. Mobility analysis of the typical gait of a radial symmetrical six-legged robotJ. Mechatronics . 2011 (7) 附：文獻綜述或報告 文獻綜述 基于文獻 1為提高 機器人對工作環(huán)境的適應(yīng)性及工作的靈活性 ,設(shè)計 一種六足 步行機器人三自由度腿部機構(gòu)。該機構(gòu)由并聯(lián)驅(qū)動機構(gòu)和行走機構(gòu)組成 ,既具有并聯(lián) 機構(gòu)的特點 ,又具有很好的防護性。建 立驅(qū)動機構(gòu)動平臺線速度與角速度之間的關(guān)系 矩陣和該腿部機構(gòu)全雅可比矩陣 ,繪制了全雅可比矩陣條件數(shù)分布圖 ,建立了并聯(lián)驅(qū) 動機構(gòu)和腿部行走機構(gòu)顯式 333 形式 Hessian 矩陣。在滿足步矩為 300 mm、越障 高度為 200 mm 的條件下 ,利用組合多項式的方法 ,對該腿部足端進行軌跡規(guī)劃 ,并求出 了足端軌跡函數(shù)。將該軌跡函數(shù)作為足端輸入 ,分別繪制了機構(gòu)驅(qū)動關(guān)節(jié)在擺動相的 角速度、角加速度理論曲線和虛擬樣機仿真曲線。分析曲線中的數(shù)據(jù)可得角速度、角 加速度的理論與仿真結(jié)果相近度均可達到 10-3 mm,從而驗證了理論分析的正確性。 為 六足機器人的開發(fā)和控制提供參考。 基于文獻 2確立六足機器人的步態(tài)規(guī)劃成為其行走的關(guān)鍵技術(shù)，步態(tài)規(guī)劃直接 關(guān)系到機器人的行走質(zhì)量，好的行走步態(tài)能保證機器人在行走過程中具有良好的穩(wěn)定 性以及較高的運動效率，反之不僅不能使機器人獲得良好的穩(wěn)定性以及行走品質(zhì)，而 且很有可能導致機器人根本不能行走，經(jīng)過人們對六足昆蟲行走策略的研究，對于六 足機器人，根據(jù)其在行走過程中支撐足的數(shù)目，可將其行走形式分為三角步態(tài)、四足 步態(tài)以及波動步態(tài)。 三角步態(tài)為六足機器人最常用的步態(tài)，其穩(wěn)定性好、行走效率 高。六足機器人在行走過程中，其步 長對機器人穩(wěn)定性具有一定的影響。為保證機器 人具有良好的穩(wěn)定性，機器人行走時應(yīng)選取適當?shù)牟介L，本文以六足機器人樣機為研 究對象，規(guī)劃了六足機器人橫向與縱向直行的三角步態(tài)，并結(jié)合其步長分析了機器人 在采用三角步態(tài)直行時的穩(wěn)定性。 基于文獻 3從以下三方面考慮 (1)六足機器人行走機構(gòu)設(shè)計：在對六足生物的典 型生理結(jié)構(gòu)特征參數(shù)量化分析基礎(chǔ)上，進行了六足機器人行走機構(gòu)設(shè)計，以機器人運 動靈活性為優(yōu)化目標對行走機構(gòu)特征參數(shù)進行了優(yōu)化分析，確定了六足機器人行走機 構(gòu)的較優(yōu)幾何參數(shù)。最后，以較優(yōu)行走機構(gòu)為基礎(chǔ)進行了行走機構(gòu)關(guān)鍵零部 件的強度 分析。 (2)行走機構(gòu)運動學和動力學分析：基于 D-H 參數(shù)方法構(gòu)建了六足機器人行走 機構(gòu)的運動學模型，以運動學模型為基礎(chǔ)推導了其擺動相和支撐相的運動學方程；基 于拉格朗日方法構(gòu)建了行走機構(gòu)動力學模型，以動力學模型為基礎(chǔ)推導了其擺動相和 支撐相的動力學方程。 (3)運動規(guī)劃策略分析：針對行走機構(gòu)的足端軌跡規(guī)劃、步態(tài) 規(guī)劃和步態(tài)穩(wěn)定性三個典型問題，開展其運動規(guī)劃策略分析。采用多項式插值方法建 立了擺動相和支撐相的基礎(chǔ)足端軌跡規(guī)劃策略，結(jié)合行走機構(gòu)運動學模型，制訂了腿 部各關(guān)節(jié)角度規(guī)劃策略，在此基礎(chǔ)上分析了六足機器人在 復雜地形環(huán)境中行走機構(gòu)的 足端軌跡。分析了六足機器人三足、四足和波動步態(tài)三種典型步態(tài)，結(jié)合六足機器人 步態(tài)的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性分析，提出了一種六足機器人在復雜地形環(huán)境中自由探尋步 態(tài)的規(guī)劃策略。最后，在前述理論分析的基礎(chǔ)上，采用商用機械系統(tǒng)動力學仿真軟件 對六足機器人行走機構(gòu)直行和轉(zhuǎn)彎與上下階梯兩種典型基礎(chǔ)運動模式進行了仿真分 析，通過實物樣機的直行和轉(zhuǎn)彎與上下階梯兩種運動模式的物理試驗，驗證本文建立 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法、足端軌跡規(guī)劃、步態(tài)規(guī)劃以及復雜環(huán)境運動規(guī)劃策略等理論分 析方法的正確性和有效性。 基于文獻 4簡要介 紹并聯(lián)機械腿與六足機器人的基礎(chǔ)上 ,對機器人整體及機械 腿構(gòu)型進行了分析 ,并重點闡述了基于并聯(lián)機械腿的六足機器人的整體設(shè)計問題 。 基于文獻 5以 六 足步行機器人位姿控制和步態(tài)規(guī)劃兩個方面作為研究切入點 , 通過深入研究旨在實現(xiàn)六足步行機器人位姿閉環(huán)控制 ,同時對六足步行機器人轉(zhuǎn)彎步 態(tài)進行深入研究 ,從而為后續(xù)對適于六足步行機器人復雜環(huán)境中行走的步態(tài)研究奠定 基礎(chǔ)。 其中 包括：運動學的研究、位姿解算算法的研究、位姿閉環(huán)控制研究、步態(tài)規(guī) 劃研究。 基于文獻 6確 立了機器人簡單的步態(tài)模型 ,從理論上推導了機器人直行時的運 動學公式 ,并通過電機的運動曲線介紹了電機運動的特性和設(shè)計方法。在 ADAMS 動力 學仿真軟件中建立機器人模型 ,通過仿真結(jié)果驗證運動學模型并優(yōu)化機器人的結(jié)構(gòu)參 數(shù)。重點介紹六足步行機器人樣機的制作過程 ,包括機械設(shè)計、總體控制策略設(shè)計、 電路設(shè)計及軟件設(shè)計四部分 。 基于文獻 7用仿哺乳類的腿部結(jié)構(gòu) ,并針對這種腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計六足的行走方式 , 通過對 12 個步進電機的控制 ,采用三角步態(tài) ,實現(xiàn)六足機器人的直行功能。仿真及試 驗證明 ,這種結(jié)構(gòu)能較好地維持六足機器人自身的平衡 ,有助于 更深入地研究六足機 器人抬腿行走姿態(tài)及可行性 。 基于文獻 8910根據(jù) 微型六足仿生機器人的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)，分析這種微型 六足仿生機器人的移動原理，闡述如何通過計算機來控制微型六足仿生機器人的運 動，該機器人基于仿生學原理，結(jié)構(gòu)獨特、簡單、新穎，能方便地實現(xiàn)前進和后退， 其樣機外形尺寸為：長 30mm，寬 40mm，高 20mm，重 6.3 克。并對該樣機進行了實驗， 實驗結(jié)果表明該機器人具有較好的機動性。在分析六足昆蟲運動機理的基礎(chǔ)上 ,采用 平面四連桿機構(gòu)、蝸輪蝸桿減速機構(gòu)、皮帶傳動機構(gòu)、微型直流電機驅(qū)動和 PC 機控 制方案 。 基于文獻 9介紹一種新的六足微型機器人的結(jié)構(gòu)和控制 ,分析機器人的移動的 原理。該機器人基于仿生學的原理 ,它的結(jié)構(gòu)簡單 ,設(shè)計獨特 ,能前進和后退?；诜?生學原理 ,在分析六足昆蟲運動機理的基礎(chǔ)上 ,采用平面四連桿機構(gòu)、蝸輪蝸桿減速 機構(gòu)、皮帶傳動機構(gòu)、微型直流電機驅(qū)動和 PC 機控制方案 ,研制成一種新型 “ 微型 六足仿生機器人 ” , 其樣機外形尺寸為 :長 30mm ,寬 4 0mm ,高 2 0mm ,重 6 .3g。 討論了該機器人的運動步態(tài)并分析了其運動穩(wěn)定性 ,實驗結(jié)果表明該機器人具有較 好的機動性 。 基于文獻 11l 利用 CPG 仿生算法來解決六足機器人多步態(tài)行走時的多 關(guān)節(jié)協(xié)調(diào) 問題，利用 CPG 之間的耦合關(guān)系實現(xiàn)機器人的不同步態(tài)形式，提高機器人運動的靈活 性 基于文獻 12介紹一種采用 Parallel-Parallel（ PP）結(jié)構(gòu)的新型六足機器人， 它的特點在于每條腿均采用了三支鏈并聯(lián)機構(gòu)的設(shè)計，從而大大提高了單腿的承載、 剛度和精度。此外當機器人機身進行相關(guān)作業(yè)時，它的六條腿均要著地，從而機身、 六條腿和地面之間也可以被看成是一個更大的并聯(lián)系統(tǒng)。故而可以稱該機器人為 PP 結(jié)構(gòu)的六足機器人。本文針對該六足機器人從機構(gòu)設(shè)計、性能分析、控制方法和容錯 性能等四個方面做研究，同時也對機器人 真實樣機做了大量的實驗。 審 核 意 見 指導教師評閱意見 （對選題情況、研究內(nèi)容、工作安排、文獻綜述等方 面進行評閱） 簽字： 年 月 日 教研室主任意見 簽字： 年 月 日 學院教學指導委員會意見 簽字： 年 月 日 公章：