自动避障仿生机器蛇的设计及仿真.doc

附件1 校 级大学生创新训练计划项目申 报 书项目名称 自动避障仿生机器蛇的设计与仿真申 请 者 李飞所在学院 机汽学院专业年级 机设6班指导教师项目起止时间联系电话电子信箱合肥工业大学创新学院填 表 须 知一、合肥工业大学大学生创新训练计划项目申报书（注明国家级或校级）要按顺序逐项填写，内容要实事求是，表达要明确、严谨。空缺项要填“无”。要求一律用A4纸正反页打印，于左侧装订成册。 二、申请参加合肥工业大学大学生创新训练项目团队人数不得超过5人（1人为立项负责人，参与合作研究者1-4人）。三、合肥工业大学大学生创新训练计划项目申请表由申报学生所在学院初审，签署意见后，一式二份报送创新学院。四、如填表有不明事宜，请与创新学院联系和咨询。（联系电话：2901107）申请者情况姓名李飞性别男出生年月1993615所在院（系）机汽专业年级机设6班学号2012210451项目组成员情况姓名性别出生年月专业年级分工指导教师情况姓名职称学历/学位讲授课程研究方向所在院（系）E-mail地址电话课题来源：科研 教学 设计 工程 自选 其他（ ）一、申请理由（知识条件，特长、兴趣，相关经历等）蛇形机器人的设计大致可分为结构设计和控制系统设计，结构设计分为二维结构设计和三维结构设计，三维结构设计更能体现生物蛇的运动特点，三维设计并不困难，用Inventor即可实现。如下图：该图为蛇形机器人某一关节壳体的三维设计图。同时Inventor也可实现机器人的模拟装配，现附蛇形机器人的总装配图一张故用Inventor即可实现蛇形机器人的关节设计到虚拟装配的一系列问题。控制系统设计，通过机构设计和运动分析，我们可以得到机器蛇控制系统要进行以下工作：建立运动模式库，用来存储各种运动模式的数据，接受控制命令后，选择制定的运动模式对应的数据，更新运动参数，而后需要将运动数据依次传送给各关节，通过末端控制器将关节数据转化为关节执行器舵机的运动。即控制系统的任务如下：1)与上位机（遥控器或者PC）通讯，接受运动指令；2)将运动数据传送给末端控制器；3)末端运动控制器控制末端执行器执行指令。自动避障系统传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。综合以上分析小组掌握了设计并完成蛇形机器人的知识条件。本小组组员均熟练掌握Inventor的相关操作，并有一定的机械制图基础，空间想象能力强，善于抽象思维，对机械制图，三维设计十分感兴趣，在工图考试中均取得良好成绩。二、项目研究内容（目前研究的现状、研究方法、实验方案、解决的关键技术和创新点等）研究现状：仿生机器蛇是一种新型的仿生机器人，与传统的轮式或两足步行式机器人不同之处在于，它实现了像蛇一样的。“无肢运动”是机器人运动方式的一个突破因而被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人”。发达国家十分重视仿生机器蛇的研制和开发。从1972年日本东京工业大学的I-lirose教授研制出第一台至今，相继有数十台仿生机器蛇样机问世。目前，国外比较系统而深入地研究仿生机器蛇的机构主要有：日本东京工业大学的Hirosc机器人实验室(H.FRobotLab)、美国密歇根大学(UniversityofMichiganUM)的移动机器人实验室(MobfieRoboticsLaboratory)、美国卡内基-梅隆大学(CarnegieMellonUniversityCMU)的生物机器人技术实验室(BioroboticsLab)等，其各期的样机基本包括了现有仿生机器蛇的所有重要特性。ACM仿生机器蛇由一系列轴线互相平行的模块连接构成，我们把这种连接方式称为“平行连接”。每个模块有独立的驱动器，为了避免运动时侧向滑动同时减少切向摩擦力，每个模块底部装有滚动轮。它利用躯干上的每个单节的相互转动，使得整体按一定的曲线形式发生弯曲变化，产生向前的驱动力，使得整体在地面上滑行，其轨迹为一条蛇行蜿蜒曲线。ACM-R3仿生机器蛇采用“正交连接”。在每一节上都装有巨大的轮子，从整体来看，这些轮子具有一些新的效果。它们把仿生机器蛇内部包裹起来，并且具有像生物蛇的皮肤一样的摩擦效果，如果这些轮子碰到障碍物，它们会自行滚动或滑动，无需电机驱动。控制方面。ACM-R3的每一节都携带各自独立的控制系统电路用于自制。这些独立的电路各自直接同仿生机器蛇上的主机联络，这样操作者通过无线遥控给主机发出命令，主机只要计算出每个关节应该转过的角度，然后传给它们，由它们完成后面的工作。ACMR4和ACM-R5，ACM-R4是ACM-R3的升级版，只是改变了外壳的质地和增加了防水功能。ACM.R5仍然沿用了ACM.R3的关节连接方式，只是在机构上进行了改进，关节处外包了波纹管，使得关节活动更为灵活，并在每一节的周围都安装有六片带小轮子的鳍片，可以更大程度地减少与周围环境的摩擦，ACM-R5在地面和水中都可以快速灵活地游动。UM公司的OmniTread系列产品，OmniTread被设计用于非常复杂的地形，如震后的建筑物，因此它的行走能力非常强。OmniTread的节与节之通过驱动轴连接，连接处的风管通过充气或放气来促使某一节做出不同动作，通过协调每节的动作，OmniTread就能在障碍物上自由攀爬。操作者可通过控制操纵杆向其发出各种指令，如，横滚、蠕动等。OmniTread的独特之处还在于，其表面覆盖着占总面积80的履带，这能防止在粗糙地面上停顿，从而在复杂地形中持续前进。OmniTread能翻越两倍于自身高度的障碍物，跨过宽度相当于自身长度一半的空档，还能爬楼梯、钻管道及在竖直管道内向上攀爬。OmniTread通过将竖直的身体横向变形成支架架在管壁之间，电机驱动各节外壁附着的履带产生垂直方向的运动趋势，实现在竖直的管道内爬行。仿生机器蛇设计和仿真研究。UM公司的OmniTread系列产品UM的OmniTread（图1-4）完成于2004-2005年，OmniTread被设计用于非常复杂的地形，如震后的建筑物，因此它的行走能力非常强。OmniTread的节与节之通过驱动轴连接，连接处的风管通过充气或放气来促使某一节做出不同动作，通过协调每节的动作，OmniTread就能在障碍物上自由攀爬。操作者可通过控制操纵杆向其发出各种指令，如，横滚、蠕动等。OmniTread的独特之处还在于，其表面覆盖着占总面积80的履带，这能防止在粗糙地面上停顿，从而在复杂地形中持续前进。OmniTread能翻越两倍于自身高度的障碍物，跨过宽度相当于自身长度一半的空档，还能爬楼梯、钻管道及在竖直管道内向上攀爬。OmniTread通过将竖直的身体横向变形成支架架在管壁之间，电机驱动各节外壁附着的履带产生垂直方向的运动趋势，实现在竖直的管道内爬行。CMU的生物机器人技术实验室(BioroboticsLab)近几年研究的仿生机器蛇样机都是基于正交连接的。除了具备其它正交连接方式的仿生机器蛇所能实现的各种步态外，该实验室针对仿生机器蛇的攀爬做了很多工作。其仿生机器蛇已能实现竖直方向的攀爬，方法是通过将竖直的身体横向变形成支架状，然后采用翻滚步态产生螺旋运动或者采用蠕动步态在竖直的管道或彼此平行且有一定距离的两块墙板之间上下攀爬，M3还可以呈螺旋状缠绕在竖直或水平管道外部，并以翻滚的运动方式向上攀爬。国内研究现状，仿生机器蛇的研究在我国起步较晚，但进展很快。上海交通大学崔显世、颜国正等K12l于1999年3月开发研制了我国第一台微小型仿蛇机器人。2001年11月，国防科大研制了他们的仿生机器蛇样机。曾在国内各媒体有较多报道。该机器人蛇体由十七节组成，长1-2米，直径0.06米，重1.8公斤，可蜿蜒前进、后退、拐弯和加速，其最大运动速度可达每分钟20米。身体下部装有从动轮，执行单元采用平行连接方式，只能完成平面内的蜿蜒运动。中科院沈阳自动化所机器人开放实验室是国内目前研究仿生机器蛇最系统和最深入的单位，他们于2001年开始研究的仿生机器蛇“勘查者一I”是国家863计划项目，于2004年初通过专家组的考核验收。该仿生机器蛇长150cm，腰间直径8cm，重3kg，共16个关节，行走速度可达0.4ms，头部装有微型摄像机，采用分布式神经网络控制方法，在嵌入式微机控制器的核心指挥下，具有三维空间运动能力，可以自动识别地面环境特征，相应采取蜿蜒、侧滑、伸缩、翻滚等步态，在硬地面、沙地或软土中爬行，还能够跨越5锄的障碍物K14lK28丑，该项目发表相关论文16篇。研究方法及实验方案：(1)设计一种结构简单、便于控制，能够更为轻松和灵活地在平面上灵活运动的7关节机器蛇机械结构框架。(2)对机器蛇在平面上的蠕动进行运动学分析，包括对爬动作进行步态规划。(3)使用ADAMS动力学仿真软件进行机器蛇的步态仿真。解决的关键技术：将自动避障系统与蛇形机器人控制系统相结合。创新点：将自动避障系统引入到蛇形机器人的研究设计当中。三、项目进度安排（查阅资料、选题、自主设计项目研究方案、开题报告、实验研究、数据统计、处理与分析、研制开发、填写结题表、撰写研究论文和总结报告、参加结题答辩和成果推广等）1. 2014年7月初8月初，完成机器人所有的机械设计，该内容包括：机器人车体的制作材料、长宽高的参数设计、传动装置参数的选择、各个模块的总体布置等。这个阶段的工作主要通过ADAMS 、Recurdyn等多体动力学软件的动力学仿真分析优化，并结合详细的市场调研，选材尽量做到通用化、标准化，有利于生产。2. 2014年8月初10月初，进一步改进机器人的机械设计，并完成蛇形机器人行走机构部件的订购和加工组装。3. 2014年10月初2014年12月初，完成蛇形机器人控制模块的设计。这一阶段要在大量调研的基础上完成整个控制系统中各个模块参数的设定、匹配以及后期的选购。这一阶段的工作涉及到了学科交叉，是项目的难点。4. 2014年12月初2015年3月初，蛇形机器人无线电控制的实现。这阶段主要通过研读各个模块的产品说明书，设计各个模块的接口电路及控制程序的编写。5. 2015年3月初2015年5月初，蛇形机器人的后期调试及成果展示。 四、拟利用资源（实验室、研究所、创新基地、实践基地、仪器设备、资料等）1.一间有电源的空闲教室，用来开会、组装加工机器人。2.希望能够申请图书馆阅览室的图书外借（现在阅览室的图书不能外借）。3.程序调试、模拟仿真需用到配置较好的电脑，希望学校能提供机房。五、经费使用计划序号支出项目金额（元）依据或理由1整个行走机构的制作与加工（含必要工具箱）800RMB