六足行走機(jī)器人的設(shè)計(jì)含7張CAD圖,行走,機(jī)器人,設(shè)計(jì),cad 一、選題依據(jù) 1.論文（設(shè)計(jì)）題目 六足行走機(jī)器人設(shè)計(jì) 2. 研究領(lǐng)域 機(jī)械電子工程---機(jī)器人設(shè)計(jì) 3.論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 在自然界以及人類社會(huì)中存在人類無法到達(dá)的地方以及危及人類生命的特殊場合。如行星表面、防災(zāi)救援等等，對這些危險(xiǎn)環(huán)境進(jìn)行不斷地探索研究，尋求一條解決問題的可行途徑成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人類社會(huì)進(jìn)步的需要。地形不規(guī)則以及崎嶇不平是這些環(huán)境的共同特點(diǎn)，從而使輪式或履帶式機(jī)器人的應(yīng)用受限。以往的研究表明輪式移動(dòng)方式在相對平坦的地形上行駛時(shí)，具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢：運(yùn)動(dòng)速度迅速、平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)和控制也較簡單，但在不平地面上行駛時(shí)，能耗將大幅度增加，而在松軟地面或嚴(yán)重崎嶇不平的地形上，車輪的作用也將嚴(yán)重喪失使移動(dòng)效率降低。為了改善輪子對松軟地面和不平地面的適應(yīng)能力，履帶式移動(dòng)方式應(yīng)運(yùn)而生但履帶式機(jī)器人在不平地面上的機(jī)動(dòng)性仍然很差而且行駛時(shí)機(jī)身晃動(dòng)嚴(yán)重。與輪式、履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比在崎嶇不平的路面步行機(jī)器人具有獨(dú)特優(yōu)越性能，因此，在這種背景下行走機(jī)器人的研究蓬勃發(fā)展起來。而仿生步行機(jī)器人的出現(xiàn)更加顯示出步行機(jī)器人的優(yōu)勢。 多足行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列離散的足印，運(yùn)動(dòng)時(shí)只需要離散的點(diǎn)接觸，因此對地面環(huán)境的破壞程度也較小，而且可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)對崎嶇地形有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。因此多足行走機(jī)器人對環(huán)境的破壞程度也較小。輪式和履帶式機(jī)器人則是一條條連續(xù)的轍跡。崎嶇地形中往往含有巖石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障礙物，可以穩(wěn)定支撐機(jī)器人的連續(xù)路徑非常有限,所以此時(shí)輪帶式和履帶式機(jī)器人在這種情況下并不太實(shí)用。多足行走機(jī)器人的腿通常是多自由度的，所以靈活度也較好。它可以通過調(diào)節(jié)腿的長度和伸展程度保持身體水平和調(diào)整重心的位置因此不易翻倒有相對高的穩(wěn)定性。當(dāng)然多足步行機(jī)器人也存在一些不足之處。比如為使腿部協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到控制系統(tǒng)算法都比較復(fù)雜，仿生多足步行機(jī)器人在機(jī)動(dòng)性方面和自然界的節(jié)肢動(dòng)物相比還有很大的差距。 4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢 最早的多足步行機(jī)器人可以追溯到中國三國時(shí)期的水牛流馬，國外據(jù)記載最早是 1893 年 Rygg 設(shè)計(jì)的機(jī)械馬。之后多足步行機(jī)器人經(jīng)過近百年的發(fā)展，取得了極大的進(jìn)步，尤其是隨著當(dāng)今電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多足步行機(jī)器人不再是過去的純機(jī)械階段而是進(jìn)入到了如今的機(jī)電控制階段。進(jìn)入八十年代，步行機(jī)器人的發(fā)展更是日新月異，這里簡單介紹近年來比較典型的幾種多足步行機(jī)器人。 1983 年，Odetics 公司生產(chǎn)出第一代“OdexI”型六足步行機(jī)器人，如圖 1.1 所 示。該機(jī)器人的電子驅(qū)動(dòng)裝置使用大功率場效應(yīng)管的開關(guān)型放大器，用直流電動(dòng)機(jī)作驅(qū)動(dòng)元件。控制系統(tǒng)分級(jí)安排。最低級(jí)的 6 個(gè)寬帶寬處理機(jī)用于處理腿驅(qū)動(dòng)裝置的數(shù)字式伺服回路的數(shù)據(jù)以及腳和腿部觸覺傳感系統(tǒng)的快速反射式反應(yīng)數(shù)據(jù)；中間級(jí)有一個(gè)處理機(jī)，管理 6 個(gè)低級(jí)處理機(jī)和最高一級(jí)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流的分配；最高級(jí)包括若干個(gè)處理機(jī)，處理實(shí)際的行走算法、垂直基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集、通信和系統(tǒng)診斷等計(jì)算和控制任務(wù)。 1986 年，Miura 和 Shimoyama 等研制出“Collie-2”四足步行機(jī)器人，如圖 1.2 所示。用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用 RMS68K 和 MC68020 芯片操作系統(tǒng)控制，機(jī)器人的每一個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)電位器。 圖 1.1 六足機(jī)器人“Odex I” 圖 1.2 東京大學(xué)的四足機(jī)器人“Collie-2” 2002 年,印度研制的六足行走機(jī)器人“舞王”，如圖 1.3 所示。該機(jī)器人用 18 臺(tái)電子發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)每條腿轉(zhuǎn)動(dòng)，基座上裝有電腦用于控制和監(jiān)視，另外用一臺(tái)無線臺(tái)式電腦用來遙控，它是印度技術(shù)研究院的科學(xué)家門 8 年心血的結(jié)晶。 圖 1.3 印度六足行走式機(jī)器人“舞王” 在我國，近年來多足步行機(jī)器人的研究也取得了很大的進(jìn)展。 1993 年，由上海交通大學(xué)研制的 JTUWM-III 型四足步行機(jī)器人。采用 4 分布式控制系統(tǒng)。以 8098 單片機(jī)為核心的直流伺服系統(tǒng)是機(jī)器人的直接控制級(jí)，由 8031 單片機(jī)構(gòu)成的通信控制器是機(jī)器人的中間級(jí)，最高級(jí)是管理協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)。 國內(nèi)其它的單位清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、長春光學(xué)精密機(jī)械研究所、中科院沈陽自動(dòng)化所等在多足步行機(jī)器人領(lǐng)域都取得了豐碩成果。中科院沈陽自動(dòng)化所研制成功水下六足步行機(jī)，清華大學(xué)開發(fā)出了 DTWN 框架式雙三足移動(dòng)機(jī)器人和五足爬桿機(jī)器人。 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1.重點(diǎn)解決的問題 六足行走機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路） （1）根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，做詳細(xì)的調(diào)研，并在此基礎(chǔ)上確定合理的方案實(shí)現(xiàn)六足行走機(jī)器人設(shè)計(jì)。 （2）繪制六足行走機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)圖。 （3）制定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，繪制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖。 （4）對系統(tǒng)進(jìn)行必要的參數(shù)計(jì)算。 （5）完成對系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)工作。 （6）編寫設(shè)計(jì)說明書 3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果 六足行走機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)圖， 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖紙和部分部件圖紙， 六足行走機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)說明書。 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）； 本課題是機(jī)械設(shè)計(jì)的技術(shù)項(xiàng)目，因?yàn)榧夹g(shù)比較成熟，有關(guān)的硬件條件已基本具備， 所以方案是可行的。 參考國內(nèi)外有關(guān)資料，根據(jù)擬訂的方案完成六足行走機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)， 進(jìn)行調(diào)試。 機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，只需提供電能，就能完成六足行走任務(wù)。 2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃 1-2 周 調(diào)研、方案論證 3 周 撰寫開題報(bào)告 4-5 周 方案設(shè)計(jì) 6-8 周 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9-10 周 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11-12 周 控制系統(tǒng)調(diào)試 13-14 周 完善設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行技術(shù)總結(jié) 15 周 準(zhǔn)備答辯 四、需要閱讀的參考文獻(xiàn) [1] 張金柱, 金振林, 陳廣廣. 六足步行機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào). 2016(09) [2]張春陽,江先志. 六足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及其靜態(tài)穩(wěn)定性研究[J]. 成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化. 2016(02) [3]程乾. 六足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真研究[D]. 西南科技大學(xué) 2015 [4]葉俊,吳宏熊,葉曉偉. 基于并聯(lián)機(jī)械腿的六足機(jī)器人分析與設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程. 2016(22) [5]陳剛. 六足步行機(jī)器人位姿控制及步態(tài)規(guī)劃研究[D]. 浙江大學(xué) 2014 [6]胡廈. 六足步行機(jī)器人直行關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 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Mechatronics . 2011 (7) 附：文獻(xiàn)綜述或報(bào)告 文獻(xiàn)綜述 基于文獻(xiàn)[1]為提高機(jī)器人對工作環(huán)境的適應(yīng)性及工作的靈活性,設(shè)計(jì)一種六足步行機(jī)器人三自由度腿部機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由并聯(lián)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)組成,既具有并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),又具有很好的防護(hù)性。建立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)線速度與角速度之間的關(guān)系矩陣和該腿部機(jī)構(gòu)全雅可比矩陣,繪制了全雅可比矩陣條件數(shù)分布圖,建立了并聯(lián)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和腿部行走機(jī)構(gòu)顯式 3×3×3 形式 Hessian 矩陣。在滿足步矩為 300 mm、越障高度為 200 mm 的條件下,利用組合多項(xiàng)式的方法,對該腿部足端進(jìn)行軌跡規(guī)劃,并求出了足端軌跡函數(shù)。將該軌跡函數(shù)作為足端輸入,分別繪制了機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)在擺動(dòng)相的角速度、角加速度理論曲線和虛擬樣機(jī)仿真曲線。分析曲線中的數(shù)據(jù)可得角速度、角加速度的理論與仿真結(jié)果相近度均可達(dá)到 10-3 mm,從而驗(yàn)證了理論分析的正確性。為六足機(jī)器人的開發(fā)和控制提供參考。 基于文獻(xiàn)[2]確立六足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃成為其行走的關(guān)鍵技術(shù)，步態(tài)規(guī)劃直接關(guān)系到機(jī)器人的行走質(zhì)量，好的行走步態(tài)能保證機(jī)器人在行走過程中具有良好的穩(wěn)定性以及較高的運(yùn)動(dòng)效率，反之不僅不能使機(jī)器人獲得良好的穩(wěn)定性以及行走品質(zhì)，而且很有可能導(dǎo)致機(jī)器人根本不能行走，經(jīng)過人們對六足昆蟲行走策略的研究，對于六足機(jī)器人，根據(jù)其在行走過程中支撐足的數(shù)目，可將其行走形式分為三角步態(tài)、四足步態(tài)以及波動(dòng)步態(tài)。 三角步態(tài)為六足機(jī)器人最常用的步態(tài)，其穩(wěn)定性好、行走效率高。六足機(jī)器人在行走過程中，其步長對機(jī)器人穩(wěn)定性具有一定的影響。為保證機(jī)器人具有良好的穩(wěn)定性，機(jī)器人行走時(shí)應(yīng)選取適當(dāng)?shù)牟介L，本文以六足機(jī)器人樣機(jī)為研究對象，規(guī)劃了六足機(jī)器人橫向與縱向直行的三角步態(tài)，并結(jié)合其步長分析了機(jī)器人在采用三角步態(tài)直行時(shí)的穩(wěn)定性。 基于文獻(xiàn)[3]從以下三方面考慮(1)六足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：在對六足生物的典型生理結(jié)構(gòu)特征參數(shù)量化分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行了六足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，以機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性為優(yōu)化目標(biāo)對行走機(jī)構(gòu)特征參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，確定了六足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的較優(yōu)幾何參數(shù)。最后，以較優(yōu)行走機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行了行走機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度分析。(2)行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析：基于 D-H 參數(shù)方法構(gòu)建了六足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，以運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為基礎(chǔ)推導(dǎo)了其擺動(dòng)相和支撐相的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；基于拉格朗日方法構(gòu)建了行走機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，以動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)推導(dǎo)了其擺動(dòng)相和支撐相的動(dòng)力學(xué)方程。(3)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃策略分析：針對行走機(jī)構(gòu)的足端軌跡規(guī)劃、步態(tài)規(guī)劃和步態(tài)穩(wěn)定性三個(gè)典型問題，開展其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃策略分析。采用多項(xiàng)式插值方法建立了擺動(dòng)相和支撐相的基礎(chǔ)足端軌跡規(guī)劃策略，結(jié)合行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，制訂了腿部各關(guān)節(jié)角度規(guī)劃策略，在此基礎(chǔ)上分析了六足機(jī)器人在復(fù)雜地形環(huán)境中行走機(jī)構(gòu)的足端軌跡。分析了六足機(jī)器人三足、四足和波動(dòng)步態(tài)三種典型步態(tài)，結(jié)合六足機(jī)器人步態(tài)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析，提出了一種六足機(jī)器人在復(fù)雜地形環(huán)境中自由探尋步態(tài)的規(guī)劃策略。最后，在前述理論分析的基礎(chǔ)上，采用商用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件對六足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)直行和轉(zhuǎn)彎與上下階梯兩種典型基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行了仿真分析，通過實(shí)物樣機(jī)的直行和轉(zhuǎn)彎與上下階梯兩種運(yùn)動(dòng)模式的物理試驗(yàn)，驗(yàn)證本文建立的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、足端軌跡規(guī)劃、步態(tài)規(guī)劃以及復(fù)雜環(huán)境運(yùn)動(dòng)規(guī)劃策略等理論分析方法的正確性和有效性。 基于文獻(xiàn)[4]簡要介紹并聯(lián)機(jī)械腿與六足機(jī)器人的基礎(chǔ)上,對機(jī)器人整體及機(jī)械腿構(gòu)型進(jìn)行了分析,并重點(diǎn)闡述了基于并聯(lián)機(jī)械腿的六足機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)問題。 基于文獻(xiàn)[5]以六足步行機(jī)器人位姿控制和步態(tài)規(guī)劃兩個(gè)方面作為研究切入點(diǎn), 通過深入研究旨在實(shí)現(xiàn)六足步行機(jī)器人位姿閉環(huán)控制,同時(shí)對六足步行機(jī)器人轉(zhuǎn)彎步態(tài)進(jìn)行深入研究,從而為后續(xù)對適于六足步行機(jī)器人復(fù)雜環(huán)境中行走的步態(tài)研究奠定基礎(chǔ)。其中包括：運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究、位姿解算算法的研究、位姿閉環(huán)控制研究、步態(tài)規(guī)劃研究。 基于文獻(xiàn)[6]確立了機(jī)器人簡單的步態(tài)模型,從理論上推導(dǎo)了機(jī)器人直行時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式,并通過電機(jī)的運(yùn)動(dòng)曲線介紹了電機(jī)運(yùn)動(dòng)的特性和設(shè)計(jì)方法。在 ADAMS 動(dòng)力學(xué)仿真軟件中建立機(jī)器人模型,通過仿真結(jié)果驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并優(yōu)化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)。重點(diǎn)介紹六足步行機(jī)器人樣機(jī)的制作過程,包括機(jī)械設(shè)計(jì)、總體控制策略設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)四部分。 基于文獻(xiàn)[7]用仿哺乳類的腿部結(jié)構(gòu),并針對這種腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)六足的行走方式, 通過對 12 個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制,采用三角步態(tài),實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人的直行功能。仿真及試驗(yàn)證明,這種結(jié)構(gòu)能較好地維持六足機(jī)器人自身的平衡,有助于更深入地研究六足機(jī)器人抬腿行走姿態(tài)及可行性。 基于文獻(xiàn)[8][9][10]根據(jù)微型六足仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)，分析這種微型六足仿生機(jī)器人的移動(dòng)原理，闡述如何通過計(jì)算機(jī)來控制微型六足仿生機(jī)器人的運(yùn) 動(dòng)，該機(jī)器人基于仿生學(xué)原理，結(jié)構(gòu)獨(dú)特、簡單、新穎，能方便地實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和后退， 其樣機(jī)外形尺寸為：長 30mm，寬 40mm，高 20mm，重 6.3 克。并對該樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)器人具有較好的機(jī)動(dòng)性。在分析六足昆蟲運(yùn)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上 ,采用平面四連桿機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)、皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、微型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和 PC 機(jī)控制方案。 基于文獻(xiàn)[9]介紹一種新的六足微型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制,分析機(jī)器人的移動(dòng)的 原理。該機(jī)器人基于仿生學(xué)的原理,它的結(jié)構(gòu)簡單,設(shè)計(jì)獨(dú)特,能前進(jìn)和后退?；诜律鷮W(xué)原理 ,在分析六足昆蟲運(yùn)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上 ,采用平面四連桿機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)、皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、微型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和 PC 機(jī)控制方案 ,研制成一種新型“微型六足仿生機(jī)器人” ,其樣機(jī)外形尺寸為 :長 30mm ,寬 4 0mm ,高 2 0mm ,重 6 .3g。討論了該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)并分析了其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性 ,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)器人具有較好的機(jī)動(dòng)性。 基于文獻(xiàn)[11]l 利用 CPG 仿生算法來解決六足機(jī)器人多步態(tài)行走時(shí)的多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)問題，利用 CPG 之間的耦合關(guān)系實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的不同步態(tài)形式，提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性 基于文獻(xiàn)[12]介紹一種采用 Parallel-Parallel（PP）結(jié)構(gòu)的新型六足機(jī)器人， 它的特點(diǎn)在于每條腿均采用了三支鏈并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從而大大提高了單腿的承載、剛度和精度。此外當(dāng)機(jī)器人機(jī)身進(jìn)行相關(guān)作業(yè)時(shí)，它的六條腿均要著地，從而機(jī)身、六條腿和地面之間也可以被看成是一個(gè)更大的并聯(lián)系統(tǒng)。故而可以稱該機(jī)器人為 PP 結(jié)構(gòu)的六足機(jī)器人。本文針對該六足機(jī)器人從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能分析、控制方法和容錯(cuò)性能等四個(gè)方面做研究，同時(shí)也對機(jī)器人真實(shí)樣機(jī)做了大量的實(shí)驗(yàn)。 指導(dǎo)教師評閱意見（對選題情況、研究內(nèi)容、工作安排、文獻(xiàn)綜述等方面進(jìn)行評閱） 審 核意 教研室主任意見 見  簽字： 年 月 日 簽字： 年 月 日 學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)意見 簽字： 年 月 日公章：