燕 山 大 学

本科毕业设计（论文）开题报告

课题名称：六足步行机器人

学院（系）：机械工程学院

年级专业：05级机电1班

学生姓名：

指导教师：

完成日期：20xx年3月3日

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

多足步行机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构, 是模仿多足动物运动形式的特种机器人, 是一种足式移动机构。所谓多足一般指四足及四足其以上, 常见的多足步行机器人包括四足步行机器人、六足步行机器人、八足步行机器人等。[4]

步行机器人历经百年的发展, 取得了长足的进步, 归纳起来主要经历以下几个阶段:

第一阶段, 以机械和液压控制实现运动的机器人。

第二阶段, 以电子计算机技术控制的机器人。

第三阶段, 多功能性和自主性的要求使得机器人技术进入新的发展阶段。[5]

雷静桃等在文献[1]中对美国、日本等机器人研究大国及我国的多足步行机器人研究发展进行了综述,对多足步行机器人急需解决的问题进行了论述,并对未来可能的研究发展方向进行了展望。

刘静等在文献[10]中分析了国内外腿式机器人的研究现状,讨论了腿式机器人在机械结构、稳定性和控制算法方面的现有研究方法,给出了腿式机器人研究存在的问题,展望了腿式机器人的发展方向.

安丽桥等在文献[9]中介绍了一种应用两个电机驱动的六脚足式步行机器人,并对该机器人的运动机理与步态进行了分析,经样机实验,所设计的机器人可实现前进、后退、遇障转弯等功能,具有结构简单,控制便捷,行走稳定的特点。

曾桂英等在文献[2]中提出了一种采用液压驱动的缩放式腿机构的结构设计, 并针对六足行走方式, 完成了液压驱动原理设计及PLC控制设计。

马东兴等在文献[11]中研究了一种背部带关节的新型四足机器人,通过三维建模软件Pro /E和机械系统动力学仿真分析软件ADAMS建立了四足机器人虚拟样机,规划了四足机器人的步态,并且利用ADAMS仿真软件对该四足机器人进行了步态仿真,同时利用单个AT89C52单片机成功实现对四足机器人5个舵机的独立控制以及舵机的速度控制。仿真与实验结果表明四足机器人能够根据设计步态实现直线行走。

王新杰等在文献[7]中建立了一个连续转动式腿机构的四足步行机器人

模型,并规划了该机器人的一种直线爬行步态,利用ADAMS虚拟样机软件对机器人的爬行步态进行了动力学仿真,得到了机器人各个关节相关物理量的变化曲线,分析了四个髋关节的驱动力矩在步行过程中的变化情况。通过仿真,验证了步态规划的合理性,同时为进一步选择电机、分析机器人系统的动态特性提供了依据。

徐轶群等在文献[6]中结合实际, 详细地分析了四足步行机器人的步态和腿机构的运动关系, 并在此基础上给出了四足步行机器人腿部机构和驱动控制方案。

王刚等在文献[3]中详细介绍了一种新型多足仿生机器人步行足的关节结构。新型多足仿生机器人步行足关节采用谐波减速器作为传动部件, 其传动比大、可靠性高、结构紧凑, 特别适合应用于微小型机器人的关节设计中, 在一定程度上解决了以往传动方式传动效率低, 传动比小, 且没有自锁能力等问题。采用新型多足仿生机器人步行足关节完成了3 个自由度的仿生机器人步行足和八足仿生机器人的设计, 验证了关节应用的可行性。

郭鸿勋等在文献[8]中针对一种自主研制的具有全方位运动功能的六足步行机器人原型机,介绍了该机器人的运动功能要求,对比分析了不同腿机构形式和整体布局模式对机器人的影响,确定合理腿机构和布局模式;在理论上描述了机器人机械系统结构原理,验算了整机的运动自由度并描述腿机构静力学极限力的求解规则;结构上详细描述了模块化腿臂融合机构的部件组成、功能特性和传动形式;最后通过实验和数据验证了该机械系统满足机械强度和步行运动功能的要求。

我国步行机器人的发展状况：

中国科学院沈阳自动化所成功研制了水下全方位六足步行机器人LR -

1。清华大学开发了“DT2WM”———框架式双三足步行机器人、五足爬杆机器人。上海交通大学祝捷等人研究的SMA驱动的微型双三足步行机器人等等。但与工业机器人相比,三十多年来步行机器人的研究进展缓慢, 除很少几台投入实际试用外, 大多数研究开发工作基本上没有走出实验室。我国目前尚未有适用于矿井这一非结构环境多足步行机器人的研究。此外, 对多足步行机器人的步态依照机器人结构的不同而各有不同, 比较典型的研究工作有Hirose等对四足步行机器人做了基于对角线原理的步态研究,但这种

步态存在死锁问题, 且不具有全方位性; Pal等应用启发式图形搜索算法保证机器人单条腿的最佳跨步和落地点, 但在步行完一个步态周期后, 要进行姿态调整, 无法实现连续性步行。Jung - Min Yang等对冗余的四足步态进行了研究。赵铁石等对蟹型步行机进行了步态研究, 甘建国等对六足步行机的跟导步态研究等等。[4]

依据仿生学原理综合生物的生理结构特点进行结构设计，四足步行机器人由一个平面连杆机构、髋关节、腿和脚及脚关节组成，这样该机期人机体就有六个自由度，腿上的每一个主动关节都有驱动，为了控制上的方便，同样将机器人的重心与其几何中心设计尽可能重合。[5]

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题

我研究的基本内容是四足步行机器人，对其机械结构及电路控制系统进行设计计算，以及零件的获得。四足步行机器人有利于在野外行走，能越过大的壕沟和台阶并且防止摔倒，加装脚底传感器安装架，可以进行动态步态检测。[12] [13]

四足步行机器人面临许多待解决的问题:

(1) 有些四足步行机器人的体积和重量很大。在实际应用中未必有足够大的空间能够容纳它们或者根本不允许体积较大的机器人出现。从实用化角度出发, 这类多足步行机器人在小型化方面还需要进行更深入的研究和改进。尤其是机械结构、控制系统硬件电路、电源系统、传感器等, 需要寻找体积更小、效率更高的替代品。[15]

(2) 大多数四足步行机器人研究平台的承载能力不强, 从而导致它们没有能力承载视觉设备。而且四足步行机器人的视觉研究也不太成熟, 而视觉正是多足步行机器人实现自主化和智能化的关键之一。要解决这个问题, 首先还需改进现有四足步行机器人的机械机构设计, 使其能够承受更大的负载; 其次是改进视觉图像处理的算法, 增强图像处理的实时性、快速性和准确性。[16]

(3) 步行敏捷性方面。四足步行机器人有很好的地面适应能力, 但在某些地貌, 其行走效率很低,而且在机器人动步态步行方面的研究比较缺乏。这就提出机器人动步行步态规划问题。因此四足步行机器人对地面的适应性和运动的灵活性需要进一步提高。[17]

(4)四足步行机器人的控制方法需要改进。四足步行机器人系统的复杂性使其控制算法复杂化。但有些算法由于其计算量很大, 所以对于机器人的实时控制很难实现甚至不能实现。因此需要简化机器人控制算法, 实现用相对较简单的控制算法获得符合工作要求的控制效果的目标。另外,四足步行机器人现有的控制方法还有待完善和发展。[4][14]

三、研究步骤、方法及措施

首先查阅文献资料，从文献资料中掌握一些关于步行机器人的基本知识，确定研究方案。

然后对研究方案进行机械结构设计，定出各零部件的尺寸形状，进行强度校核，用Autocad制作四足机器人的装配图和零件图。

用Solidworks对每个零件进行设计造型，再将每个零件装配起来，利用仿真模块进行运动仿真模拟。

设计思路：利用仿生学原理综合多种生物的生理构特点来进行结构设计。

四、研究工作进度

第一阶段（2月23号~3月20号），查阅资料和阅读参考文献，了解国内外步行机器人的发展状况，确定研究方案及大体的机械结构。

第二阶段（3月21号~4月1号），对选定方案进行结构设计及运动学分析，计算并选择电机，并对选定方案的成本核算方案及供货周期，包括关键零部件的制造周期及费用，关键外购件的供货商选择、价格及供货期。

第三阶段（4月2号~5月1号），用cad制作四足步行机器人装配图。

第四阶段（5月2号~5月19号），选择机器人其中的典型零件绘制零件图。

第五阶段（5月20号~6月5号），用Solidworks制造实体，并进行仿真模拟。

第六阶段（6月6号~6月19号），制作毕业设计说明书，翻译外文文献。

五、主要参考文献

【1】雷静桃，高峰，崔莹.多足步行机器人的研究现状及展望[D].北京: 北京航空航天大学汽车工程系,200609.

【2】曾桂英，刘少军.六足步行机器人的设计研究.中南大学机电工程学院, 长沙410083

【3】 王刚，孟庆鑫, 陈东良, 季宝锋, 刘德峰.一种新型多足仿生机器人

步行足关节结构研究.哈尔滨工程大学机电工程学院, 哈尔滨150001

【4】 黄俊军，葛世荣，曹为 .多足步行机器人研究状况及展望[D]. 江苏徐州：中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所, 221008.

【5】陈学东.多足步行机器人运动规划与控制[M ].中科技大学出版社 , 2006121.

【6】徐轶群,万隆君.四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制[D].厦门集美大学.200108

【7】王新杰，黄涛，陈鹿明.四足步行机器人爬行步态的计算机仿真[D].郑州.200704

【8】郭鸿勋，陈学东. 六足步行机器人机械系统[D].武汉：华中科技大学.200804

【9】安丽桥，朱磊.六脚足式步行机器人的设计与制作[D].上海：上海交通大学. 200602

【10】刘静，赵晓光，谭民.腿式机器人的研究综述[J].中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室,北京 100080

【11】马东兴，王延华，岳林.新型四足机器人步态仿真与实现[J].南京航空航天大学机电学院，江苏南京，210016.

【12】Wang,Xinjie; Chen,Xuedong; Jia,Wenchuan; Sun,Yi; Pu,Huayan ;Forward Kinematics Analysis and 3-Dimmision Gait Simulation of a MiniQuad Walking Robot[J] .Mechatronics and Automation, 2007. ICMA 2007. International Conference on 5-8 Aug. 2007 Page(s):1932 – 1937

【13】Sun,Yi (School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology); Chen,Xuedong; Yan,Tianhong; Jia,Wenchuan. Modules design of a reconfigurable multi-legged walking robot[J]. Source: 2006 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, ROBIO 2006, 2006 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, ROBIO 2006, 2006, p1444-1449

【14】Menon C, Sitti M. A biomimetic climbing robot based on the gecko [ J ]. Journal ofBionic Engineering. 2006, 3 (3) : 1152125.

【15】Menon C, SittiM. Biologically insp ired adhesion based surface climbing robots[A]. Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation[C]. Barcelona, Spain, 2005: 271522720.

【16】Park S,Lee Y J. Discontinuous zigzag gait p lanning of a quadruped walking robot with a waistjoint[J]. Advanced Robotics,2007, 21 (1) : 14321642.

【17】 P.S. Pa .Design of a modular assembly of four-footed robots with multiple functions.Graduate School of Toy and Game Design[D], National Taipei University of Education, No. 134, Sec. 2, Heping E. Rd., Taipei City 106, Taiwan, ROC

六、指导教师意见

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指导教师签字：

年 月 日

七、系级教学单位审核意见：

审查结果： □ 通过 □ 完善后通过 □ 未通过

负责人签字：

年 月

日

 

第二篇：六足机器人开题报告

黑龙江大学本科生毕业论文（设计）开题计划