輪腿機器人開題報告書

-.z.工業(yè)大學碩士學位論文開題報告論文題目六輪腿移動機器人的仿生機構(gòu)研究2013年12月2日1.課題的研究背景及意義移動機器人是一種能夠通過、外傳感器反應(yīng)信息感知環(huán)境及自身狀態(tài),實現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中自主運動,從而完成一定功能或任務(wù)的機器人系統(tǒng)[1]。目前已廣泛運用于野外考察、地震救災(zāi)、環(huán)境檢測、娛樂生活等諸多行業(yè)，在平安、軍事、生活以及科學研究中扮演著越來越重要角色。其中輪式機器人構(gòu)造簡單，容易實現(xiàn)，具有移動速度快、轉(zhuǎn)向性能好、行走效率高等特點。但同時適應(yīng)地形和避障的能力差。足式機器人對地形的適應(yīng)能力較好，可以跨越障礙物、臺階等，但運動間歇大，速度慢。隨著移動機器人的不斷開發(fā)和應(yīng)用圍的擴展，未來會在更多復(fù)雜且未知的環(huán)境中工作。僅僅依靠輪式或者足式的移動機器人已無法完全適應(yīng)工作環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性了。為了配合對移動機器人性能要求的逐漸提高，相繼問世了許多混合式的移動機構(gòu)，其中輪腿式移動機器人就融合了輪式移動機器人和腿式移動機器人的特點。既可以保證在平坦地面的移動效率又具有了良好的跨越障礙的能力[2]。但當輪腿式移動機器人采用足式的方式行走時目前在技術(shù)上還存在許多困難，然而在自然界中存在的多足昆蟲則可以通過它們長期進化得到的復(fù)雜且精妙的肢體構(gòu)造和靈活的的運動方式，容易地通過了各種復(fù)雜的自然地形，甚至能在光滑的外表上倒立行走。因此，將多足昆蟲的行為學研究成果，融入到移動機器人的構(gòu)造設(shè)計與控制中，開發(fā)具有卓越移動能力的輪腿式仿生移動機器人，對于足式移動機器人和輪腿式移動機器人技術(shù)的研究與應(yīng)用都具有重要的理論和現(xiàn)實意義[3]。本文從仿生的角度出發(fā)，對輪腿機器人進展構(gòu)造設(shè)計，使其可以在跨越障礙物、溝壑、樓梯等不規(guī)則地形保持機體平穩(wěn)和運動的效率。主要的問題在于解決腿部構(gòu)造，使其可以獲得更好的穩(wěn)定性和更低的能量消耗。結(jié)合輪式和足式的優(yōu)點，根據(jù)不同的環(huán)境變換輪式運動和足式運動兩種運動方式，到達良好的運動靈活性和較高的移動速度的統(tǒng)一，提供良好的應(yīng)用平臺。為了能夠保持機器人的穩(wěn)定移動，這就要求機器人足數(shù)越多越好。當機器人在選擇腿式不行和輪子轉(zhuǎn)動時需要進展輪腿的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換的過程中，腿部需要上抬，其余的腿用來保持平衡，這樣就需要至少四條腿，否則無法在轉(zhuǎn)換過程中保持身體的平衡。隨著足數(shù)的增加，其穩(wěn)定程度會增加，但七足以上就會根本到達飽和。因此本課題選擇六輪腿仿生機器人作為研究的對象，既具有冗余的腿部構(gòu)造保持穩(wěn)定，同時又不會造成腿部的浪費。對地形的適應(yīng)能力比擬強，能夠在復(fù)雜的地表高效行走，即使失去假設(shè)干肢體也依然可以執(zhí)行任務(wù)，因此比擬適合進展野外偵查、水下搜索以及太空探測等對機器人的可靠性、自主性要求較高的工作。并參考仿生學的成果，對六足昆蟲的腿部進展研究。分析了腿部構(gòu)造和功能特點，以此為根底設(shè)計完成了六足仿生機器人的單腿構(gòu)造2.六輪腿機器人研究現(xiàn)狀及趨勢輪腿式機器人作為移動機器人的一局部，兼具了輪子和腿的功能，具有優(yōu)良的越障能力和機動性能，簡單的構(gòu)造形式以及移動中的高效性和平穩(wěn)性。在平整的地形可以運用輪子構(gòu)造前行，在非平整地形環(huán)境可以采用足式或輪腿復(fù)合式前進。具有速度高、能耗低、地形適應(yīng)性強的特點。近幾十年來，輪腿式移動機器人技術(shù)得到了很快的開展，并有許多成功的案例。輪腿式移動機器人多用在搶險、排爆、污染源檢測測、外星探測等領(lǐng)域[4]2.1國外的開展現(xiàn)狀美國噴氣與推進實驗室〔JPL〕研制了1997年被人類送上火星的第一臺探測車sojourner〔如圖2.1〕，Sojourner是一輛微型自主式機器人車輛，采用六輪搖臂懸吊式構(gòu)造,即有6個獨立懸掛的驅(qū)動輪,傳動比為2000:1，本機器人是真正意義上的六輪腿式移動機器人。以及后來的火星探測車漫游者〔marsrover〕機器人〔如圖2.2〕，該款機器人擁有最先進的機動性，其六輪腿式構(gòu)造是目前最先進的,具有強大的越障能力。原地360o的轉(zhuǎn)彎能力及伸縮性，除了其先進的機動性能，探路者機器人上安裝了包括Pancam(立體攝像頭)、Mini-TES(紅外分光儀)、顯微鏡、Mossbauer(分光儀，用來測定巖石成分)、AP*S(ALPHA射線)系統(tǒng)、RAT(RockAbrasionTool)系統(tǒng)等各種先進的儀器來探測環(huán)境，觀察并分析巖石和土壤。用來探測火星上是否有生命，以及有沒有生命的遺跡、火星上的地質(zhì)和氣候環(huán)境。圖2.2圖2.2marsrover探測車圖2.1sojourner探測車美國全地形六足星際探測器“運發(fā)動〞(ATHLETE)同樣也是由美國宇航局噴氣與推進實驗室〔JPL〕研制的〔如圖2.3〕，Athlete高13英尺(3.96米)，重357石(2268公斤)，它可攜帶超過2285石(1.45萬公斤)有效載荷，但它比通常的行星探索車輕25%。其最快行進速度能到達10ｍ/ｓ，最大爬坡能力為50度硬質(zhì)土地，25圖圖2.3美國全地形六足星際探測器ATHLETE為了減輕重量他將工具安裝在了腿上，當輪子抬起來的時候，可以安裝、拆卸工具，比方鉗子和電鉆等〔如圖2.4〕。ATHLETE可以通過遠程控制實現(xiàn)行走，甚至的跳躍和舞蹈。該機器人擁有6條關(guān)節(jié)型腿，腿上安有輪子，因此即便在凸凹不平的地形上，它也能行動自如。同時ATHLETE機器人的六個負重輪擁有極大的靈活性，可在各種復(fù)雜的地形下前進。在遇到障礙時，可以通過抬腿越過障礙。每條腿都有安裝有置的攝像頭，攝像頭拍攝到的視頻信息經(jīng)過整合處理，可以同時顯示在一個顯示器上，為控制人員展示機器人周邊的3D影像[5]。圖圖2.4輪子抬起來，這樣鏟子(左)和鉆頭(右)就能安裝在機器人的腿上工業(yè)大學研制的兩款輪腿式移動機器人HIT-HYBTOR[6]和HITAN-I[7](如圖2.5)它們的移動系統(tǒng)都由四套輪腿混合式移動機構(gòu)組成,每套移動機構(gòu)四個自由度，車輪獨立驅(qū)動,腿關(guān)節(jié)三個自由度，可實現(xiàn)輪式或腿式移動。輪式移動時，腿上各關(guān)節(jié)鎖定,由車輪獨立驅(qū)動。腿式移動時，當前進時制動器鎖止足底輪。腿部驅(qū)動選用蝸輪蝸桿機構(gòu)，這種設(shè)計可以將電機藏于腿的肢體，構(gòu)造更加緊湊。是一個可以直行、原地轉(zhuǎn)向、樓梯爬越、足底輪滾進的復(fù)合運動的輪腿機器人[8]。HITAN-I四條腿末端的車輪都可獨立驅(qū)動,這種設(shè)計可以保證移動機構(gòu)具有更好的環(huán)境適應(yīng)性，但電機數(shù)量的增多使機構(gòu)負載提高,控制難度加大。圖圖2.5HIT-HYBTOR和HITAN-I由日本研制的Roller-Walker[9][10]〔圖2.6〕也是一種四足輪-腿混合式移動機器人，和所有其它成果不同的是，安裝在四條腿末端的車輪均為被動輪，不能獨立驅(qū)動。它的運動原理類似于溜旱冰，依靠腿部驅(qū)動產(chǎn)生的推力實現(xiàn)輪式移動，它構(gòu)造設(shè)計上的另一個獨特之處在于車輪可轉(zhuǎn)過90o，當平臺以步行方式移動時，可為腿式移動的“腳〞，這種機構(gòu)的優(yōu)點在于充分挖掘了車輪的性能,松軟工作環(huán)境下可在一定程度上減小對地壓強。圖2.6圖2.6Roller-Walker及輪式和足式姿態(tài)2.2現(xiàn)有輪腿移動機器人構(gòu)造分類對于現(xiàn)有輪腿式移動機構(gòu)來說,雖然功能上非常相近,但是構(gòu)造上千差萬別,綜合它們的構(gòu)造特點大體可以劃分為兩類：第一類從構(gòu)造上來看就是將輪子安裝在腿部的末端，使輪和腿形成串聯(lián)構(gòu)造，以輪作腳。這是輪腿混合式機構(gòu)系統(tǒng)中比擬常見的一種。是目前研究成果較多的一類。大多情況下輪和腿各自保持獨立驅(qū)動，這種特點保證了它們功能上既能夠以單一方式移動，這時就相當于純粹的輪式或腿式移動。又可以兩種移動機構(gòu)同時發(fā)揮作用，以混合方式移動?？梢钥闯?，這種系統(tǒng)實際上只是兩種移動方式功能上的簡單組合。構(gòu)造上兩種子機構(gòu)具有明顯的獨立性和完整性。上述幾種都屬于等都屬于這一類[11]。第二類從構(gòu)造上來看輪和腿完全別離，移動中兩者或同時發(fā)揮作用以混合式移動，或采用單一方式移動。和第一類相比構(gòu)造上更加簡單，控制更容易。3本課題的主要容和研究目標本課題的研究目標是完成一個六輪腿仿生移動機器人的機構(gòu)設(shè)計，并從仿生機制、構(gòu)型設(shè)計、建模仿真等方面進展深入的研究，主要容如下。3.1六輪腿機器人的腿部機構(gòu)設(shè)計我們所設(shè)計的機器人采用四自由度的關(guān)節(jié)式腿機構(gòu)，每條腿都是一個平面連桿機構(gòu)，由四段構(gòu)造組成：髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)和小腿。為了縮小擺腿時的轉(zhuǎn)動慣量，使機器人運行盡可能平穩(wěn)。應(yīng)盡量將電機、減速器等裝置安裝在機體上。因此我們把髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機及減速安裝在機體上。其余裝置安裝在構(gòu)造之間的關(guān)節(jié)上。六條腿均安裝有輪子，每個輪子配有一個獨立的電機控制轉(zhuǎn)動。即每條腿共有四個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。當機器人從足式轉(zhuǎn)換成輪式構(gòu)造時，調(diào)整大腿和膝關(guān)節(jié)之間角度以及膝關(guān)節(jié)和小腿之間的角度，完成輪子的抬起和落下?！?〕六輪腿機器人的機體設(shè)計機體的設(shè)計首先要考慮兩個因素：一是防止腿部之間發(fā)生碰撞，擴大腿部的活動圍；二是增加機體的穩(wěn)定性。又由于機體是一個支持的平臺，平臺上需要安裝控制器、電源模塊、關(guān)節(jié)驅(qū)動電機、減速器等部件，其長度和寬度又必須滿足這些部件的安裝需要。同時，因該機器人六條腿與機體相連，還需要考慮整體布局和安裝定位。基于對多足昆蟲的仿生分析，選擇橢圓形的機體形式[12][13]。在選材既要考慮機體的高強度，也要注意減少機器人的整體重量。4.本課題采用的研究方法〔1〕.建立模型：在solidworks中建立六輪腿機器人的單腿模型?！?〕進展構(gòu)造優(yōu)化：通過Matlab比照其不同構(gòu)造比例情況下的工作空間、靈活度和能耗。腿部長度及各局部尺寸進展優(yōu)化?！?〕準確仿真：在Admas中導(dǎo)入機構(gòu)，對其進展仿真，選取適宜電機。5.本課題研究的主要難點〔1〕機器人整體構(gòu)造尺寸優(yōu)化過程中，對于空間體積求解存在誤差，無法得到最優(yōu)方案?！?〕末端慣性過大，對電機的要求高，容易出現(xiàn)剛性差的現(xiàn)象，引起機器人整體穩(wěn)定性差。6.本課題研究進度安排2013.9-2012.11:閱讀相關(guān)文獻，對課題中的關(guān)鍵技術(shù)進展研究，確定各階段具體方法。2013.12-2014.1:提出腿部構(gòu)造方案，對其進展優(yōu)化。2014.2-2014.4:確定方案，進展仿真，選取適宜的電機和減速器等，繪出三維及二維圖紙。2014.5-2014.7:制作單腿的實體，對其進展各項測試和修改。2014.8-2014.9:完成六條腿的制作及機體的設(shè)計和制作2014.10-2015.1:開場組織材料，撰寫課題論文。參考文獻[1]王海彬,黃永生,丹霖.國外地面軍用機器人系統(tǒng)綜述.汽車運用,2005,11:18-20.[2]甫.六足仿生機器人的研制及其運動規(guī)劃研究.工業(yè)大學碩士論文.2009[3]立杰.新型復(fù)合式仿生輪-腿機構(gòu)運動學及動力學研究.國防科技大學博士論文.2008[4]YasuhisaHirata,ZhidongWang,KentaFukayaandKazuhiroKosuge.TransportinganObjectbyaPassiveMobotwithServoBrakesinCooperationwithaHuman.AdvancedRobotics23(2009)387~404.[5]Parusha,Pulsifer.UnderstandingthroughStructure:TheChallengesofInfor-mationandNavigationArchitectureinCybercartography[J].Cartographica,2006，41(1)：21-34[6]WangPengfei,HuangBo,SunLining.WalkingResearchonMulti-motionModeQuad-rupedBionicRobotBasedonMovingZMP.Proc.oftheIEEEInt.Conf.onMechatronics&AutomationNiagaraFalls,Canada,July29-Aug.1,2005.1935~194.[7]KenjiH,TakuyaH,YusukeS,etal.RealizationbyBipedLeg-wheeledRobotofBipedWalkingandWheel-drivingLootion.Proc.ofthe2005IEEEInt.Conf.onRoboticsandAutomation,Barcelona,Spain,May2006.2970~297.[8]黃博,王鵬飛,立寧.復(fù)合運動模式四足機器人機構(gòu)設(shè)計及分析.機械設(shè)計與研究.2006,10.22-5.[9]EndoG,HiroseS.StudyonRoller-Walker(multi-modesteeringcontrolandself-containedlootion).Proc.oftheICRA'00.IEEEInt.Conf.onRoboticsandAuto-mation,2000(3):2808~2814.[10]HiroseS,TakeuchiH.Studyonroller-walk(basiccharacteristicsanditscont-rol)[C]//ProceedingsofIEEEInternationalConference