六足步行机器人毕业设计开题报告

燕山大学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：六足步行机器人学院（系）：里仁学院年级专业：机械电子学生姓名：指导教师：完成日期：一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义步行机器人，简称步行机 ,是一种智能型机器人 , 它是涉及到生物科学 , 仿生学 , 机构学 , 传感技术及信息处理技术等的一门综合性高科技 . 在崎岖路面上 ,步行车辆优于轮式或履带式车辆 .腿式系统有很大的优越以及较好的机动性 , 崎岖路面上乘坐的舒适性 ,对地形的适应能力强 .所以 ,这类机器人在军事运输 , 海底探测 , 矿山开采 , 星球探测 , 残疾人的轮椅 , 教育及娱乐等众多行业 ,有非常广阔的应用前景 , 多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之一。

目前《机械电子》等期刊发布国内研究成果如下：闰尚彬,韩宝玲,罗庆生在文献[1]针对仿生六足步行机器人关节较多,其步态轨迹规划和关节控制量计算都较为复杂的现状,采用Solidworks软件与MSC.ADAMS软件相结合的方式对六足仿生步行机器人的样机模型进行了运动学仿真与分析.通过仿真,验证了所设计的三角步态的适用性和所选择的三次样条曲线作为机器人足端点轨迹曲线方案的可行性.韩宝玲王秋丽罗庆生在文献[2]基于六足仿生步行机器人机构学特性的研究,采用数值分析法求解了机器人步行足的足端工作空间,利用虚拟样机技术计算了机器人的灵活度,从两方面综合衡量六足仿生步行机器人的工作能力,并以六足步行机器人各腿节比例关系的确定为例,介绍了六足步行机器人结构优化的具体方案.苏军陈学东田文罡在文献[3]研究六足步行机器人全方位行走步态，分析其静态稳定性；规划了典型直线行走步态和定点转弯步态，确定了直线行走步态最大跨步和定点转弯步态最大转角；进行了步态控制算法模拟仿真及实地步行实验。

王绍治郭伟于海涛李满天在文献[4]根据CPG双层网络的特点,采用分层分布式系统架构研究制了一种机器人运动控制系统.其基于FPGA的星型总线,在保证通信速率的同时提高了系统抗干扰能力.在单足控制器中嵌入双NIOS完成CPG网络解算和电机运动控制.郭少晶韩宝玲罗庆生在文献[5]针对采用电池供电的六足仿生步行机器人其工作时间受限的情况,提出了将动态电源管理、实时任务调度和运动策略规划等方法,综合运用于其控制系统,且更为全面地考虑了机器人系统的能耗等级.这种方法对于降低机器人的系统能耗起到了实质性的作用,其整体思路与技术途径可为降低其它类似的多足步行机器人的系统能耗, 陈甫臧希喆赵杰闫继宏在文献[6]从机械结构、运动模式和步态控制3个方面, 对六足步行机器人的仿生机制进行了分析. 提出一种灵活度评价函数, 基于该函数对六足机器人的结构参数进行了优化; 推导了步态模式与步行速度关系的数学表达; 构建了分布式局部规则网络, 可自适应地调整错乱的腿间相序,生成静态稳定的自由步态.仿真实验验证了上述仿生机制的有效性。

王立刘连蕊高建华在文献[7]针对六足步行机器人在非结构化地形下运动时方向转动角度大小对控制的影响,运用差分控制方法导出六足步行机器人在非结构化地形下行走时各足端的方位信息,在保持机体和足端协调性的同时,保证机器人在运动过程中不与复杂的地面发生接触,顺利地完成机器人左右转弯运动.在仿真实验中得到了满意的结果,为将来的实际应用奠定基础。

杨立辉罗庆生王秋丽毛新在文献[8]通过对六足步行机器人步行足的运动学分析，按照坐标系的建立原则，选取机构中的转动副作为关节变量，推导出各关节的广义变换矩阵，得到了步行足足端的运动学方程，求出步行足足端点运动学的正解坐标系，利用paul等人提出的代数解法进行了运动学逆解分析，并借助计算机对其逆解进行了验证，为后续的运动学分析和轨迹规划奠定了基础。

张伏张国英邱兆美毛鹏军在文献[9]对双足人、四足动物、六足昆虫的行走方式和躯体形态以及它们在步态、体态方面的差别进行了综合论述,进而对不同行走方式的机器人的步态策略进行了论述,并对行走机构足数与性能进行了定性评价,展望了动物步态和仿生步行机器人研究的发展前景。

1990 年,美国卡内基- 梅隆大学研制出用于外星探测的六足步行机器人AMBL ER[2 ] , 如图1 所示。

该机器人采用了新型的腿机构,由一个在水平面内运动的旋转杆和在垂直平面内作直线运动的伸展杆组成,两杆正交。

该机器人由一台32 位的处理机来规划系统运动路线、控制运动和监视系统的状态,所用传感器包括激光测距扫描仪、彩色摄像机、惯性基准装置和触觉传感器。

总质量为3 180 kg ,由于体积和质量太大,最终没被用于行星探测计划。

1993 年,美国卡内基- 梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人DANTE ,用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察,其改进型DANTE - II 也在实际中得到了应用[3 ] ,如图2 所示。

1994年,DANTE - II 对距离安克雷奇145 km 的斯伯火山进行了考察,传回了各种数据及图像。

1996～2000 年,美国罗克威尔公司在DARPA 资助下,研制自主水下步行机ALUV (Autonomous Legged UnderwaterVehicle) [4 ] ,如图3 所示。

该步行机模仿螃蟹的外形,每条腿有两个自由度,具有两栖运动性能,可以隐藏在海浪下面,在水中步行,当风浪太大时,将脚埋入沙中。

它的脚底装有传感器,用于探测岸边的地雷,当它遇到水雷时,自己爆炸同时引爆水雷。

在对昆虫步态进行研究的基础上,2000年美国研制出六足仿生步行机器人Biobot[1],如图4所示。

为了像昆虫那样在凸凹不平地面上仍能高速和灵活步行,采用气动人工肌肉的方式,压缩空气由步行机上部的管子传输,并由气动作动器驱动各关节,使用独特的机构来模仿肌肉的特性。

与电机驱动相比,该作动器能提供更大的力和更高的速度。

通常足数多于或等于四的步行机器人称为多足步行机器人，该类机器人能够在不平的路面上稳定地行走，可以取代轮式车完成在一些复杂环境中的运输作业，因此多足步行机器人在军事运输及探测、矿山开采、水下建筑、核工业、星球探测、农业及森林采伐、教育、艺术及娱乐等许多行业有着非常广阔的应用前景。

长期以来，多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域研究的热点之一。

为了探索多足步行机器人技术的研究前沿，给我国多足步行机器人工程实用化开发提供关键技术的支持，开展多足步行机器人相关理论和技术的研究具有十分重要的科学意义和应用价值。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题步行机器人的机械部分是机器人所有控制及运动的载体，其结构特点直接决定了机器人的运动学特征，其性能的好坏也直接决定了功能可行性。

多足步行机器人的机构系统主要包括机器人腿部件的布局、腿部件的结构形式、腿的数量等，而其中腿部件的结构形式是多足步行机器人机构的重要组成部分，是机械设计的关键之一。

因此，从某种意义上说，对多足步行机器人机构的分析主要集中在对其腿机构的分析。

一般地，从机器人结构设计要求看，腿机构不能过于复杂，杆件过多的腿机构形式会引起结构和传动的实现产生困难。

因此对多足步行机器人腿机构的基本要求可以归纳为：（1）实现运动的要求；（2）承载能力的要求；（3）结构实现和方便控制的要求。

三、研究步骤、方法及措施1.查阅文献资料，从文献资料中掌握一些关于工业关节机器人的基本知识，确定研究方案。

2.对选定方案进行结构设计及运动学分析，进行相关的计算，定出各零部件的尺寸形状，进行强度校核，并确定驱动器容量、传动方式和速比。

3.利用Solidworks对零件进行设计造型，再将零件装配起来，利用仿真模块进行运动仿真模拟。

4.利用Solidworks／cosmos模块对设计的机械本体进行动力学分析，得出关键部件的动态速度及加速度图表，对关键点进行必要的校核，并验证动力容量和速比的正确性。

5.绘制典型零件图、部件图及总体装配图。

6.制作毕业设计说明书，翻译外文文献。

四、研究工作进度第一阶段（3月1号~3月3号），查阅资料。

第二阶段（3月4号~3月7号），阅读文献资料。

第三一阶段（3月8号~3月10号），筛选文献资料，初步确定设计方案。

第四阶段（3月11号~3月13号），撰写开题报告与文献综述。

第五阶段（3月14号~3月17号），讨论修改报告。

第六阶段（3月18号~3月22号），制作PPT。

第七阶段（3月23号~3月25号），准备第一次答辩。

第八阶段（3月27号~3月31号），进行初步设计，确定所用机械结构，所用零件。

第九阶段（4月1号~4月3号），进行初步校核。

第十阶段（4月4号~4月6号），用solidworks对每个零件进行三维设计造型。

第十一阶段（4月7号~4月8号），将每个零件装配起来。

第十二阶段（4月9号~4月12号），利用仿真模块进行运动仿真模拟。

第十三阶段（4月13号~4月17号），进行修改设计。

第十四阶段（4月18号~4月23号），第十五阶段（4月23号~4月30号），用Solidworks对机械腿进行三维造型。

第十六阶段（5月1号~5月4号），用Solidworks对用到的其他零部件进行三维造型。

第十七阶段（5月5号~5月7号），对所画的零部件进行初步的组装。

第十八阶段（5月8号~5月11号），检查各处配合完成零部件的组装。

第十九阶段（5月12号~5月15号），进行模拟仿真。

第二十阶段（5月16号~5月18号），机械本体进行动力学分析，验证设计的合理性。

第二十一阶段（5月19号~5月23号），绘制初步的整体图纸。

第二十二阶段（5月19号~5月22号），采用CAD绘制典型零件图、部件图。

第二十三阶段（5月23号~5月30号），绘制典型零件图、部件图。

第二十四阶段（5月31号~6月3号），绘制总体装配图。

第二十五阶段（6月4号~6月7号），制作毕业设计说明书第二十六阶段（6月8号~6月12号），翻译外文文献。

第二十七阶段（6月13号~6月15号），对毕业设计进行整理。

第二十八阶段（6月18号~6月17号），准备答辩五、主要参考文献【1】韩宝玲王秋丽罗庆生六足仿生步行机器人足端工作空间和灵活度研究《机械设计与研究》 2006 第4期【2】闰尚彬韩宝玲罗庆生仿生六足步行机器人步态轨迹的研究与仿真《计算机仿真》 2007 第10期【3】苏军陈学东田文罡六足步行机器人全方位步态的研究《机械与电子》 2004 第3期【4】王绍治郭伟于海涛李满天基于CPG的六足步行机器人运动控制系统研究《机械与电子》 2010 第8期【5】郭少晶韩宝玲罗庆生六足仿生步行机器人系统节能技术的研究《机械与电子》 2007 第4期【6】陈甫臧希喆赵杰闫继宏六足步行机器人仿生机制研究《机械与电子》 2009 第9期【7】王立刘连蕊高建华六足步行机器人非结构化地形下的方向控制研究《浙江理工大学学报》 2010 第2期【8】杨立辉罗庆生王秋丽毛新新型仿生六足机器人步行足运动学分析与研究《机械设计与制造》 2006 第9期【9】张伏张国英邱兆美毛鹏军仿生地面行走机构的步态研究现状与进展《农机化研究》 2011 第1期【10】Sun,Yi (School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology); Chen,Xuedong; Yan,Tianhong; Jia,Wenchuan.Modules design of a reconfigurable multi-legged walking robot[J]. Source: 2006 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, ROBIO 2006, 2006 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, ROBIO 2006, 2006, p1444-1449 【11】D.E.Orin.Supervisory Control of a Multilegged Robot，Int.J.Robotics Research,1982,Vol.1,No.1,pp.79-91【12】N.Koyachi.The World of Multi-Legged Robots,J.of Robotics Society of Japan,1993，Vol.11,No.3,pp.379-384【13】R.B McGhee.Some finite state aspects of legged locomotion，Mathematics Bioscientes,1968,2：67-84【14】Park S,Lee Y J. Discontinuous zigzag gait p lanning of a quadruped walking robot with a waistjoint[J]. Advanced Robotics,2007, 21 (1) : 14321642.【15】雷静桃，高峰，崔莹.多足步行机器人的研究现状及展望[D].北京: 北京航空航天大学汽车工程系,200609【16】曾桂英，刘少军.六足步行机器人的设计研究.中南大学机电工程学院, 长沙410083【17】王刚，孟庆鑫, 陈东良, 季宝锋, 刘德峰.一种新型多足仿生机器人步行足关节结构研究.哈尔滨工程大学机电工程学院, 哈尔滨150001【18】黄俊军，葛世荣，曹为 .多足步行机器人研究状况及展望[D]. 江苏徐州：中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所, 221008.【19】陈学东.多足步行机器人运动规划与控制[M ].中科技大学出版社 , 2006121.【20】郭鸿勋，陈学东.六足步行机器人机械系统[D].武汉：华中科技大学.200804六、指导教师意见……………………………………………………………………………………………指导教师签字：年月日七、系级教学单位审核意见：审查结果：□通过□完善后通过□未通过负责人签字：年月日说明：1.开题报告版面设置为：B5纸，上下页边距分别为2.5cm和2cm，左右页边距分别为2.4cm和2cm。