开题报告-四足机器人机构及其控制系统的设计

毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）自然界中的四足哺乳动物遍布于地球各个大陆上，在地形环境适应性、运动灵活性和运动效率等方面具有显著优势，它们几乎能在任何陆地上活动，不仅可以在崎岖复杂地形环境下快速移动，有些还具有较好的负重能力。相比传统轮式或履带式车辆，四足哺乳动物能在崎岖不平地面上够保持支撑与平衡，灵活运动，能较好的适应环境，这充分体现出了四足移动方式的巨大优势与发展潜力：（1）四足移动方式的落足点是离散的，可以在工作空间内主动选择落足点，可以跨过障碍和深坑。（2）四足移动方式无横向运动约束，易于实现全方位移动。（3）足端运动与躯干质心运动解耦，可以实现主动隔振，在起伏不平地形移动时能保持躯干运动的平稳性。（4）可以用腿迈过障碍，避免质心上下浮动所需的额外能耗。而基于四足哺乳动物以及四足运动方式进行仿生的四足机器人，具有像四足动物那样灵活运动的潜在能力，既有比双足机器人更好的稳定性，又有比六足机器人更简单的机构，是一种实用、有广阔应用前景的移动机器人。因此，国内外很多企业和高等院校等都进行了或正在进行着四足机器人的研发，主要是对四足动物的运动规律进行研究分析，并设计了许多不同样式的四足机器人。虽然受理论发展水平和材料、驱动机构性能的限制，目前世界上的四足机器人的运动性能与四足动物相比仍有较大差距，但也取得了很多研究成果。四足机器人的研究从20世纪60年代起步，那时McGhee研制了世界上第一台四足机器人，此后四足机器人就因其本身的巨大优势被许多理论和应用研究者所关注。20世纪80年代，MITLeg-Lab开展了腿足动态运动控制研究，他们在研制成功单腿机器人的基础上，将控制算法拓展应用到了四足机器人中。四足机器人类似于将四个单腿机器人前后两两结合在一起，并在该机器人上实现了踱步、对角小跑以及跳跃三种步态，这是早期运动性能最为出色的四足机器人。2000年以后，现代四足步行仿生机器人的研制工作进入了快速发展的阶段，其中最具代表性的为波士顿动力学工程公司(BostonDynamics)于2005年推出的一款四足机器人“BigDog”，也正是这款四足机器人让波士顿动力公司名声大噪。它由一台汽油发动机提供动力，发动机驱动液压系统，以液压系统作为驱动输出动力，进而控制每段肢体的动作，实现了躯体的灵活运动，具有较高的平衡性与抗干扰性。LS3机器人是波士顿动力公司继BigDog之后推出的一款新型四足机器人，于2012首次公开亮相。与BigDog相比，LS3的体型更为庞大，负载能力更强，移动速度也更快，实用性能有了大幅提升。LS3继承了BigDog的移动特性，通过借助地形感测、避障和GPS等技术，保障前行过程中的安全性，从而可以顺利到达目标地点。除此之外，LS3采用计算机视觉技术，实现了自动跟踪，因此它无需搭载专用的驱动程序即可跟随目标人员前行。WildCat是波士顿动力公司于2013年推出的一款四足机器人，采用复杂的步态算法，能够快速奔跑并提高能量利用效率，是室外运动奔跑速度最快的四足机器人。2015年，波士顿动力公司推出了一款四足机器人“Spot”，其高度约为0.94米，重量约为75公斤，可背负45公斤的有效负载进行自由行动或奔跑，噪声更小，更加灵活，为高性能机器人设计提供了一种新的思路。2016年，瑞士苏黎世联邦理工学院发布了新一代四足机器人ANYmal，这款机器人装备有多种传感器，体重轻巧，充电一次可工作2－4小时，可以自主在不同工作环境中穿梭进行巡逻工作。。2017年11月，波士顿动力公司对外展示了其研发的最新一款四足机器人SpotMini。与Spot相比，SpotMini的外形更加小巧，并且在头部增设了一副机械臂，机械臂的顶端是一个夹手，可以灵活操控物体，在实用性方面更加贴近生活，可以完成生活中的各项任务如：娱乐、安保、应急响应、物流、工程建设、看护等，体现了未来机器人的智能化、实用化时代的到来。近年来，许多国内科研机构和研究学者们也对四足机器人投入了积极的研究，并取得一定的成果。国内四足机器人从20世纪90年代初开始起步，清华大学研制的QW-1四足机器人，实现了静步态下的全方位移动；上海交通大学研制了JTUWM系列四足机器人，完成了静步态、动步态下的运动分析与控制。2013年，山东大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学和上海交通大学研制了多台液压驱动四足机器人，无论是从移动速度还是负重能力方面，均较以往的电驱动机器人有大幅提升。2015年7月，中国兵器装备集团公司发布了“中国大狗”的仿生四足机器人。这款由中国自行研制的“大狗”仿生机器人，可以运用到军事领域进行崎岖地形的物资输送工作，其系统功能已经达到国外同类产品水平。2017年10月，宇树科技发布了他们的四足机器人莱卡狗，重量轻但系统输出功率高，可匹敌美国最强产品，其平衡能力在国内研发领域也展出超强的水平。2018年，浙江大学熊蓉教授领导的机器人团队发布了一款“绝影”四足机器人，这款国产机器人能够稳健地爬陡坡，踏雪地，拥有强大的平衡技能。根据目前所掌握的资料及查阅结果，四足机器人经历了几十年的发展，已取得一些可喜成果，但相对于动物而言，其运动灵活性仍有较大差距，需要继续从仿生的角度设计新型驱动和结构方式，改进控制方法，提升环境适应能力，采用柔性技术，对复杂地形进行步态规划。尤其是在快速稳定上，除了波士顿动力公司之外，快速稳定跑步控制仍然是一项重大挑战，因此开发快速跑步运动，且具有较强环境适应能力的四足机器人仍然将是机器人领域的研究热点。本次毕业设计，我研究的是：“四足机器人机构及其通信系统的设计”。需要对四足机器人的基本结构与基本运动方式进行了解，在此基础上设计出四足机器人的机械结构，以达到其运动要求；还需基于四足机器人运动要求与其机构方案进行步态分析规划，将这三者结合，并基于CAN总线通信设计出四足机器人的通信方案，能够实现有效传输数据，控制机器人电机能够完成步态要求的运动。参考国内外现有四足机器人的机构与步态规划方案，分析他们的优点缺点，把几种类型的机械结构与基本步态综合考虑，设计出一种综合性能优良的四足机器人机构方案，并以此结构为基础设计出快速稳定的基本步态规划，根据机构方案和步态规划方案完成四足机器人运动的通信方案，完成对机器人电机的控制，是我本次毕业设计的目的。2、基本内容和技术方案基本内容：调研收集分析有关资料，了解四足机器人的基本概况，包括国内外发展现状与发展趋势，以及机器人学相关理论和通信系统的设计方法；根据四足机器人的运动要求，确定四足机器人机械机构方案；进行机械结构的图纸设计；根据机械机构方案，进行四足机器人基本步态运动分析与设计。根据通信方案，设计基于CAN总线的通信系统，实现有效的数据传输，能够控制四足机器人按照规划的步态运动。整理资料，完成毕业论文的写作，准备好答辩工作；完成毕业论文的答辩工作。技术方案：本次主要是对四足机器人的机械结构、基本步态以及控制系统的方案设计，需要准备大量相关资料，了解机器人学的相关知识，包括四足机器人机构的具体实现，四足机器人运动学与动力学的理论知识，四足机器人基本步态的原理和规划方法，以及CAN通讯的基本原理和通信系统搭建方法。如何设计出一种具有特色机械结构，如何规划出能够快速稳定运动的步态，如何达到对机器人运动的精确控制，在经过资料查阅与学习后，本人确定了以下技术方案：根据相关理论资料，了解四足机器人的发展和运动的基本原理，参考国内外目前主流的四足机器人的设计方法、流程，确定四足机器人的基本机械结构方案的框架；根据机械结构方案的框架及运动要求逐步细化，确定基本尺寸并用CAD软件对其进行二维绘图以及三维建模工作；对四足机器人整体机械结构进行相关分析，并对局部结构进行优化；在此基础上了解目前四足机器人的主流基本步态，对要求的运动方式进行基本的步态规划；对规划好的步态框架进行细化分析，将控制运动所需的步态的参数具体化，并使用Maltlab软件进行步态仿真分析。了解CAN通信的基本原理，搭建控制四足机器人运动的基本通信框架，包括硬件电路的设计以及软件系统的搭建，完成数据传输；根据CAN通讯框架，使用visualstudio软件完成对四足机器人电机控制的程序设计，能够控制四足机器人按照运动要求走出相应步态，并基于此CAN通信平台进行四足机器人步态实验；对完成的所有设计进行总结。3、进度安排（1）1-4周：完成文献查阅和英文文献翻译，完成开题报告。（2）5-14周：完成全部设计任务。（3）15周：完成设计资料整理和设计说明书（论文）撰写。（4）16周：准备毕业设计答辩。4、指导教师意见该生通过前期调研，对所做的毕业设计内容相关的国内外研究现状有了初步了解，研究目的意义基本明确，已经具备了开始毕业设计的条件，通过努力可以达到任务书预期的目标，同意进入毕业论文阶段。指导教师签名：年月日参考文献[1]LeeY,TranD,HyunJ,etal.Agaittransitionalgorithmbasedonhybridwalkinggaitforaquadrupedwalkingrobot[J].IntelligentServiceRobotics,2015,8(4):185-200.[2]HyunDJ,SeokS,LeeJ,etal.Highspeedtrot-running:ImplementationofahierarchicalcontrollerusingproprioceptiveimpedancecontrolontheMITCheetah[J].TheInternationalJournalofRoboticsResearch.2014,33(11):1417-1445.[3]刘冠初,熊静琪,乔林,etal.四足机器人自由步态规划建模与算法实现[J].西安交通大学学报,2015,49(6):84-89.[4]丁良宏.BigDog四足机器人关键技术分析*[J].机械工程学报,2015,51(7):1-23.[5]孟健,刘进长,荣学文,李贻斌.四足机器人发展现状与展望[J].科技导报,2015,33(21):59-63.[6]张奔,卞新高,朱灯林.四足机器人步态分析及仿真实现[J].图学学报,2017,38(5):670-674.[7]陈国伟，丁学明.基于CAN总线的无刷直流电机控制系统设计[J].电子科技,2017,30(3):153-156.

[8]IgMoKoo,TranDucTrong,TaeHunKang,GiaLocVo,YoungKukSong,ChangMinLee,andHyoukRyeolChoi.ControlofaQuadrupedWalkingRobotBasedonBiologicallyInspiredApproach[J].AdvancesinClimbingandWalkingRobots,2007,242-251.[9]孙志远,杨思源.四足机器人步态规划[J].黑龙江大学自然科学学报,2017,34(6):737-741.[10]王丽君.四足机器人的结构设计[J].中国新技术新产品,2016,(18):39-40.[11]朱秋国.浅谈四足机器人的发展历史、现状与未来[J].杭州科技,2017,(2):47-50.[12]IgMoKoo,TranDucTrong,YoonHaengLee,HyungpilMoon,JachoonKoo,SangdoekPark,HyoukRyeolChoi.Biologicallyinspiredgaittransitioncontrolforaquadrupedwalkingrobot[J].AutonRobot,2015(39):169–182.[13]万媛,张小俊,史延雷.一种四足机器人机构及运动学分析[J].科学技术与工程,2017,17(18):78-83.[14]于舰,孙桂涛,高炳微,赵勇,时献江,邵俊鹏.液压四足机器人驱动器CAN总线通信[J].哈尔滨理工大学学报,2013,(2):77-78.[15]Kumar,T.S;Banavar,RaviN.AsianControlConference(ASCC),Austrlia,2017[C].GoldCoast,QLD,Australia:2018.[16]王文明.四足机器人步态规划与运动控制研究[D].山东科技大学,2011年.[17]程品.四足仿生