JXFZ01-013@基于Solid Works 四足行走机构的设计及动画模拟
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机械毕业设计全套
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JXFZ01-013@基于Solid Works 四足行走机构的设计及动画模拟,机械毕业设计全套
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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： 张杰 学 号： 20054024120 专 业： 机械设计制造及自动化 设计 (论文 )题目： 基于 SolidWorks 四足行走机构的虚拟设计及动画模拟 指导教师： 刘天祥 2009 年 3 月 19 日 nts 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 GB/T 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“ 2002-04-26”。 nts 3 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 文 献 综 述 1.1 四足机器人仿真研究的意义 机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，也是二十 世纪高技术发展的一个 重要内容，从 1948 年出现第一 个遥控机械手 至今，其已有近半个世纪的发展历史。第一代遥控机械手诞生于 194 年美国的阿贡实验室，当时用来对放射性材料进行远距离操作，以保护原子能工作者免受放射线照射。自动化技术的发展，特别是计算机的诞生，推动了现代机器人的发展。 20 世纪 50 年代是机器人的萌芽期，其概念是 “ 一个空间机构 组成的机械臂，一个可重复编程动作的机器”。 1954 年美国戴沃尔发 表了“通用重复型机器人”的专利论文，首次提出“工业机器人”的概念。第一台工业机器人诞生于 1956年，是英格尔博格 (J.Engelberger)将数字控制技术与机械臂相 结合的产物。这台 机器人可通过编程来灵活地改变作业程序。当时，主要是为了克服串联机构累计的系统误差，以便达到较高空间定位精度。为此提出了示教再现的编程方式，从而使重复定位精度差不多比绝对定位精度提高了一个数量级。至今绝大部分使用中的工业机器人仍采用这种编程方式。 第一台工业机器人的商用产品诞生于 1962 年，当时，其作业仅 限于上、下料。随着 传感技术和工业自动化的发展， 20 世纪 60 年代 中后期，工业机器人进入成长期，机器人开始向实用化发展，并被用于焊接和喷涂作业中。 20 世纪 70 年代随着计算机和人工智能的发展，机器人 进入实用 化时代。日本虽起步较晚，但结合国情，面向中小企业，采取了一系列鼓励使用机器人的措施，其机器人拥有量很快超过了美国，一举成为“机器人王国”。 20 世纪 80 年代，机器人发展成为具有各种移动机构、通过传感 器控制的机器。工业机 器人进入普及时代，开始在汽车、电子等行业得到大量使用，推动了机器人产业的发展。为满足人们个性化的要求，工业机器人的生产趋于小批量、多品种。 20 世纪 90年代初期，工业机器人的生产与需求进入了高潮期 :1990 年世界上新装备机器人 81000台， 1991 年新装备 76000 台。 1991 年底世界上 己有 53 万台工业机器人工作在各条战线上。随后 由于受到日本等国经济危机的影响，机器人产业也一度跌入低谷。近几年随着世界经济的复苏，机器人产业又出现了一片生机。 20 世纪 90 年代后期还出现了具有感知、决策、动作能力的智能机器人，产 生了智能机器或机器人化机器。随着信息技术的nts 4 发展，机器人的概念和应用领域也在不断扩大。从科学幻想、工艺精品到工业机器人，从程控机器人、传感机器人、交互机器人、半自主机器人到自主机器人，从操作机器人、生物机器人、仿生机器人到拟人机器人和机脏人，机器人已走过漫长的“进化”过程。目前，世界上己有 近百万台各式各样的机器人正服务于各行各业，为人类做出了巨大贡献。无疑，机器人的诞生是 20 世纪人 类科学技术的重大成就。 由于特定环境的需要，步行机器人一直以来是人们研究的一类重要机器人，具有其它机器人所不能及的空间活动范围，是人类进行科研探索活动不可替代的重要工具。四足机器人便是步行机器人中较为重要的一类，具有广泛的应用领域。例如，日本索尼公司推出的智能玩具机器狗 AIBO，就是一个典型的四足机器人动物仿生产品，它涉 及到了计算机技术、电子学、机械学、力学等多个学科领域的知识，具有相当的技术难度。 在机器人的研制 中，机器人仿真是机器人研究的一项很重要的内容，它涉及机器人机构学、机器人运动学、机器人零件建模、仿真机器人三维实现和机器人运动控制，是一项综合性的有创新意义和实用价值的研究课题。仿真利用计算机可视化和面向对象的手段，模拟机器人的动态特性，帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限揭示机构的合理运动方案及有效的控制算法，从而解决在机器人设计、制造以及运行过程中的问题，避免了直接操作实体可能会造成的事故或者不必要的损失。在机器人实际应用项目的开发之前，如果利用机器人仿真软件先制作出设计方案中的机器人模型，为机器 人本体结构方案设计提供参考依据，并在这台“机器人”上模拟能都实现的功能，使用户直接看到设计效果，及时找出缺点和不足，进行改进，这将使机器人的研究及生产进入一个可预知结果的新时代。一个新的机器人工作编制完后，先在仿真软件中观察操作运行结果，分析检验轨迹规划和作业规划的正确性与合理性，实时检测机器人与作业环境 之间的碰撞与干涉以保证整个生产单元的安全，避免因指令编写错误而引起的机器和材料的损伤，为离线编程技术的研究提供一种极为有效的验证手段。 同样，在四足机器人的研制中，四足机器人仿真研究是开发四足机器人产品的 基础，例如四足机器人运动学设计问题，由于没有一定的运动规律可以直接应用，所以在具体实现中往往要采用观察和试验的方法来解决。采用实物进行观察和实验耗费的人力和物力较大，而且对设计参数的调整也不方便。采用计算机仿真技术，可以预演或再现系统的运动规律或运动过程，还可以对无法直接进行试验的系统进行仿真试验研究。 由此可见，机器人仿真在机器人的研制、设计、开发应用中正起着越来越重要的作nts 5 用，它可以避免大量的物力、人力的浪费 ;可为机 器人本体结构方案设计提供参考依据 ;对机器人的运动进行仿真，改 善机器人的运动参数 ;对机器人的 视觉和视景进行仿真，提高机器人 的智能识别能力 :帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限 :可用于分析检验轨迹规划和作业规划的正确性与合理性 ;可为离线编 程技术的研究提供一种极为有效的验证手段 ;可用于实时检测机器人 与作业环境之间的碰撞与干涉以保证整个生产单元的安全。此外，仿真技术还可帮助用户选择适合特定作业的机器人产品类型。， 1.2 国内外研究现状 人类为扩大自身活动空间，开发宇宙、海洋，通过研究和模仿动物甚至人类自身，而设计、创造了对自然环境具有高度适应能力的步行机器人，四足机器人便是其中的一种。早在 1966 到 1977 年，美国 R.B.MCghee 和 A.A。 Frank 在加利福尼亚大学便设计了名为加利福尼 亚马的电动四足步行机。同时， 1968 年美国通用电气公司 R.S.Mosher 与美陆军移动系统实验室 R.A.LISton 合作制成一种四足步行机实用 样机。不过，早期的这几种四足机器人设计比较简单，只是一种雏形。直至 1988 年，日本机械研究所研制成能动步行四足步行机器人，是 一种设计比较完整的四足机器人，但距离真正的使用还有一定的差足巨。 我国对步行机构研究历史较早，但由于失传至今无法复原。多足步行机构取得成就应该说是在 80 年代。在国家高技术项目支持下， 上海交通大学研制成全方位四足步行机器人 (JTUwM 一 l)，采用缩放机 构，成功地实现四足静步行移动，但其距离国际先进水平还有一定差足巨。 随着机器人研究的不断深入和机器人领域的不断发展，机器人仿真系统作为机器人设计和研究的安全可草、灵活方便的工具、发挥着越来越重要的作用。近年来己有许多功能齐全的商品化 CAD 软件包 问世。在国外，有专门为制造行业设计的机器人仿真平台，例如，美国的 ROBSM，英国的 SAMMIE，以色列 ROBCAD 和 Denab 公司的 Ev151on 软件 ;国内许多高等院校及研究所 (例如清华大学、浙江大 学、沈阳自动化所、上海交大、华中理工大学等 )也做了大量的工作， 推出了一些软件系统。这些大型软件系统主要用于机器人仿真和离线编程以及运动学和动力学的分析研究。他们的共同特点是 :人机界面 良好，易于用户再次开发，图形逼真，计算速度快。但是，这些软件不仅价格昂贵，而且对硬件要求较高，大多数 32 位工作站上运行， 使得一般用户不敢问津。例如， RoboCAD虽然是专门为机器人仿真设 计，功能齐 全，但价格昂贵，不适合普遍推广。 Evision 有nts 6 一个专门 的零件库，里面收集了各种机械结构的零部件，操作简便，功能强大，其仿真效果基本上考虑了客户可能的各种需要，但正因如此，反而不能兼顾一些客户的特殊的个性化要求，并且成本也是居高，使用这一软件还需要经过专门的培训，都不利于其推广使用。各种机器人研究项目中对仿真软件的需求侧重点不同，对不断更新的机器人型号、机器人应用类型，需要有相应的仿真演示。而现成软件的模式、内容都是固定的，不利于变动性大的研究。目前情况，机器人行业对操作简单、可满足基本仿真功能、成本低的软 件具有较大的需要，所以进行这方面的研究，在工程上和市场上都有较高的实际价值。 由于四足机器人本身特点在实际应用中的局限，自 20 世纪 90 年代以来，四足机器人的研究一直没有较大的发展。直到近几年，仿生产品市场的发展刁有效地促进了四足机器人的研究，其中日本索尼公司的 AIBO 机器狗便是最好的例证。 在此同时，由于计算机技术的高度发展，也相应的改变了四足机器人的研究方式，是以实物为主体的实验形式逐步被以实物和计算机相结合的新形式所替代，计算机仿真技术的应用，有效地促进了四足机器人研究的发展，避免了人力、物力的浪费。但 是，目前国内四足机器人仿真没有成型软件，只有一些不成熟的针对四足机器人某一方面的简单仿真，尚无真正用来进行四足机器人仿真的成形工具。 参考文献 1 王正中 .屠仁寿 .等 .现代计算机仿真技术及其应用 .国防工业出版 社 .1991.3 2 熊光楞 .数字仿真算法与软件 .宇航出版社 .1991.8 3 白建军 .朱亚平等 .openGL 三维图形设计与制作 .人民邮电出版 社 .1999.8 4(美 )KateGregory.Visuale+6 开发使用手册 .机械工业出版 社 .1999.2 5 孙家广等 .计算机图形学 (第三版 ).清华大学出版社 .1998.3 6 吴重光 .仿真技术 .化学工业出版社 .2000.5 7 蔡自兴 .机器人学 .清华大学出版社 .2000.9 8 蒋新松 .机器人学导论 .辽宁科学出版社 .1993 9 林锐，石教英等 .基于 OpenGL 的可复用软构件库与三维交互设计 .计算机研究与发展 .2000.37(11) 10 冯惠军，冯允成等 .面向对象的仿真综述 .系统仿真学报 .1995.7(3) 11 屠仁寿，李伯虎等 .当前仿真方法学发展中的若干问题 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