六足行走机器人设计【含7张CAD图纸】【JS系列】
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含7张CAD图纸
JS系列
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- 内容简介：
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开题报告论文题目：六足行走机器人设计学院：专 业 、班级： 学 生 姓 名：指导教师（职称）：2016 年 12 月 25日填毕业论文（设计）开题报告要求开题报告既是规范本科生毕业论文工作的重要环节，又是完成高质量毕业论文（设计）的有效保证。为了使这项工作规范化和制度化，特制定本要求。一、选题依据1.论文（设计）题目及研究领域；2.论文（设计）工作的理论意义和应用价值；3.目前研究的概况和发展趋势。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题；2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）；3.本论文（设计）预期取得的成果。三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；2.论文（设计）进度计划。四、文献查阅及文献综述学生应根据所在学院及指导教师的要求阅读一定量的文献资料，并在此基础上通过分析、研究、综合，形成文献综述。必要时应在调研、实验或实习的基础上递交相关的报告。综述或报告作为开题报告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通顺，较全面地反映出本课题的研究背景或前期工作基础。五、其他要求1.开题报告应在毕业论文（设计）工作开始后的前四周内完成；2.开题报告必须经学院教学指导委员会审查通过；3.开题报告不合格或没有做开题报告的学生，须重做或补做合格后，方能继续论文（设计）工作，否则不允许参加答辩；4.开题报告通过后，原则上不允许更换论文题目或指导教师；5.开题报告的内容，要求打印并装订成册（部分专业可根据需要手写在统一纸张上，但封面需按统一格式打印）。一、选题依据1.论文（设计）题目六足行走机器人设计2. 研究领域机械电子工程-机器人设计3.论文（设计）工作的理论意义和应用价值在自然界以及人类社会中存在人类无法到达的地方以及危及人类生命的特殊场合。如行星表面、防灾救援等等，对这些危险环境进行不断地探索研究，寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。地形不规则以及崎岖不平是这些环境的共同特点，从而使轮式或履带式机器人的应用受限。以往的研究表明轮式移动方式在相对平坦的地形上行驶时，具有相当的优势：运动速度迅速、平稳，结构和控制也较简单，但在不平地面上行驶时，能耗将大幅度增加，而在松软地面或严重崎岖不平的地形上，车轮的作用也将严重丧失使移动效率降低。为了改善轮子对松软地面和不平地面的适应能力，履带式移动方式应运而生但履带式机器人在不平地面上的机动性仍然很差而且行驶时机身晃动严重。与轮式、履带式移动机器人相比在崎岖不平的路面步行机器人具有独特优越性能，因此，在这种背景下行走机器人的研究蓬勃发展起来。而仿生步行机器人的出现更加显示出步行机器人的优势。多足行走机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，运动时只需要离散的点接触，因此对地面环境的破坏程度也较小，而且可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点对崎岖地形有较强的适应能力。因此多足行走机器人对环境的破坏程度也较小。轮式和履带式机器人则是一条条连续的辙迹。崎岖地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物，可以稳定支撑机器人的连续路径非常有限,所以此时轮带式和履带式机器人在这种情况下并不太实用。多足行走机器人的腿通常是多自由度的，所以灵活度也较好。它可以通过调节腿的长度和伸展程度保持身体水平和调整重心的位置因此不易翻倒有相对高的稳定性。当然多足步行机器人也存在一些不足之处。比如为使腿部协调稳定运动从机械结构设计到控制系统算法都比较复杂，仿生多足步行机器人在机动性方面和自然界的节肢动物相比还有很大的差距。4目前研究的概况和发展趋势最早的多足步行机器人可以追溯到中国三国时期的水牛流马，国外据记载最早是1893 年 Rygg 设计的机械马。之后多足步行机器人经过近百年的发展，取得了极大的进步，尤其是随着当今电子计算机技术的发展，多足步行机器人不再是过去的纯机械阶段而是进入到了如今的机电控制阶段。进入八十年代，步行机器人的发展更是日新月异，这里简单介绍近年来比较典型的几种多足步行机器人。1983 年，Odetics 公司生产出第一代“OdexI”型六足步行机器人，如图 1.1 所示。该机器人的电子驱动装置使用大功率场效应管的开关型放大器，用直流电动机作驱动元件。控制系统分级安排。最低级的 6 个宽带宽处理机用于处理腿驱动装置的数字式伺服回路的数据以及脚和腿部触觉传感系统的快速反射式反应数据；中间级有一个处理机，管理 6 个低级处理机和最高一级系统之间的数据流的分配；最高级包括若干个处理机，处理实际的行走算法、垂直基准、数据采集、通信和系统诊断等计算和控制任务。1986 年，Miura 和 Shimoyama 等研制出“Collie-2”四足步行机器人，如图 1.2所示。用直流伺服电机驱动，用 RMS68K 和 MC68020 芯片操作系统控制，机器人的每一个关节安装了一个电位器。图 1.1六足机器人“Odex I”图 1.2东京大学的四足机器人“Collie-2”2002 年,印度研制的六足行走机器人“舞王”，如图 1.3 所示。该机器人用 18 台电子发动机带动每条腿转动，基座上装有电脑用于控制和监视，另外用一台无线台式电脑用来遥控，它是印度技术研究院的科学家门 8 年心血的结晶。图 1.3 印度六足行走式机器人“舞王”在我国，近年来多足步行机器人的研究也取得了很大的进展。 1993 年，由上海交通大学研制的 JTUWM-III 型四足步行机器人。采用 4 分布式控制系统。以 8098 单片机为核心的直流伺服系统是机器人的直接控制级，由 8031 单片机构成的通信控制器是机器人的中间级，最高级是管理协调计算机。国内其它的单位清华大学、北京航空航天大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学、长春光学精密机械研究所、中科院沈阳自动化所等在多足步行机器人领域都取得了丰硕成果。中科院沈阳自动化所研制成功水下六足步行机，清华大学开发出了 DTWN框架式双三足移动机器人和五足爬杆机器人。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题六足行走机器人总体结构设计行走结构设计2 拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）（1）根据实际应用情况，做详细的调研，并在此基础上确定合理的方案实现六足行走机器人设计。（2）绘制六足行走机器人行走机构的机构图。（3）制定系统总体设计方案，绘制系统的设计图。（4）对系统进行必要的参数计算。（5）完成对系统的控制设计工作。（6）编写设计说明书3.本论文（设计）预期取得的成果六足行走机器人行走机构的设计方案、设计图，总体设计结构图纸和部分部件图纸，六足行走机器人行走机构的设计说明书。三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；本课题是机械设计的技术项目，因为技术比较成熟，有关的硬件条件已基本具备，所以方案是可行的。参考国内外有关资料，根据拟订的方案完成六足行走机器人行走机构的机构设计，进行调试。机构采用步进电机带动齿轮机构驱动，只需提供电能，就能完成六足行走任务。2.论文（设计）进度计划1-2 周调研、方案论证3周撰写开题报告4-5周方案设计6-8周机器人结构设计9-10 周控制系统设计11-12 周控制系统调试13-14 周完善设计方案，进行技术总结15周准备答辩四、需要阅读的参考文献1 张金柱 , 金振林 , 陈广广 . 六足步行机器人腿部机构运动学分析 J. 农业工程学报 . 2016(09)2张春阳,江先志. 六足机器人步态规划及其静态稳定性研究J. 成组技术与生产现代化. 2016(02)3程乾. 六足机器人行走机构设计与运动仿真研究D. 西南科技大学 2015 4叶俊,吴宏熊,叶晓伟. 基于并联机械腿的六足机器人分析与设计J. 电子技术与软件工程. 2016(22)5陈刚. 六足步行机器人位姿控制及步态规划研究D. 浙江大学 20146胡厦. 六足步行机器人直行关键技术研究D. 浙江大学 2008 7金波,胡厦,俞亚新. 新型六足爬行机器人设计J. 机电工程. 2007(06)8徐小云,颜国正,丁国清,刘华. 六足微型仿生机器人及其控制系统的研究J. 计算机工程. 2002(11)9宋一然,颜国正,徐小云. 基于仿生学原理的六足微型机器人J. 机电一体化. 2005(03) 10徐小云,颜国正,丁国清. 微型六足仿生机器人及其三角步态的研究J. 光学精密工程. 2002(04)11六足机器人控制系统研究与设计D. 哈尔滨理工大学 2012 12潘阳. P-P 结构六足机器人性能设计与控制实验研究D. 上海交通大学 201413Maurizio Ruggiu,Xianwen Kong. Mobility and kinematic analysis of a parallel mechanism with both PPR and planar operation modesJ. Mechanism and Machine Theory . 201214Dan Zhang,Zhen Gao. Forward kinematics, performance analysis, and multi-objective optimization of a bio-inspired parallel manipulatorJ. Robotics and Computer Integrated Manufacturing . 2012 (4)15Zhiying Wang,Xilun Ding,Alberto Rovetta,Alessandro Giusti. Mobility analysis of the typical gait of a radial symmetrical six-legged robotJ. Mechatronics . 2011 (7)附：文献综述或报告文献综述基于文献1为提高机器人对工作环境的适应性及工作的灵活性,设计一种六足步行机器人三自由度腿部机构。该机构由并联驱动机构和行走机构组成,既具有并联机构的特点,又具有很好的防护性。建立驱动机构动平台线速度与角速度之间的关系矩阵和该腿部机构全雅可比矩阵,绘制了全雅可比矩阵条件数分布图,建立了并联驱动机构和腿部行走机构显式 333 形式 Hessian 矩阵。在满足步矩为 300 mm、越障高度为 200 mm 的条件下,利用组合多项式的方法,对该腿部足端进行轨迹规划,并求出了足端轨迹函数。将该轨迹函数作为足端输入,分别绘制了机构驱动关节在摆动相的角速度、角加速度理论曲线和虚拟样机仿真曲线。分析曲线中的数据可得角速度、角加速度的理论与仿真结果相近度均可达到 10-3 mm,从而验证了理论分析的正确性。为六足机器人的开发和控制提供参考。基于文献2确立六足机器人的步态规划成为其行走的关键技术，步态规划直接关系到机器人的行走质量，好的行走步态能保证机器人在行走过程中具有良好的稳定性以及较高的运动效率，反之不仅不能使机器人获得良好的稳定性以及行走品质，而且很有可能导致机器人根本不能行走，经过人们对六足昆虫行走策略的研究，对于六足机器人，根据其在行走过程中支撑足的数目，可将其行走形式分为三角步态、四足步态以及波动步态。 三角步态为六足机器人最常用的步态，其稳定性好、行走效率高。六足机器人在行走过程中，其步长对机器人稳定性具有一定的影响。为保证机器人具有良好的稳定性，机器人行走时应选取适当的步长，本文以六足机器人样机为研究对象，规划了六足机器人横向与纵向直行的三角步态，并结合其步长分析了机器人在采用三角步态直行时的稳定性。基于文献3从以下三方面考虑(1)六足机器人行走机构设计：在对六足生物的典型生理结构特征参数量化分析基础上，进行了六足机器人行走机构设计，以机器人运动灵活性为优化目标对行走机构特征参数进行了优化分析，确定了六足机器人行走机构的较优几何参数。最后，以较优行走机构为基础进行了行走机构关键零部件的强度分析。(2)行走机构运动学和动力学分析：基于 D-H 参数方法构建了六足机器人行走机构的运动学模型，以运动学模型为基础推导了其摆动相和支撑相的运动学方程；基于拉格朗日方法构建了行走机构动力学模型，以动力学模型为基础推导了其摆动相和支撑相的动力学方程。(3)运动规划策略分析：针对行走机构的足端轨迹规划、步态规划和步态稳定性三个典型问题，开展其运动规划策略分析。采用多项式插值方法建立了摆动相和支撑相的基础足端轨迹规划策略，结合行走机构运动学模型，制订了腿部各关节角度规划策略，在此基础上分析了六足机器人在复杂地形环境中行走机构的足端轨迹。分析了六足机器人三足、四足和波动步态三种典型步态，结合六足机器人步态的静态和动态稳定性分析，提出了一种六足机器人在复杂地形环境中自由探寻步态的规划策略。最后，在前述理论分析的基础上，采用商用机械系统动力学仿真软件对六足机器人行走机构直行和转弯与上下阶梯两种典型基础运动模式进行了仿真分析，通过实物样机的直行和转弯与上下阶梯两种运动模式的物理试验，验证本文建立的结构优化设计方法、足端轨迹规划、步态规划以及复杂环境运动规划策略等理论分析方法的正确性和有效性。基于文献4简要介绍并联机械腿与六足机器人的基础上,对机器人整体及机械腿构型进行了分析,并重点阐述了基于并联机械腿的六足机器人的整体设计问题。基于文献5以六足步行机器人位姿控制和步态规划两个方面作为研究切入点,通过深入研究旨在实现六足步行机器人位姿闭环控制,同时对六足步行机器人转弯步态进行深入研究,从而为后续对适于六足步行机器人复杂环境中行走的步态研究奠定基础。其中包括：运动学的研究、位姿解算算法的研究、位姿闭环控制研究、步态规划研究。基于文献6确立了机器人简单的步态模型,从理论上推导了机器人直行时的运动学公式,并通过电机的运动曲线介绍了电机运动的特性和设计方法。在 ADAMS 动力学仿真软件中建立机器人模型,通过仿真结果验证运动学模型并优化机器人的结构参数。重点介绍六足步行机器人样机的制作过程,包括机械设计、总体控制策略设计、电路设计及软件设计四部分。基于文献7用仿哺乳类的腿部结构,并针对这种腿部结构设计六足的行走方式,通过对 12 个步进电机的控制,采用三角步态,实现六足机器人的直行功能。仿真及试验证明,这种结构能较好地维持六足机器人自身的平衡,有助于更深入地研究六足机器人抬腿行走姿态及可行性。基于文献8910根据微型六足仿生机器人的结构与控制系统，分析这种微型六足仿生机器人的移动原理，阐述如何通过计算机来控制微型六足仿生机器人的运动，该机器人基于仿生学原理，结构独特、简单、新颖，能方便地实现前进和后退，其样机外形尺寸为：长 30mm，宽 40mm，高 20mm，重 6.3 克。并对该样机进行了实验，实验结果表明该机器人具有较好的机动性。在分析六足昆虫运动机理的基础
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