六足行走機器人設計

六足行走機器人設計,六足行走機器人設計,行走,機器人,設計 大 連 大 學 本科畢業(yè)論文 (設計 )開題報告 論 文 題 目： 六足行走 機器人設計 學 院： 機 械 工 程 學 院 專 業(yè) 、班 級： 機械設計 及其自動化日 131 班 學 生 姓 名： 邵 倩 指導教師（職稱）： 關 浩 （教授） 2016 年 12 月 25 日填 畢業(yè)論文（設計）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（設計）題目及研究領域； 2.論文（設計）工作的理論意義和應用價值； 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢。 二、論文（設計）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（論文寫作大綱或設計思路）； 3.本論文（設計）預期取得的成果。 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）； 2.論文（設計）進度計劃。 四、文獻查閱及文獻綜述 學生應根據(jù)所在學院及指導教師的要求閱讀 一定量的文獻資料，并在此基礎上通 過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應在調(diào)研、實驗或?qū)嵙暤幕A上遞交相 關的報告。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。 五、其他要求 1.開題報告應在畢業(yè)論文（設計）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（設計）題目 六足行走 機器人設計 2. 研究領域 機械 電子工程 -機器人設計 3.論文（設計）工作的理論意義和應用價值 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)，結構和 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能力，履帶式移動方式應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 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)定運動從機械結構設計到控制系統(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管的開關型放大器，用直流電動機作 驅(qū)動元件?？刂葡到y(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 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。 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 印度技術研究院 的 科學家 門 8 年心血的結晶。 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構設計 行走結構設計 2 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） （ 1）根據(jù)實際應用情況，做詳細的調(diào)研，并在此基礎上確定合理的方案實現(xiàn)六足行 走機器人設計。 （ 2）繪制六足 行走機器人 行走機構的機構圖。 （ 3）制定系統(tǒng)總體設計方案，繪制系統(tǒng)的設計圖。 （ 4）對系統(tǒng)進行必要的參數(shù)計算。 （ 5）完成對系統(tǒng)的控制設計工作。 （ 6）編寫設計說明書 3.本論文（設計）預期取得的成果 六足 行走 機器人行走機構的設計方案、設計圖， 總體設計結構圖紙和部分部件圖紙， 六足 行走 機器人行走機構的設計說明書。 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）； 本課題是機械設計的技術項目，因為技術比較成熟，有關的硬件條件已基本具備， 所以方案是可行的。 參考國內(nèi) 外有關資料，根據(jù)擬訂的方案完成六足行走機器人行走機構的機構設計， 進行調(diào)試。 機構采用步進電機帶動齒輪機構驅(qū)動，只需提供電能，就能完成六足 行走 任務。 2.論文（設計）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 方案設計 6-8 周 機器人結構設計 9-10 周 控制系統(tǒng)設計 11-12 周 控制系統(tǒng)調(diào)試 13-14 周 完善設計方案，進行技術總結 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. 成組技術與生產(chǎn)現(xiàn)代化 . 2016(02) 3程乾 . 六足機器人行走機構設計與運動仿真研究 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計 J. 電子技術與軟件工程 . 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鍵技術研究 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)研究與設計 D. 哈爾濱理工大學 2012 12潘陽 . P-P 結構六足機器人性能設計與控 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)境的適應性及工作的靈活性 ,設計 一種六足 步行機器人三自由度腿部機構。該機構由并聯(lián)驅(qū)動機構和行走機構組成 ,既具有并聯(lián) 機構的特點 ,又具有很好的防護性。建 立驅(qū)動機構動平臺線速度與角速度之間的關系 矩陣和該腿部機構全雅可比矩陣 ,繪制了全雅可比矩陣條件數(shù)分布圖 ,建立了并聯(lián)驅(qū) 動機構和腿部行走機構顯式 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 ,分別繪制了機構驅(qū)動關節(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)劃成為其行走的關鍵技術，步態(tài)規(guī)劃直接 關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設計：在對六足生物的典 型生理結構特征參數(shù)量化分析基礎上，進行了六足機器人行走機構設計，以機器人運 動靈活性為優(yōu)化目標對行走機構特征參數(shù)進行了優(yōu)化分析，確定了六足機器人行走機 構的較優(yōu)幾何參數(shù)。最后，以較優(yōu)行走機構為基礎進行了行走機構關鍵零部 件的強度 分析。 (2)行走機構運動學和動力學分析：基于 D-H 參數(shù)方法構建了六足機器人行走 機構的運動學模型，以運動學模型為基礎推導了其擺動相和支撐相的運動學方程；基 于拉格朗日方法構建了行走機構動力學模型，以動力學模型為基礎推導了其擺動相和 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足端軌跡規(guī)劃策略，結合行走機構運動學模型，制訂了腿 部各關節(jié)角度規(guī)劃策略，在此基礎上分析了六足機器人在 復雜地形環(huán)境中行走機構的 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直行和轉彎與上下階梯兩種典型基礎運動模式進行了仿真分 析，通過實物樣機的直行和轉彎與上下階梯兩種運動模式的物理試驗，驗證本文建立 的結構優(yōu)化設計方法、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上 ,對機器人整體及機械 腿構型進行了分析 ,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。 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 ,通過仿真結果驗證運動學模型并優(yōu)化機器人的結構參 數(shù)。重點介紹六足步行機器人樣機的制作過程 ,包括機械設計、總體控制策略設計、 電路設計及軟件設計四部分 。 基于文獻 7用仿哺乳類的腿部結構 ,并針對這種腿部結構設計六足的行走方式 , 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 ,這種結構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構與控制系統(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，結構獨特、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上 ,采用 平面四連桿機構、蝸輪蝸桿減速機構、皮帶傳動機構、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構和控制 ,分析機器人的移動的 原理。該機器人基于仿生學的原理 ,它的結構簡單 ,設計獨特 ,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上 ,采用平面四連桿機構、蝸輪蝸桿減速 機構、皮帶傳動機構、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 關節(jié)協(xié)調(diào) 問題，利用 CPG 之間的耦合關系實現(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）結構的新型六足機器人， 它的特點在于每條腿均采用了三支鏈并聯(lián)機構的設計，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 結構的六足機器人。本文針對該六足機器人從機構設計、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：