步行机器人机械结构设计与运动仿真开题报告.doc

上 海 电 力 学 院能源与环境工程学院毕业设计开题报告课题名称： 步行机器人机械结构设计与运动仿真 学生姓名： 钱进 学号： 20082986 专 业：机械设计制造及其自动化 班级： 2008172 联系电话：Email： 243242096 毕业设计地点： 上海电力学院 毕业设计单位： 上海电力学院 校内指导教师： 吴炳晖 校外指导教师： 2012年 3 月 31 日 一、 选题依据1、背景、意义与目的现如今，机器人的应用越来越广泛，几乎渗透所有领域。进入九十年代以来，人们广泛开展了对服务机器人的研制和开发。各国尤其是西方发达国家正致力于研究、开发和广泛应用服务机器人。目前，在美国、日本等发达国家，机器人已应用于商场导购、物品移送、家居服务、展厅保安和大面积清扫等多个服务领域。随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，将势必会在各个领域广泛、大量地应用服务机器人。 本课题提出研究一种仿生二足机器人，该机器人既可以在地面行走，也可以实现在杆上攀爬的功能。该机构的研制可以为置物架攀爬机器人提供新的思路，方便人们取用物品的灵活性的同时，也提升了生活品质。研究两足步行机器人的原因和目的，概括起来有如下四个：（1）希望研制出两足步行结构，使它们能在许多结构性和非结构性环境中行走，以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领域；（2）希望更多了解和掌握人类的步行特性，并利用这些特性为人类服务；（3）两足步行系统具有丰富的动力学特性，在这一方面的研究可以拓宽力学及机器人学的研究方向；（4）两足机器人在智能机器人中起着重要的作用。2、国内外现状分析1985年，美国的Hodgins和Raibert等人研制了一个用来进行奔跑运动和表演体操动作的平面型两足步行机器人，这个机器人有3个自由度。1986年，他们用这个机器人进行奔跑实验，着重研究奔跑过程中出现的弹射飞行状态。在实验中，这个机器人的最大速度高达4.3米/秒。1988年和1990年，他们又用这个机器人进行翻筋斗动作实验。Hodgins和Raibert研究这两种运动是因为它们含有丰富的动力学内容，尤其是两者都具有弹射飞行状态。 在美国研究两足步行机器人的科学家中，郑元芳博士是一个非常杰出的人物。他在80年代初由中国去了美国，于1984年在俄亥俄州立大学获博士学位，然后一直在克莱姆森大学工作，最近又回到俄亥俄州立大学任职。在克莱姆森大学期间，他主持研制了两台步行机器人，分别命名为SD1和SD2。SDl具有4个自由度，SD2则有8个自由度。其中，SD2是美国第一台真正拟人的两足步行机器人。 1986年，SD2机器人成功地实现了平地上前进、后退以及左、右侧行。1987年，这个机器人又成功地实现了动态步行。郑元芳博士也因他在机器人领域的突出贡献而获得美国1987年度“总统青年研究员”奖 。 1984年，郑元芳博士对两足步行机器人与环境接触时的碰撞效应进行了研究。 1987年，他提出了一种用于两足步行机器人运动控制的监控系统。1989年，他研究了两足步行机器人的扰动抑制问题。1990年他首次提出了使两足步行机器人能走斜坡的控制方案，利用SD2机器人进行了成功的实验。此外，郑元芳博士还从神经生理学的角度对人类肌肉的多级传感与多级驱动原理进行了研究，提出了采用这种原理设计两足步行机器人的方法。我国从80年代中期才开始研究两足步行机器人，当时主要的研究单位是哈尔滨工业大学和国防科技大学。哈尔滨工业大学研制成功的第一台两足步行机器人重7Okg，高l10cm，有10个自由度，采用直流电机经谐波减速驱动，控制系统由一台IBMPCXT计算机和l0个MCS 51单片机系统组成。1989年l0月，这个机器人实现了平地上的前进，左、右侧行以及上、下楼梯的运动，步幅可达45cm，步速为l0秒步，为静态步行。 最近哈尔滨工业大学又研制了一台l2自由度的两足步行机器人，并正在进行动态步行的实验。 我们南京航空学院从1989年秋天起也开展了一个两足步行机器人的研究计划，现在已研制出一台8自由度空间运动型的两足步行机器人，命名为NAIWR1。目前，这一计划正在实施中。总观起来，两足步行机器人研究的现状是：国外，主要是日本和美国，对两足步行机器人的研究已经达到了相当高的水平，研制出了能静态或动态行走的多种样机。国内由于起步较晚，刚完成静态稳定步行的研究，目前，正处于准动态和动态稳定步行的研究阶段8。虽然国内的研究水平还不像国外那样高，但在短短的五六年时间能达到今天的水平，已经是相当惊人的了！ 二、 研究的主要内容和方法1.研究目标和研究内容本课题主要根据被动式两足机器人的基本原理，合理设计其双足的结构形式，实现既可以在地面行走，同时亦可实现在杆上爬行的功能。（1） 理论计算从两足机器人的工作环境，工作原理，确定其运动方式，并进行强度校核。（2） 结构设计设计机器人的攀爬方式，了解其工作原理（3） 运动仿真与优化设计用Pro/E绘图软件参数化设计机器人，可以通过改变参数得到相应的机器人，进行运动仿真并且进行结构优化。2.拟采取的研究方法、技术路线和/或实验方案研究方法：以理论计算的分析方法为主对俩足机器人进行设计研究，制定其足部结构，用PROE进行建模，对两足机器人的工作原理和行走步态进行研究；然后针对其环境工作进行足部结构的设计；最后通过建模与运动仿真软件对机构进行运动方针与分析，分析相应的参数，对机构进行优化设计。技术路线：1、收集国内外两足机器人的相应资料，分析并消化，总结出自己的看法；2、绘制两足机器人的机构原理图；3、设计同时可完成攀爬与行走的足部结构；4、用三维建模软件对其进行建模与运动仿真分析，并通过结构参数改变得到最优设计。三、参考文献1. 张毅, 吴育理, 罗元. 智能轮椅上的机械手运动学分析及轨迹规划J. 计算机应用研究, 2010, 27(12): 4578-4581.2. 邓宗全, 刘庭荣, 杨桂茂. 同步回转手J. 机器人. 1989, 3 (4):45493. 李军，邢俊文，覃文杰等. ADAMS实例教程M. 北京：北京理工大学出版社,20024. 李红卫, 赵世平, 陆小龙. 攀爬电力铁塔机器人的爬行方案设计J. 制造业自动化, 2010, 32(11):100-103,121.5. 王洪波, 徐桂玲, 张典范等. 助老助残四足/两足可重构并联腿步行机器人运动学建模与仿真J. 燕山大学学报, 2010, 34(6): 508-515.6. 曹曦, 赵群飞, 马培荪. 一种求两足机器人运动学逆解的解析方法J. 机械与电子, 2006(12):60-62.7. 邓孔书, 姚燕安, 查建中. 一种空间四杆两足步行机构的研究J. 工程设计学报, 2005, 12(6):363-365.8. 王曦鸣, 姚燕安. 一种单动力三杆两足移动机构J. 机器人, 2009, 31(3): 262-269.9. 宋岩, 陈小安, 梁德沛. 新型尺蠖式爬行机器人的设计及样机研制J. 机械设计与制造, 2008(1):179-181.10. Hitoshi SAITO, Jun ISHIKAWA, Noritiro KAMAMICHI, Tetsuo SHIOTSUKI. Self-tuning Control for Rotational Speed of Slider-Crank MechanismC. ICROS-SICE International Joint Conference 2009, 2009, 29-33.四、进度安排周次设计（论文）各阶段内容日期第46周文献检索、阅读、整理，完成开题报告；12.3.12-12.4.1第78周收集资料、总体方案构思、方案完善、方案论证；12.4.2-12.4.15