基于SolidWorks四足步行机器人腿机构设计【毕业论文+CAD图纸通过答辩】
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1 黑龙江八一农垦大学 毕业设计 (论文 )开题报告 学生姓名： 马超 学 号： 20054024147 专 业： 机械设计制造及其自动化 设计 (论文 )题目： 基于 四足步行机器人腿机构设计 指导教师： 刘天祥 年 月 日 2 开题报告填写要求 1开题报告（含“文献综述”） 作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效； 2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于 15 篇（不包括辞典、手册）； 4 有关年月日等日期的填写，应当 按照国标 7408 94数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2002 年 4 月 26日”或“ 2002 3 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 一 概述 自从人类发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。仿照生物的各种功能而发明的各种机器人越来越多。作为移动机器平台，步行机器人与轮式机器人相比较最 大的优点就是步行机器人对行走路面的要求很低，它可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面，用于工程探险勘测或军事侦察等人类无法完成的或危险的工作；也可开发成娱乐机器人玩具或家用服务机器人。四足机器人在整个步行机器中占有很大大比重，因此对仿生四足步行机器人的研究具有很重要的意义。 二 四足机器人的优点 四足步行机器人是机器人的一个重要分支。由于四足步行机器人比二足步行机器人承载能力强、稳定性好 , 同时又比六足、八足步行机器人的结构简单 , 更加受到各国研究人员的重视。在组成四足步行机器人的机构中 , 腿机构是最重要的机构。腿机构选择得当 , 不仅可以使机器人的机构简单、设计方便 , 更重要的是可以大大简化控制方案 。 由于技术等原因，目前投入使用的采用足式机构的四足机器人较少，但是四足机器人具有很强的环境适应能力，可以在平坦硬质地、沙石地、雪地、松软地、草地等复杂地面行走，可以爬越一定角度的坡面，跨越一定宽度的障碍和沟壑，在不久的将来会在以下方面发挥重大作用 : 例如有些农业机械如果安装足式机械底盘，就能够适应旱地，水田，梯田等不同环境，有些矿山机械如安装行走机械底盘，其适应松软路面，大坡度路面的能力就会增强；宇航方面，为星球探测机器人安装上“足”，必将大幅度增强其在星球上的移动能力；战场上的应用，运输、侦察、排雷等；危险及特殊环境下的作业，反恐中的排雷、排爆，星球表面的探测，地震等引发的灾后搜救，核工业中放射性原料的运输、处理等，狭小空间下的作业，废墟、山洞的探测，管道检测、维修等；娱乐、服务、导盲等，在日常生活中足式行走假肢也有很大的应用前景。 4 四足机器人在各个领域均有广阔的应用，可以发挥更为特殊的作用，为此，四足步行机器人的研发更有重大的意义。 三 四足 机器人发展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力 度，进行机器人共性技术的研究。从 机器 人技术 发 展趋势看， 四足 机器人和其它工业机器人一样，不断向智能化和多样化方向发展。具体而言，表现在如下几个方面： 1) 机器人操作机结构：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，实现机器人操作机构的优化设计。 2） 探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载 /自重比。 3） 机构向着模块化、可重构方向发展。 4） 机器人的结构更加灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。 采用并联机构，利用机器人技术，实现高精 度测量及加工，这是机器人技术向数控技术 的 拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。 与国外相比，我国四足 行走机构 机器人研究相对落后，属于起步阶段，自 20世纪 80年代中期以来，先后有多所高校开展了这方面的研究并取得了一定的成果。国内具有代表性的 采用 四足 机构的 机器人主要包括 : 如图 1示为上海交通大学所研制的二种四足步行机器人，（ a）所示的四足步行机器人为采用平面四杆机构作为其步行机构，可以实现跨越障碍，沟槽，上下台阶及通过高低不平的地面有一定识别及步态调整能力；（ b）所示的四足步行机器人 是由上海交通大学研制的关节式哺乳动 物型步行机器人。机器人的长、宽、高分别为 81 厘米 、 75 厘米 、 30 厘米 ，重 克，腿为开式链关节型结构，膝关节为一纵摇自由度，髋 关节为纵摇和横摇两个自由度，各自由度由直流电机经谐波齿轮驱动，用电位器、测速电机作为位置和速度传感器，脚底为直径 12 厘米 的圆盘，是一个被动的纵摇自由度。该机器人为足式机器人的经典结构，但速度缓慢，步行速度 米 /时 。 5 (a) (b) 图 1海交通大学的二种四足步行机器人 清华大学机器人实验室 研制的 方位四足步行机器人，如图 1a)所示，它采用平面四杆缩放机构作为其步行机构，在足端被安装压力传感器，能够实现全方位步行；图 1b)所示为清华大学所研制的另一种四足步行机器人，它采用开环关节连杆机构作为其步行机构，通过模拟动物的运动机理，实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件，完成上下坡、越障等功能。 (a) (b) 图 1华大学的二种四足步行机器人 四 件的简介 要包括数字化建模、数字化装配、数字化评价、数字化制造以及数字化信息交换等方面。数字化建模是由编程者预先设置一些几何图形模块，然后设计者在造型建模时可以直接使用，通过改变一个几何图形的相关尺寸参数可以产生其它几何图形，任设计者发挥创造力。 统是按照系统工程的思想，以工业设计 计和为指导的智能型创新性的产品开发设计系统。首先是利用各种信息，在 统平台里利用真实感造型设计系统进行形态设计、色彩 6 设计、材质设计和人机设计等方面的语义设计，然后在数 字装配系统中实现数字化装配，在综合评价系统中进行美学、语义学等方面的分析评价，提出产品造型方案。最后将最终方案输出到加工设备，加工出产品，投放到市场，之后再收集有关信息，反馈到 台，实现再设计。这种方法利用网络和其它平台相连接，使设计人员从一开始就考虑到产品生命周期的所有环节，把设计、制作、使用等方面合理组织起来，及时解决不同环节之间的冲突，充分调动了所有人的积极性和创造性。 五 应用 行三维设计的优势 : 设计过程直观简便 维设计直接从三维模 型入手，省去了三维与二维之间的转化。设计者可以方便地通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列、钻孔等操作不断改变其结构，最终完成全部零部件的设计。建立模型时，每个特征尺寸自动赋值，这些数值可随时更改。由于 参数设计功能，实体模型将随特征尺寸数值的变化重新生成，因此修改非常方便。 六 参考文献 1张铁，谢存禧主编 一版，华南理工大学出版社， 2001， 9、 452吴广玉，姜复兴主编 一版，哈尔滨工业大学出版社， 1988 3崔正昀主编 一版，天津大学出版社， 2000， 221322124574贾名著主编 一版，天津大学出版社， 1998， 485廖念钊主编 三版， 2002， 116孟宪员源，姜琪主编 一版，机械工业出版社， 2004， 43、145274、 1516077谈欣柏主编 一版，天津大学出版社， 2000， 28成大先主编 一版，化学工业出版社， 2005， 7699579加腾一郎主编 一版，上海科学技术出版社， 1979， 50、 59、7897、 16010宗光华等编著 一版，北京航空航天大学出版社， 2004， 25138 7 11卜炎主编 机械零部件设计，第一版，江西科技出版社，2002 12费仁元，张慧慧主编 一版，北京工业大学出版社 ， 1998 13宗光华主编 一版，北京航空航天大学出版社， 2004 14蔡自兴主编 华大学出版社， 2000 15朱冬梅，胥北澜主编 五版，高等教育出版社， 2000，20521724216周祖德，唐永洪主编 . 机电一体化，第一版，华中科技大学出版社， 2002 8 9 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 1 步行机构对比分析 四足行走机构 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。其中，腿部结构形式是 行走机构 中重要组成部分，也是机械设计的关键之一。因此从某种意义上说，行走 机构的分析主要集中在步行机构的分析上。一般地， 四足行走机构的 设计要求看，步行不能过于复杂，杆件过多的步行机构形式会引起结构和传动的实现困难，对腿部机构的基本要求是：输出一定的轨迹，实现给定的运动要求；具有一定的承载能力；方便控制的要求。目前，国内外学者对步行机器人的步行机构已经作了大量的研究工作，其结 构形式多样，主要可以归纳为三类：开环连杆机构；闭环平面四杆缩放式机构；特殊的步行机构。 环关节连杆机构 在早期的步行机器人研究中，一般是模仿动物的腿部结构来设计步行机构。所有这种机构形式一般都是关节式连杆机构。其优点在于结构紧凑，步行机构能够达到的运动空间较大，且运动灵活，由于关节式步行机构是通过关节链接的，因而在步行过程中的失稳状态下具有较强的姿态恢复能力。不足之处是在腿的主动平面内大小腿的运动之间存在耦合，使得运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。 如图 1示为常见的开环关节连杆步行 机构的三维模型图形。该机构可分为大、小腿以及髋关节组成。由大小腿组成平面运动机构，髋关节驱动该平面机构从而实现空间运动。可建立如图 1示的坐标系，第一关节为髋关节，在 1O 点围绕 Z 轴旋转，髋关节的旋转半径设为 1L ；第二个驱动关节为大腿关节 ，在 腿杆长为 2L ；第三个驱动关节为小腿关节，在 B 点围绕与 大小腿运动平面垂直的轴转动，小腿杆长度为3L。同时规定逆时针为正向角。 10 图 1环连杆步行机构 图 1环连杆机构坐标系模型 如图 1示，当机构运动到某一位置时，设髋关节驱动转动角为 ，大腿关节驱动转角为 ，小腿杆驱动转角为 ，由上图可以建立足端 C 点的运动轨迹方程： )c o s (c o s 321 )s s 2 90 由上式以及图形可知，小腿杆可以在转过大臂上部空间运动（类似于人的小臂运动），所以在运动过程中，由于臂的末端 C 点可达区域比较大，当髋关节转动时，机构的运动空间将实现三维椭圆状。但是采用此机构用作步行机构，在机器人行驶时，足端的运动范围并不是覆盖了整个可达运动空间， 11 不可能在转过大腿杆时仍能够到达所有区域。综上所述的原因 ，小腿与地面法线的夹角要在一定的范围之内。如图 1示，就将存在小腿的最大转动角度 和小腿最大内向（顺时针）驱动角度 ，此时小腿的摆动约束可表示为： m n ，又有 角的求解公式为： 23 )90s s 令小腿杆在二极限位置 对应的 值为 1 、 2 ，所以可求得： )90c o s (c o s)90c o s (c o sm a i nm a a 由上式可知，对于不同的高度值，足端的运动空间在 面中产生类似椭圆曲线的轨迹，当髋关节转动时，将形成三维的运动空间，如图 1示。 图 1腿的摆动约束 图 1端运动空间 走机构腿的设计 从运动角度出发，足端相对与机身应走 直线轨迹，为了在不平地面行走， 12 腿的伸长应该是可变的。从整体的行走性能出发，一方面要求机体能走出直线运动轨迹或平面曲线轨迹（在严重崎岖不平地面），另一方面要求转向。步行行走机构腿部的主要任务：一是支撑着主要由躯体所组成的本体，二是使本体向步行方向移动，此外还必须具有脚部抬起，并向步行方向摆动的动作，若把本体看作固定不动，则足端轨迹如图 2a）所示。 图 2足端轨迹图 实际的足端轨迹图如图（ b）所示，在支撑相描述出比较缓慢的直线段，而在摆动相描绘出快速的凸起曲线段。 根据上述，提出四足行走 机构中腿机构的要求： 1. 腿的足端部相对于机体的运动轨迹形状应如 “ ” 。直线段对应的就是足支撑机体的运动轨迹（支撑相），曲线段对应的是脚掌离开地面的足端运动轨迹（悬空项）。 2. 为了不至于使行走机构在运动过程中，因机体上下颠簸而消耗不必要的能量，应保证要求中的直线段有一定的直线度。 3. 对于要求 1 中曲线段，没有形状要求，但对其最高点有要求，即其高度决定了机器人在起伏不平的地面上的通过能力。 4.
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