开题报告-四足行走小车的设计.docx

毕业设计（论文）开题报告课 题 名 称 ： 四足行走小车的设计 学 院 ：机械工程学院 专 业 ：机械工程及其自动化 姓 名 ： _ 学 号 ： 指 导 教 师 ： 二0一六 年 三月 零八 日 四足行走小车的设计一、课题背景1.1 课题来源 我的课题四足行走小车的设计的来源即导师所给，参考当前足式机器人的火热研究，所确定的适合本科毕业生的课题。 1.2实际应用价值 根据调查,在地球上近一半的地面不适合于传统的轮式或履带式车辆行走,但是一般多足动物却能在这些地方行动自如。因此,足式小车与轮式及履带式小车相比具有独特的优势。足式小车对崎岖路面具有很好的适应能力,足式小车的立足点是离散的点,可以调整姿态在可能到达的地面上选择最优的支撑点。足式小车还具有主动隔振能力,允许机身运动轨迹和足式运动轨迹解耦。尽管地面高低不平,足式小车仍然可以相当平稳地行走。因此足式小车受到各国研究人员的普遍重视,已经成为机器人研究中一个引人注目的研究领域。 四足行走小车被认为是最佳的足式小车的形式，四足交替行走小车比两足行走承小车载能力强、稳定性好,同时又比六足、八足行走小车结构简单、易于控制。二、国内外研究现状 目前国内四足步行机器有一种是通过多杆机构的创意组合来达到模仿马匹的行走动作的机构基于仿生机构原理设计,具有不同于一般轮式交通工具的特点,能够跨越障碍;对于该机器的研究为复杂步行机器人的设计奠定了基础，从仿生设计的角度出发,对真马的腿部骨骼、步态、足部轨迹、重心补偿特性进行了分析总结；采用几何解法,把空间几何问题分解成若干个平面几何问题,给出各个关节角给定量的计算方法。然后对运动学正、逆问题以及工作空间进行了计算机仿真以及实验研究,实验结果表明了该方法的正确性。 研究者们对四足机器人行走过程的仿真分析,建立了四足机器人的三维软件模型,导入仿真软件ADAMS中,通过加入约束和动力分析,以一定形式的步态分析实现了机器人在平面上的行走。并以机器狗模型为例子分析了稳定性以及在行走过程中各部分动作产生的影响,为研究智能化玩具程序开发和四足机器人提供借鉴。2 还有一种基于AIBO四足机器人提出了一整套运动控制方法。方法包括正向运动学计算,反向运动学计算,运动轨迹的平滑插值方法以及全向行走的实时轨迹规划。为实现四足机器人平滑的行走轨迹,本文同时给出了一种改进型三维拉格朗日插值方法,可有效平滑腿部末端运动轨迹,减少机械损伤。3 目前国外最具代表性的足式步行机器人有某电信通信大学研发的Tekken ，美国俄亥俄州立大学研发的四足机器人 KOLT ，以及美国 Carnegie Mellon 大学与 Boston Dynamics 公司等联合研制的Little Dog 和 Big Dog 23 等. Big Dog不依靠轮子而是依靠四条“铁腿”行走5，这个四足机器人在遭到横加猛踹之后，打个趔趄，能继续前行。机器骡子能在山地执行任务。这种大狗机器人能够在战场上发挥非常重要的作用：在交通不便的地区为士兵运送弹药、食物和其他物品。它不但能够行走和奔跑，而且还可跨越一定高度的障碍物。该机器人的动力来自一部带有液压系统的汽油发动机。三、课题研究的内容及解决的关键问题 通过本毕业设计，可以生巩固和深化我所学的基本理论、基础知识以及基本，培养学生综合运用所学理论基础、技术基础课程和专业知识分析和解决工程技术问题的能力；综合训练我的调查研究、查阅文献和收集资料的能力；提高我的总结提炼和撰写科技论文的能力等。 本课题的研究内容包括以下几个方面：（1）设计四连杆机构，实现机构的平稳行走；（2）用Solidworks进行运动系统的仿真，验证机构是否干涉、机构运动的可行性； （3）选择电机，整个小车的结构设计、传动系统设计；（4）购买所需材料，进行小车的加工制作，装配调试。4、 技术路线具体过程如下：（1） 利用图解法直观、简单、快捷的优点完成四连杆机构的初步设计；（2） 对小车电机进行选择，以及传动系统设计，完成小车整体结构设计； （3）利用三维软件完成产品的设计开发，设计中主要使用SolidWorks软件对零部件进行虚拟设计，提高产品的设计效率，并生成相关零件的实体模型； （4）利用虚拟样机技术对产品进行运动仿真 设计中将应用SolidWorks软件对小车足部机构进行运动模拟和分析，导出其运动轨迹曲线，验证是否达到预期的设计要求，并优化；（5）利用制图软件绘制产品工程图 设计中将应用SolidWorks工程图等制图软件绘制产品各部件的零件图及装配图；五、关键技术介绍本课题主要基于图解法进行四足交替行走小车的设计，并利用软件的虚拟仿真技术进行运动分析。5.1 作图法设计四杆机构 对于四杆机构来说，当其铰链中心位置确定后，各杆的长度也就确定了。用作图法进行设计，就是利用各铰链之间相对运动的几何关系，通过作图确定各铰链的位置，从而定出各杆的长度。图解法的优点是直观、简单、快捷，对三个设计位置以下的设计是十分方便的，其设计精度也能满足工作要求，并能为解析法精确求解和优化设计提供初始值。5.2 SolidWorks造型技术 在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。（1）在SolidWorks中，当生成新零件时，可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。（2）SolidWorks可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。（3）用交替位置显示视图能够方便地显示零部件的不同的位置，以便了解运动的顺序。交替位置显示视图是专门为具有运动关系的装配体而设计的独特的工程图功能。六、进度安排序号各阶段名称起止日期备注1文献翻译 2015.12.18-2016.1.8完成英文翻译，1月1号翻译好，并交给指导老师2文献查阅，熟悉连杆机构设计原理、星座机构的类型、设计原理和方法，撰写开题报告 2016.1.9-2016.2.20完成开题报告撰写，2月20日开题报告发给指导老师；准备3月11日之前开题3四连杆行走机构的设计和运动仿真，四足行走小车整体结构设计 2016.2.21-2016.3.203月20日之前提交小车整体三维造型4四足行走小车模型的加工制作 2016.3.21-2016.5.14月22日之前完成中期检查5撰写毕业论文，答辩 2016.5.2-2016.5.105月11日将毕业论文交给指导老师七、参考文献1雷雄韬. 四足步行机器的研制D. 华中科技大学: 雷雄韬, 20062汪秉权, 章正伟. 基于虚拟仿真的四足机器人行走研究J. 轻工机械, 2009, 27(3): 5-73许涛. 一种四足机器人全向行走运动控制方法J. 电子制作, 2014,(9):20-214蓝益鹏, 王雷. 马型四足行走智能机器人的研究J. 组合机床与自动化加工技术, 2009,(11):9-165 林寒.美军机器狗:现实版“木牛流马”N. 世界报. 2008-12-10 (013)6孙恒，陈作模，葛恩杰.机械原理（第八版）.北京：高等教育出版社，20137濮良贵.机械设计（第九版）.北京：高等教育出版社，20138黄真，赵永生，赵铁石.高等空间机构学.北京：高等教育出版社，20069周建军，胡涛，陈耀.单自由度腿部机构的四足机器人稳定性的研究.浙江：杭州电子科技大学机械电子工程研究所，201410江洪，郦祥林，金志扬.Solidworks2011基础教程（第四版）.北京：机械工业出版社。201211张忠将.Solidworks2011机械设计完全实例教程.北京：机械工业出版社，201212卢松明,郭策,戴振东. 足式机器人脚的仿生结构设计J. 机械制造与自动化, 2012(6):160-16413D. J. Hyun, S. Seok, J. Lee, S. Kim, High speed trot-running: Implementation of a hierarchical controller using proprioceptive impedance control on the MIT Cheetah, The International Journal of Robotics Research, Vol. 33, No. 11,ap.1417-1445, 2014.14P. Birkmeyer, K. Peterson, R. S. Fearing, DASH: A Dynamic 16g Hexapedal Robot, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Louis, USA,ap.2683-2689, 2009.15A. M. Hoover, S. Burden, X. Y. Fu, S. S. Sastry, R. S. fearing, Bio-inspired design and dynamic maneuverability of a minimally actuated six-legged robot, Biomedical Robotics and Biomechatronics, Tokyo, Japan, 869-876, 2010.16R. Sahai, K. C. Galloway, M. Karpelson, R. J. Wood, A Flapping-Wing Micro Air Vehicle with Interchangeable Parts for System Integration Studies, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Algarve, Portugal, pp. 501-506 ,2012.17S. T. Hsieh, G. V. Lauder, Running on water: Three-dimensional force generation by basilisk lizards, PNAS, Vol. 101, No. 48, pp. 16784-16788, 2004.18J. W. Glasheen, T. A. McMahon, Size-dependence of Water-running Ability in Basilisk Lizards, The Journal of Experimental Biology, Vol. 199, pp. 2611-2618, 1996.19J. W. Glasheen, T. A. McMahon, A hydrodynamic model of locomotion in the Basilisk Lizard, Nature, Vol. 380, pp. 340-342, 1996.20S. T. Hsieh, Three-dimensional hindlimb kinematics of water running in the plumed basilisk lizard, The Journal of Experimental Biology, Vol. 206, pp. 4363-4377, 2003.21H. S. Park, S. Floyd, M. Sitti, Roll and Pitch Motion Analysis of a Biologically Inspired Quadruped Water Runner Robot, The International Journal of Robotics Research, Vol. 29, No. 10, pp. 1281-1297, 2010.22S. Floyd, S. Adilak, S. Ramirez, R. Rogman, M. Sitti, Performance of Different Foot Design for a Water R