蛇形機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真,蛇形,機(jī)器人,設(shè)計(jì),仿真 本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開題報(bào)告 論 文 題 目： 基于 arduino 的蛇形機(jī)器人的設(shè)計(jì)學(xué) 院：專 業(yè) 、班 級(jí)：學(xué) 生 姓 名：導(dǎo)教師（職稱）： 一、選題依據(jù) 1. 論文（設(shè)計(jì)）題目 基于 arduino 的蛇形機(jī)器人的設(shè)計(jì) 2. 研究領(lǐng)域 仿生機(jī)器人 3. 論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 蛇形機(jī)器人可適應(yīng)各種復(fù)雜地形的行走，如在戰(zhàn)場(chǎng)掃雷、偵測(cè)、爆破、礦井和廢墟中探測(cè)營救、管道維修以及外行星地表探測(cè)等，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的行走機(jī)構(gòu)，在許多領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景： 1. 在有輻射，粉塵，毒及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)[8] 2. 在狹小獨(dú)立條件下探測(cè)和疏通管道 3. 在地震，塌方及火災(zāi)的廢墟中尋找傷員[9][10] 4. 外行星地表勘探[6] 4. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì) 目前蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。依據(jù)蜿蜒運(yùn)動(dòng)， 伸縮運(yùn)動(dòng)，側(cè)向運(yùn)動(dòng)三種蛇主要行進(jìn)方式分類，科學(xué)家們多集中于蜿蜒運(yùn)動(dòng)的研究， 蜿蜒運(yùn)動(dòng)在水域[1][2]和復(fù)雜地形[3][4]都可實(shí)現(xiàn)。在水域內(nèi)，可通過小角度和大角度轉(zhuǎn)彎使蛇在水中運(yùn)動(dòng)自如；對(duì)于在陸地，具體有：以盧亞平[6]為代表的利用正弦角度控制的幅值參數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向改變；以唐超全[5]等利用幅值調(diào)整法實(shí)現(xiàn)基于 CPG 的蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向改變；以張丹鳳[5]為代表的基于能量平衡的被動(dòng)蜿蜒運(yùn)動(dòng)設(shè)置專有方向參數(shù)使蛇形機(jī)器人向不同方向轉(zhuǎn)不同的彎。而依據(jù)蛇形機(jī)器人的研究的方向分類，主要在以下幾個(gè)方面： （1） 蛇形機(jī)器人系統(tǒng)中模塊的功能，設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。包括機(jī)器人的功能分析和功能的分配，模塊的軟、硬件功能分析，模塊描述方法的研究，軟、硬件模塊的設(shè)計(jì)，軟、硬件模塊自動(dòng)或快速連接方法的研究； （2） 蛇形機(jī)器人的構(gòu)形設(shè)計(jì)。包括機(jī)器人所需完成任務(wù)描述方法的研究，機(jī)器人構(gòu)形表達(dá)方法的研究，機(jī)器人最優(yōu)構(gòu)形天生方法的研究； （3） 蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究更傾向考慮軟件的可重構(gòu)性．包括模塊運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析方法，分布式模塊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析方法的研究； （4） 研究適用于可重構(gòu)蛇形機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制軟件。包括機(jī)器人控制模塊的功能分析和劃分方法的研究，軟件重構(gòu)方法的研究。 陸地和水下蛇形機(jī)器人是目前仿生機(jī)器人研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，美國和日本走在前 沿，此外加拿大、英國、瑞典、澳大利亞等國也都在開展這方面的技術(shù)研究。隨著蛇形機(jī)器人的研究的深入，在建筑、采礦、災(zāi)難救援等非制造業(yè)行業(yè)、國防軍事領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、甚至日常生活領(lǐng)域等對(duì)蛇形機(jī)器人的需求將越來越大。因此，適合應(yīng)用的更為智能和專業(yè)的蛇形機(jī)器人技術(shù)必將成為未來的研究熱點(diǎn)。對(duì)蛇形機(jī)器人的研究趨勢(shì)如下： （1） 嘗試性地將適應(yīng)領(lǐng)域從陸地向水陸兩棲發(fā)展，使蛇形機(jī)器人不僅具有陸地爬行能力，還有水中游動(dòng)的能力； （2） 機(jī)構(gòu)本體和多傳感器融合，環(huán)境感知能力加強(qiáng)，集成壓力，視覺，距離， 角度，速度等傳感器，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)可調(diào)節(jié)其適應(yīng)環(huán)境的控制參數(shù)； （3） 蛇形機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上開始向具有變形，分體等新功能發(fā)展，結(jié)合多傳感器融合技術(shù)，使其時(shí)刻敏感外部環(huán)境，可進(jìn)行分體協(xié)同運(yùn)動(dòng)，或完成必要的變形運(yùn)動(dòng)； （4） 有部分學(xué)者開始研究蛇形機(jī)器人的三維運(yùn)動(dòng)； 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1、重點(diǎn)解決的問題 對(duì)蛇的身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了分析，掌握蛇的運(yùn)動(dòng)模型，分析蛇在蜿蜒運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況。通過對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)的研究，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，設(shè)計(jì)一條多關(guān)節(jié)的仿生機(jī)器蛇，實(shí)現(xiàn)蜿蜒前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。 2、擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路） （1） 運(yùn)動(dòng)原理與設(shè)計(jì) 1. 設(shè)計(jì)簡單剛體鉸鏈模型 2. 運(yùn)動(dòng)原理設(shè)計(jì) ①整體布局：簡單模型——性能要求——理論分析方面 ②蜿蜒運(yùn)動(dòng)——用于較平坦的地面運(yùn)動(dòng) ③伸縮運(yùn)動(dòng)——狹窄通道的穿行 ④側(cè)向運(yùn)動(dòng)——在碎石中運(yùn)動(dòng) ⑤翻滾運(yùn)動(dòng)——自身姿態(tài)調(diào)整及蔽障 ⑥總述：計(jì)算是否合格，結(jié)構(gòu)參數(shù)得出初步，對(duì)控制系統(tǒng)期望方面 3. Matlab 建模，完成關(guān)節(jié)——角度——關(guān)節(jié)數(shù)之間的關(guān)系曲線分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備 4. 初步設(shè)計(jì)參數(shù)列表 （2） 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 依 I-2 結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行校核 2. Solidworks 建模 3. Anysys 建模 完成連接處部件強(qiáng)度校核 4. 構(gòu)件選型 舵機(jī) 藍(lán)牙模塊 紅外線模塊 攝像頭模塊 5. 參數(shù)與性能列表 （3） 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1. 總體控制思路及相應(yīng)理論支持 ①四種模式的聯(lián)系及控制方法 ②部件功能調(diào)用的實(shí)現(xiàn) ③反饋回路等 2. 組裝藍(lán)牙模塊 紅外線模塊 攝像頭模塊 3. 編寫 arduino 控制程序 4. 編寫藍(lán)牙控制程序 5. 調(diào)試 3. 本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果 （1） 簡單模型 （2） Solidworks 結(jié)構(gòu)圖 （3） ANYSYS 應(yīng)力分析 （4） 軟件流程 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1、論文采用的主要研究方法： 采用 solidworks 建模構(gòu)造實(shí)體 采用 MATLAB 建模完成關(guān)節(jié)——角度——關(guān)節(jié)數(shù)之間的關(guān)系采用 ANYSYS 建模完成各種動(dòng)作下鏈接處的應(yīng)力分析 搭建 arduino 平臺(tái)和擴(kuò)展模塊 采用 arduino IDE 完成 arduino 的編程2、論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃： 第 1 周：收集研究方向相關(guān)資料、研究資料。 第 2 周：閱讀參考文獻(xiàn)，確定研究內(nèi)容。 第 3 周：撰寫開題報(bào)告，擬訂總體設(shè)計(jì)方案。 第 4 周：完善、修改開題報(bào)告，完成外文翻譯。 第 5 周：進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)總體規(guī)劃，設(shè)計(jì)總體實(shí)施方案。 第 6 周：主要器件選型，繪制結(jié)構(gòu)圖。 第 7 周：繪制系統(tǒng)原理圖，控制電路功能設(shè)計(jì)。 第 8 周：各模塊連接實(shí)現(xiàn)，構(gòu)型完成。 第 9 周：設(shè)計(jì)程序流程框圖和主要算法。 第 10 周：完成程序編制、進(jìn)行調(diào)試。 第 11 周：利用小型舵機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)， 第 12 周：分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫設(shè)計(jì)說明書。 第 13 周：完善設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。 第 14 周：按指導(dǎo)教師及評(píng)閱教師的意見修改設(shè)計(jì)說明書，進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。 四、需要閱讀的參考文獻(xiàn) [1] 唐敬閣,李斌,李志強(qiáng),常健. 水下蛇形機(jī)器人的滑翔運(yùn)動(dòng)性能研究[J].高技術(shù)通訊 , 2017 , 27 (3) :269-276. 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