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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(xué) 院：專 業(yè) 、班 級：學(xué) 生 姓 名：指導(dǎo)教師（職稱）：
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(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)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?xí)的基礎(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(xué)院教學(xué)指導(dǎo)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(xué)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(dǎo)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)一格式打印）。
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(xué)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(dāng)?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(yán)重崎嶇不平的地形上，車輪的作用也將嚴(yán)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(yán)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(dāng)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(fù)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(dāng)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?？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(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(zhǔn)、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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)、北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、長春光學(xué)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(xué)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(zhǔn)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(xué)分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)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(xué) 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(xué) 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(xué) 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(xué)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(xué)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(xué) 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(xué) 2014 [13]Maurizio Ruggiu,Xianwen Kong. Mobility and kinematic analysis of a parallel mechanism with both PPR and planar operation modes[J]. Mechanism and Machine Theory . 2012
[14] Dan Zhang,Zhen Gao. Forward kinematics, performance analysis, and multi-objective optimization of a bio-inspired parallel manipulator[J]. Robotics and Computer Integrated Manufacturing . 2012 (4)
[15] Zhiying Wang,Xilun Ding,Alberto Rovetta,Alessandro Giusti. Mobility analysis of the
typical gait of a radial symmetrical six-legged robot[J]. 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 3×3×3 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(dǎo)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(dāng)?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(biāo)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(xué)和動力學(xué)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(xué)模型，以運動學(xué)模型為基礎(chǔ)推導(dǎo)了其擺動相和支撐相的運動學(xué)方程；基于拉格朗日方法構(gòu)建了行走機構(gòu)動力學(xué)模型，以動力學(xué)模型為基礎(chǔ)推導(dǎo)了其擺動相和支撐相的動力學(xué)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(xué)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(fù)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(fù)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(xué)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(fù)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(fù)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(xué)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(dǎo)了機器人直行時的運動學(xué)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(xué)仿真軟件中建立機器人模型,通過仿真結(jié)果驗證運動學(xué)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[8][9][10]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(xué)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(xué)的原理,它的結(jié)構(gòu)簡單,設(shè)計獨特,能前進和后退?；诜律鷮W(xué)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[11]l 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(dāng)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。
指導(dǎo)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）
審
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