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分类号:学校代码: 10128UDC:学 号:20091022 硕士开题报告题 目：轮腿机器人机构设计及运动仿真研究生：李星学科专业：机械工程指导教师：张文志 副教授二 零 一零 年 九 月论文题目：轮腿机器人机构设计及运动仿真论文开题报告会时间：2010年09月开题报告：（论文选题目的、意义、国内外研究现状、研究内容、课题可行性等）1.论文选题目的和意义近年来，对移动机器人的研究受到重视,仿照生物的功能而发明的各种移动机器人越来越多，小到娱乐机器人玩具、家用服务机器人，大到工程探险、反恐防爆、军事侦察机器人等，人们已经清楚地体会到地面移动机器人作为移动机器平台的优越性。移动机器人能够移动到固定式机器人无法到达的预定目标,完成设定的操作任务。相应地，这些领域对所应用的移动机器人系统也提出了更高的要求，特别是在机器人的运动速度、灵活性、自主性、作业能力等方面的要求越来越高。因此发达国家对移动机器人的研究非常重视，其研究、开发、生产、销售等所带动的行业己初步形成朝阳产业的雏形和态势。同时，移动机器人技术的研究涉及到先进机构（如仿生机构、机器人机构重构等）、机械学、机械力学、人工智能控制、先进控制算法及理论、多传感器融合技术、拓扑学理论与计算机图形学、计算机视觉等多交叉学科，对于移动机器人的研究必将促进各相关学科的发展。足式机器人有很好的运动灵活性，地形适应能力强,能越过大的壕沟和台阶，避障能力很强，但是现有的机构水平导致运动速度和效率均普遍较低；轮式机器人驱动和控制相对比较容易,稳定性也较足式机器人好，有较高的运动速度，但是避障能力和非结构环境下移动性能不够。而本课题所研究的机器人既有超于二足机器人的平稳性又避免了六足机器人机构的冗余和复杂性。同时,其能很好地结合轮式机器人和足式机器人的优点,根据不同的环境变换轮式运动和足式运动两种运动方式,达到良好的运动灵活性和较高的移动速度的统一，提供良好的应用平台。该机器人主要的也是最直接的应用领域是作为特种机器人平台，由于具有灵活的运动方式和较高的运动速度，所以附加一定的功能装置后可以涉足人类不宜的场所完成一些危险任务，比如扫雷、探险、排除核污染威胁等。此外，由于具有较强的环境识别能力和适应能力，该机器人还有一个潜在的重要应用场所就是作为星球探测机器人。在无法确定待探测地表状态的情况下，采用足轮混合运动机器人可提高步行速度和效率。在松软或者崎岖不平的星球地表，采用足式结构即可显示出其优越性；在坚硬且较平坦的地表，由于没有土壤变形引起的阻力,采用轮式结构可有效提高其运动速度。本课题研究的机器人的行走机构采用足轮混合式结构。它具有以下几个方面的优点：（1）具有较好的行走适应性，能越过大的壕沟和台阶，避障能力很强。（2）路面平坦时，机器人变换为轮式运动方式，能够大大提高其运动速度。（3）方向容易控制，能够在狭窄场所改变方向。2国内外研究现状及其发展趋势2.1课题来源：内蒙古自然科学基金项目（编号：200607030701）。2.2足式移动机器人的发展状况足式移动机械的研究最早可以追溯到四世纪，人们设计了一个四条腿的木制机构来帮助运载沉重的货物。从那时起，很多设计研究相继出版，但一直仅停留在设计阶段。受控制系统发展的限制，当时的足式移动机械均通过简单的机构来控制。两个早期的实现代表是GE和Poney四足机构。直到20世纪80年代，随着计算机技术的快速发展，足式移动机器人的相关研究获得了飞跃式发展。TITAN-VIII，PV-II，COLLIE-I等都是当时发展过程中的代表性研究。人和动物的运动能力和执行指定任务的能力是移动机器人追求的目标，因此就机器人仿生原型来看，主要有二足、四足、六足三种主流型号。下面用几款代表研究前沿的足式机器人来分析多足移动机器人的发展现状。 图1所示是德国1998年开发的四足机器人BISAM。该机器人结构由主体、四条腿和头部组成。机器人总重14.5kg，内部装有微控制器、处理器、电池及立体摄像头。机器人四条腿完全相同，每条腿分为四个部分，之间用三个平行的转动关节互连。第四个转动关节连接腿部和躯干。该机器人通过三级控制结构对控制任务进行了分担，三级结构为由西门子高性能单片机C167负责单腿运动控制，由嵌入式系统PC104负责多腿协调控制，由外部高性能PC机负责人机接口交互。PC104与外部高性能PC机通过无线局域网进行通信。BISAM还具有两个摄像头，可识别障碍物的形状和距离，并对数据作了简化处理,从而实现了实时性。应该说BISAM是四足机器人中比较有代表性的研究成果，尤其它的硬件结构给了人们很大的启示。 日本东京工业大学从事四足移动机器人研究已有20余年，从第一代的KUMO-I开始到最新的TITAN-VIII（图2)一共研制了十多个型号的机器人，该课题组一直从事四足机器人的研究，而且认为无论是从实用的角度还是从静态稳定行走以及机构的复杂程度的角度考虑，四足是足式移动机器人最佳的结构形式。其中最有借鉴意义的是TITAN-VIII，该款机器人共售出约40套给日本的多个大学和研究所作为应用开发的平台。该款机器人每足具有三个自由度，其中大腿关节具有前后转动和上下转动两个自由度，膝关节具有一个上下转动自由度。采用新型的电机驱动和绳传动，质量约40kg，有效负载57kg，行走速度决定于负载情况，一般在0.30.9m/s之间变化。 图1 四足行走机器人BISAM 图2 TITAN-VIII四足移动机器人 国外一些六足仿生机器人也都采用单足三自由度结构，早在1993年，卡尔斯鲁厄(Karlsruhe) 大学计算机科学研发中心开始研究六足行走机器人LAURON-I。紧接着1994年LAURON-II也相继被开发出来。LAURON-II由主身体、六条腿和头部组成（图3），主体上具有微控制器、能量供给单元和三维摄像头。由于所有的部件均固定在机器上，LAURON-II能够实现完全脱缆运行。LAURON-II重16kg，长宽均为70cm，最大负载19kg，最快速度0.5 m/s。 图3 带有立体摄像的六足机器人LAURON-II 我国目前在多足移动机器人领域的研究刚刚起步，1985年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果。由于起步较晚，在足式移动机器人方面落后国外较大，所研制的机器人普遍存在动态稳定性差、负载能力弱等缺点。哈尔滨工业大学自1985年开始研制双足步行机器人，迄今为止已经完成了3个型号的研制工作,分别为HIT-I，HIT-II，HIT-III。1997年上海交通大学信息存储研究中心也设计开发了JTUWM-III型四足机器人1112。JTUWM-III型动态步行机器人，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。机器人长、宽、高为81cm75cm30cm，重37.5 kg，脚底为直径12cm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，但仍然受到速度较慢的制约。2.3轮式移动机器人的发展状况近些年来，国内外学者在轮式机器人方面也进行了大量的研究。海尔哈工大机器人技术有限公司开发研制成功了我国第一台智能型服务机器人。该机器人高1.70m，四肢活动自如。采用了先进的传感系统（CCD摄像机、超声波、红外等），智能水平很高，机器人带有的视觉系统、语音系统和运动系统使其言行举止更像人。它不仅可以在屋内自由行走、实现较多的人机对话，身上安装的12个超声波传感器还可以在360o内识别出障碍物。2003年1月，中科院自动化所成功研制开发了集多种传感器、视觉、语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人(图4)。它的基本结构由传感器、控制器以及运动机构构成，其中传感器由以下几个部分组成：位于机器人底层的16个触觉红外传感器，位于机器人中间两层的16个超声传感器和16个红外传感器，以及位于机器人顶部的摄像机(CCD)。这些传感器和CCD一起构成了移动机器人的多传感器系统。CASIA-I身高80cm，直径45cm，运行最大速度为80cm/s。由图2可以明显看出,上述机器人的运行环境只能限定于平坦路面结构。 图4 移动机器人CASIA-I 目前我国的机器人总数虽然较少，但国内机器人市场需求已经形成，并呈上升趋势。在国家七五和八五攻关以及863等计划的推动下，我国机器人技术已有较大发展。机器人的研究获得进展，跟踪了国际高级机器人技术，缩短了与国际先进水平的差距。国内对移动机器人的研究起步比较晚，主要是国内高校和科研单位还没有产业化。3.研究内容3.1轮腿机器人总体机构设计根据国内外移动机器人的研究发展现状，结合实际应用和研究需要，提出适合本课题研究的行走机构结构方案。确定该机器人各个组成部分的关键部件，完成机器人的总体机械结构设计。完成腿部驱动系统的设计。3.1.1足数的确定如何确定足数，一般要从以下几方面考虑和评价： （1）能够维持静态的稳定姿态。从工程上考虑，机器人不仅要稳定移动，还要保持某种姿态作业，因此机器人应具有足够的足数使之能够在不平地面上维持静态的稳定姿态。一般四足以上的机器人可以实现静稳定。 （2）能够实现静态稳定步行。一般采用机器人的稳定程度作为评价基准，随着足数的增加，其稳定程度急剧增加。到七足以上时几乎饱和，没有明显变化。 （3）静态稳定步行的速度。步行往复移动速度平均为，四足机器人的移动速度是，五足速度是，六足速度为。 （4）能够实现动态步行。三足和四足机器人易于实现动态步行。 综合以上几个方面的选择基准，本文研究的机器人采用四足结构。本文所要研究的四足移动机器人的总体结构由机体和四条腿组成。3.1.2机体的设计首先要考虑两个因素：一是避免腿部之间发生碰撞；二是增加机体的稳定性。又由于机体是一个规则平台，平台上需要安装控制器、电源模块、关节驱动电机、减速器、视觉系统等部件，其长度和宽度又必须满足这些部件的安装需要。同时，因该机器人四条腿的根部与机体相连，还需要考虑整体布局和安装定位。所以综合考虑以上因素，机体使用高强度铝合金，以减轻机器人的质量，制作成一个规则的长方体，其长度选取为240mm，宽度选取为180mm，厚度为1mm。如图5.轮腿机器人机构简图 图5 轮腿机器人机构简图3.1.3腿部机构的设计我们所设计的机器人采用与动物腿部结构相似的三自由度关节式腿机构，每条腿都是一个平面连杆机构，每条腿又由小腿、大腿、髋三部分组成。在设计时我们考虑到电机和减速、传动机构重量应尽可能集中在机体或者靠近机体的位置,从而缩小摆腿时的转动惯量,使机器人运行尽可能平稳。因此我们把髋关节的驱动电机及减速、传动机构安装在机体上。髋和躯体间用一传动比是1：2的齿轮副约束，它能使腿绕着机体前后转动，并且减小舵机的驱动力矩。因为连接髋和大腿的关节以及连接大腿和小腿的关节都需要电机驱动，所以我们把两个关节的驱动电机及其减速、传动机构都安装在髋关节上，使其重量尽量靠近机体，达到是机器人平稳的目的。大腿和髋之间也用一传动比是1：2的齿轮副约束。它能使大腿绕着骻关节上下转动，并且减小舵机的驱动力矩。大腿的尺寸我们定为100 mm.小腿的驱动电机安装在髋关节上通过三级齿轮传递使小腿能够抬起和放下，所以四条腿共有十二个转动副。腿和机体具有独立的控制节点，负责状态判断以及关节控制，采用CAN总线单元控制节点和总控制节点之间的通讯，总控制节点再和主控计算机之间通讯，由主控计算机实现对机器人的姿态和步态调整。虽然小腿部分不需要安装驱动装置，但是小腿的长度一定要大于大腿的长度，保证关节小腿关节不会与地面或其他支撑平台碰撞，所以小腿长度我们取为150mm。四条腿足端都装有轮子，可以根据环境需求在轮式机器人和足式机器人之间切换。当机器人进行步态行走时,小腿中心线调整到和大腿中心线成37角。小腿上的齿轮正好和大腿上的驱动齿轮啮合。带动小腿齿轮转动。通过安装在小腿上的曲柄滑块机构将轮子收起。当机器人进行滑动时，小腿中心线调整到和大腿中心线成37角。小腿上的齿轮正好和大腿上的驱动齿轮啮合。带动小腿齿轮转动。通过安装在小腿上的曲柄滑块机构将轮子放下。机器人的结构重心与其几何中心重合。轮子我们选用直径为38.1 mm的塑料轮。髋、大腿、小腿均采用高强度铝合金材料制作成槽型的长方体。 4.轮腿机器人的关键技术4.1 轮腿混合机构的切换传统的轮腿切换是通过电闸实现的，行走时电闸抱死，轮子不转和小腿形成一整体。滑动时电闸打开，轮子可以转动，在腿的带动下做滑动。这种机构的缺点在控制比较复杂。并且轮子的设计也过于复杂。最大的不足是由于电闸的存在，机构末端的惯性太大。使机构的稳定性受到极大的影响。本文设计的机构完全采用了轮子收放的理念。当机器人进行步态行走时,通过安装在跨关节上的控制小腿的舵机将小腿中心线调整到和大腿中心线成37角。小腿上的小齿轮正好和大腿上的驱动齿轮啮合。大腿舵机转动22.5带动小腿齿轮转动180。通过安装在小腿上的曲柄滑块机构将轮子收起。当机器人进行滑动时，小腿中心线调整到和大腿中心线成37角。小腿上的齿轮正好和大腿上的驱动齿轮啮合。带动小腿齿轮转动。通过安装在小腿上的曲柄滑块机构将轮子放下。4.2利用实际尺寸建立运动方程对的机器人的腿部进行正、逆运动学计算和分析摆动腿的运动空间，还对机器人的整体进行正、逆运动学计算，最后分析机体的运动空间。4.3做机构的步态分析对机器人的步态作总体规划。引进最佳步态的概念，分别从效率、能量、运动空间三个方面证明步态3-1-4-2并且四足落点组成特殊平行四边形时为直线行走的最佳稳定步态。在此基础上，作出滑行时的步态。并求出轮腿切换时各舵机的运动规律。4.4轮腿机器人的仿真技术研究在PROE中建立模型并装配。建立好各种运动副，将机构导入ADMAS中，利用各舵机的驱动数据进行运动仿真。5、预期达到的目的5.1 建立模型，做出实物。在PROE中建立轮腿机器人的机构模型，并加工出实物。5.2 求出轮腿机器人步行和滑行时的步态。根据轮腿机器人步态方程，把机构的尺寸导入其中，得出结果。5.3 精确的仿真过程，和实际应用在ADMAS中作出仿真，把做出的实物轮腿机器人放在不同的地面上实验。参考文献1 Berns K, Ilg W, Deck M, etc. Adaptive Control of the Four-leg-ged Walking Machine BISAM C.IEEE Int. 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