四足爬墙机器人结构设计开题报告

沈阳工业大学工程学院

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目：四足爬墙机器人的结构设计

系（部）：机械系

专业班级：机械设计制造及其自动化

学生姓名：

指导教师：

开题时间： 2013年 10 月 25 日

1.课题的目的和意义

本次设计的目的是大学即将结束时充分的运用所学到的机械方面的知识，加强自己对所学知识的一种融会贯通，毕业前的一种自我评估锻炼。设计出一款比较实用的四足爬墙机器人。

设计意义

（1）在设计四足爬墙机器人的过程中，学会查阅资料，锻炼自己的动手动脑能力，开拓自己的创新思维能力，学会理论联系实践，充分发挥了机械设计的专业知识的运用。[1]

（2）对机构的设计和研究有了比较深的理解和运用，汲取前人的经验教训。

（3）设计出了一种实用的四足爬墙机器人，学会理论和实践之间的结合能力。[4]

2. 国内、外现状况及发展趋势

2.1国内发展状况

目前，国际上机器人市场大概有80亿至100亿，其中工业机器人占的比重最大。2025年，整个机器人市场将达到500亿，服务机器人从原来的300多万台增加到1200多万台，特种机器人(如：排爆机器人、医疗机器人等)的呼声也越来越高。另外，微软等IT企业，丰田、奔驰等汽车公司，甚至还有家具、卫生洁具企业都纷纷参与机器人的研制。

在在国内，国家863机器人技术主题自成立以来一直重视机器人技术在产业中的推广和应用,长期以来推进机器人技术以提升传统产业,利用机器人技术发展高新产业。目前,政府正在使用各种办法加大中国装备制造业在市场中占据的份额,并提供优惠措施鼓励更多企业使用机器人及技术以提升技术水平。国内越来越多的企业在生产中采用了工业机器人,各种机器人生产厂家的销售量都有大幅度的提高。根据我国海关统计,最近4年来许多企业在华的销售量甚至是前面十几年销售量的几倍,年平均增长率超过40%。2001年我国工业机器人海关进出口数量不过是3774台,国内生产数量约700台左右。2004年市场规模已经增长到万台左右,数量和金额相对于2001年都增长了两倍。2004年国产工业机器人数量突破了1400台,产值突破8亿元人民币。进口机器人数量超过9000台,其中多功能机器人约1700台,简易机器人7500台,进口额约25亿美元。德国CLOOS公司在华焊接机器人销售量2000年以前为47台,2000年以后已经突破121台,销售量翻了近3倍。可以预见,中国的工业机器人产业不久后将会作为一种在国民经济中占据重

要地位的产业而存在。[5]

2.1国外发展状况

美国和日本多年来引领国际机器人的发展方向，代表着国际上机器人领域的最高科技水平。目前，日本除了比较关注特种机器人和服务机器人以外，还注重中间件的研制。然而，近年来日本基本上在做模仿性的工作，突破性技术比较少。而美国在机器人领域的技术开发方面，一直保持着世界领先地位。再有，美国主要做高附加值的产业，比如军用机器人，目前世界销售的9000台军用机器人之中，有60%来自美国。比如：美国最近研制成功的BigDog 军用机器人，能负重100公斤，行进速度跟人相当，每小时达到五公里，还能适应各种地形，即使是在侧面受到冲击时也能保持很好的系统稳定性。在各种机器人中，工业机器人应用较早，发展最为成熟。同时，技术的不断进爬一直在牵引着机器人学科的发展，使机器人的应用领域从工业机器人扩展到特种机器人和服务机器人等。机器人技术也正越来越深刻地影响着我们的生活。[6]

国外，应用于制造业的机器人取得了较显著进展，已成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的、知名机器人公司。如德国的KUKA、瑞典的ABB、日本的安川等。据专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，2002年至2004年，世界机器人市场年增长率平均在10%左右，2005年达到创纪录的30%，2007年全球机器人实际安装量达到650万台，机器人安装量比2006年增加3%，达到了114365台。据统计，近年来全球机器人行业发展迅速，2008年全球机器人行业总销售量比2006年增长25%。而无论在使用、生产还是出口方面，日本一直是全球领先者，目前日本已经有130余家专业的机器人制造商。

机器人技术日新月异，各种新型仿人机器人，仿生机器人不断的被研制出来，其中足式机器人不同于传统轮式和履带式机器人的运动特点，因其独特的运动特性依然是机器人研究领域的热点。各国科学家都在不断通过研究动物的行走特性来研制各种仿生足式爬行机器人，其中四足机器人因结构和控制相对简单而成为一个理想的研究对象，并且在军事、太空、灾害救助、工业应用以及家庭娱乐等领域具有良好的应用前景。本课题是要研制一种能够在足部搭载重物的情况下，在各种墙面上进行爬行的四足爬墙机器人，并对其运动学及爬态规划进行研究。研究内容包括：（1）基于四足爬行动物的运动机理，设计一种新型的四足仿生结构。该机器人腿部机构在爬行过程中

能够始终保证足部与墙面的垂直性，以防止出现工作时发生打滑的现象。（2）对该结构构型方式和自由度进行了分析，基于ADAMS运动学仿真软件进行运动学仿真分析，根据不同的位姿求解出机器人各个关节的运动角度，对四足爬墙机器人可以有效爬墙的可行性进行了验证。（3）以舵机作为关节作动器，基于Pro/Engineer进行零件设计与虚拟装配，设计了尺寸比例合适的机器人样机，并将虚拟样机模型导入ADAMS运动学仿真环境，添加材料、驱动、接触等相关参数进行运动学仿真验证。（4）对四足爬墙机器人进行爬态分析，并规划出有效的爬墙爬态，将控制算法写入AVR控制器再通过串口通信将运动控制信号实时传递给舵机驱动器对机器人进行运动控制。实现了四足爬墙机器人的离线爬行。本论文的创新点有：采用仿生学的原理设计了一种新型的爬墙机器人，该机器人的足部在爬墙过程中始终能够垂直于墙面，并设计了一种平面五杆并联机构作为机器人的基础结构，简化了机器人的运动控制。[2]

3. 课题的主要工作

作为一种四足爬墙机器人的设计，我的主要任务就是设计四足爬墙机器人的结构，是它能够爬墙。[7]

具体工作主要有：

（1）掌握一种三维制图软件Pro/E

（2）对四足机器人进行结构设计

（3）运用三维制图软件绘制四足爬墙机器人的装配图[8]

（4）绘制四足爬墙机器人的主要零件图

（5）完成毕业设计说明书

4. 完成课题所需的条件

通过对国内外机器人文献、期刊等资料的查阅分析其结构运动，开拓发散思维将优点融入自己的设计中，最终完成毕业设计且达到以下预期成果：[9]

（1）学会运用绘图软件设计机器人人零件

（2）学会设计机器人结构[3]

（3）学会运用三维制图软件绘制装配图

（4）学会运用CAD设计主要零部件

5. 课题的进度安排（或课题的实施计划）