畢設(shè)開題報告 并聯(lián)腿步行機器人四足兩足轉(zhuǎn)化裝置設(shè)計

1、燕 山 大 學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告課題名稱： 并聯(lián)腿步行機器人四足/兩足 轉(zhuǎn)化裝置設(shè)計 學院（系）： 年級專業(yè)： 學生姓名： 指導教師： 完成日期： 一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義1、步行機器人的發(fā)展狀況步行機器人，是一種智能型機器人，它是涉及到生物科學、仿生學、機構(gòu)學、傳感技術(shù)及信息處理技術(shù)等的一門綜合性高科技【9】。步行機器人與輪式機器人相比較，其最大的優(yōu)點就是步行機器人對行走路面的要求很低。它可以跨越障礙物，走過沙地、沼澤等特殊路面1。我國對于步行機器人的研究起步較晚，從2O世紀8O年代開始研究，到目前已經(jīng)取得了一系列的成果。1980年，中國科學院長春光學精密

2、機械研究所采用平行四邊形和凸輪機構(gòu)研制出一臺八足螃蟹式步行機器人，做了越障、爬坡和通過沼澤地的試驗 。1989年，北京航空航天大學在張啟先教授的指導下 ，孫漢旭博士進行了剛足步行機的研究，試制成功一臺四足步行機，并進行了步行實驗 ；錢晉武博士研究地壁兩用六足步行機器人，進行了步態(tài)和運動學方面的研究。1990年，中國科學院沈陽自動化研究所研制出全方位六足步行機 ，不僅能在平地步行，還能上樓梯。2000年，上海交通大學馬培蓀等對第一代形狀記憶合金SMA驅(qū)動的微型六足機器人進行改進，開發(fā)出具有全方位運動能力的微型雙三足步行機器人MDTWR【9】。助殘步行機器人的研究成為機器人研究開發(fā)領(lǐng)域的一個新熱點

3、，并取得了較大的進展。目前，日本在兩足機器人研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。豐田公司于2004年底推出了一系列“伙伴機器人”，其中包括一臺可搭乘人的兩足機器人i-Foot。該機器人重200kg，可載人60kg。它的最終目的是在有人乘坐的情況下，實現(xiàn)包括上下樓梯在內(nèi)的靈活運動。日本東北大學中野榮二教授等2005年開發(fā)出供高齡人、殘疾人等步行困難者使用的步行機器人ChaffBe。該步行機器人具有高的機動性和在不平地面步行的穩(wěn)定性，可自如地上下臺階。韓國科學技術(shù)高級研究所開發(fā)出一臺HuboFX-1椅子機器人。它是一個帶有腿的椅子，可以承載重達100kg的人【1】。2、并聯(lián)機器人的發(fā)展狀況并聯(lián)機器人的產(chǎn)生可

4、追溯到十九世紀初。1813年，法國學者Canchy曾研究過并聯(lián)機構(gòu)，但未涉及應用。文獻記載，1947年，英國人Gough采用并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計了一種6自由度的輪胎測試機，這種結(jié)構(gòu)被稱為六足結(jié)構(gòu)(Hexapod)。這種類型的輪胎測試機器從1954年被投入使用。1962年，Gough發(fā)明了一種6自由度并聯(lián)機構(gòu)，并把它用作輪胎檢測裝置。1965年，英國高級工程師Stewart對Gough的這種6自由度機構(gòu)進行了研究，將其作為飛行模擬器，發(fā)表了名為”A Platform with Six Degrees of Freedom”的論文，引起廣泛關(guān)注，后來這種機構(gòu)被稱為Stewart機構(gòu)，它是至今為止應用最為廣

5、泛的6自由度并聯(lián)機構(gòu)。1979年，H. McCallion和D. T. Pham將Stewart機構(gòu)用于研制裝配機器人獲得成功，從此世界上出現(xiàn)了第一臺并聯(lián)機器人，也拉開了并聯(lián)機器人應用和研究的序幕。國內(nèi)外學術(shù)界和工程界對研究和開發(fā)并聯(lián)機床都非常重視。1986年美國Oregon大學學者Fichter采用電機驅(qū)動做出了以Stewart平臺為主機構(gòu)的線性手臂。1988年，Hudgens和Tesar研制了采用Stewart機構(gòu)的并聯(lián)平臺式微動機器人。1989年，Lee研制了采用三自由度3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的微動機器人；Kerr采用Stewart機構(gòu)設(shè)計了并聯(lián)平臺式傳感器。1992年，法國的Merlet教

6、授則提出了INRIA并聯(lián)機構(gòu)，并給出了樣機。1993年，Nguyen提出了Stewart基平臺式力力矩傳感器。1994年在芝加哥國際機床博覽會(IMTS94)上首次展出了稱為“六足蟲”(Hexapod)和“變異型”(VARIAX)的數(shù)控機床與加工中心并引起了轟動。此后，各主要工業(yè)國家都投入了大量的人力和物力進行并聯(lián)機床的研究與開發(fā). 并聯(lián)機床所涉及的基本理論問題同樣引起了許多研究單位的重視,由美國國家科學基金會動議，1998年在意大利召開了第一屆國際并聯(lián)運動學機器專題研討會，2000年在美國召開了第二屆國際并聯(lián)運動學機器專題研討會12。 我國已在國家“九五”科技攻關(guān)計劃和“863”高技術(shù)發(fā)展計

7、劃中對并聯(lián)機床的研究與開發(fā)予以支持。國內(nèi)最早從事并聯(lián)機器人基礎(chǔ)性理論研究的是黃真教授和粱崇高教授。1991年，燕山大學研制出我國第一臺并聯(lián)機器人樣機，并在此基礎(chǔ)上作了很多理論研究。黃真教授系統(tǒng)的介紹了在研究機器人機構(gòu)運動學、動力學中應用尤為突出的螺旋理論，他成功地把螺旋理論應用到并聯(lián)機構(gòu)的自由度計算上，解決了并聯(lián)機構(gòu)的自由度計算問題，并運用螺旋理論對并聯(lián)機構(gòu)的合理性進行了判別，還成功地研究了3-RPS并聯(lián)機構(gòu)動平臺的瞬時運動，并且成功地螺旋理論應用到少自由度并聯(lián)機構(gòu)的型綜合上，綜合出了完全對稱的少自由度并聯(lián)機構(gòu)。1994年，他研制出了6自由度柔性鉸鏈機器人誤差補償器。1997年，黃真教授出版了

8、我國第一部關(guān)于并聯(lián)機器人理論及控制的專著。服務機器人現(xiàn)在是國內(nèi)外機器人相關(guān)領(lǐng)域研究的一個重點方向，在國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要中被列為我國大力發(fā)展的四大先進制造技術(shù)之一，其應用范圍覆蓋家用、助老助殘、安保和陪護等【2】。中國已經(jīng)步入老齡化社會，生活中有障礙的老人和殘疾人為數(shù)眾多，服務機器人由于能節(jié)省人力資源，減輕年輕人的負擔，在國內(nèi)有著很廣闊的應用前景，助老助殘步行機器人是指能夠讓老人或下肢殘疾人乘坐，能夠應付各種地面條件的載人步行機器人。助老助殘步行機器人是服務機器人應用基礎(chǔ)研究最高水平的體現(xiàn)。已有很多國內(nèi)外學者對助老助殘步行機器人做了廣泛而深入的研究，并取得了較大的進展，也發(fā)現(xiàn)了許多

9、問題。如：輪式機器人對路面要求高；串聯(lián)腿步行機器人自重/載重比大、承載能力低；兩足步行機器人行走穩(wěn)定性差；多足步行機器人上下樓梯時機體傾斜等。為滿足乘坐者日常的工作生活，機器人的活動范圍是不固定的比如戶外的復雜地面，樓梯等。而如何使步行機器人滿足經(jīng)常變化的工作環(huán)境需要，是擺在研究人員面前需要解決的難題。上述諸多問題阻礙著助老助殘步行機器人的實用化發(fā)展。因此需要設(shè)計出一種可以在各種環(huán)境下行走的步行機器人是解決這些難題的有效途徑【2】。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題 本課題的導師提出將并聯(lián)腿機構(gòu)用于四足步行機器人，以克服串聯(lián)腿機構(gòu)承載能力低和兩足步行機器人行走穩(wěn)性差的缺陷。四足與兩足助殘步行

10、機器人各有優(yōu)缺點：四足穩(wěn)定性好，安全性能高，但是上下樓梯或臺階時座椅有較大的傾斜；兩足能夠在上下樓梯或臺階時保持座椅水平，但穩(wěn)定性差，沒有安全感，對下肢殘疾人來講，行走時會產(chǎn)生恐懼心理。為了揚長避短，要求設(shè)計出一種四足/兩足可重組并聯(lián)腿機構(gòu)步行機器人。為了能根據(jù)實際需要實現(xiàn)四足與兩足的靈活轉(zhuǎn)換，本設(shè)計要求設(shè)計合適的機構(gòu)來完成四足與兩足的靈活轉(zhuǎn)換，繪制出三維立體圖和二維圖紙。 設(shè)計內(nèi)容 1并聯(lián)機器人載重60kg；2步行機器人本體設(shè)計；4四足/兩足轉(zhuǎn)化機構(gòu)設(shè)計；5受力分析、運動范圍計算。三、研究步驟、方法及措施 通過搜索相關(guān)的中外文資料，了解并聯(lián)步行機器人的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，撰寫文獻綜述；閱讀并翻

11、譯外文資料，并借助查閱相關(guān)的專業(yè)文獻完成開題報告。 自己通過在自主學習并在指導老師的指點和引導下，形成自己的設(shè)計思想，確定設(shè)計方案，完成設(shè)計計算，繪制三維機構(gòu)和二維圖紙，并完成并聯(lián)步行機器人的電子圖稿。設(shè)計步驟：1.根據(jù)任務書要求擬定總體設(shè)計方案。2.繪制出方案草圖，與導師討論自己的方案，根據(jù)導師的意見對方案進行修正。3.查閱相關(guān)資料和技術(shù)手冊，根據(jù)方案進行設(shè)計計算，考察計算的正確性。4.初步繪制總裝圖，查找設(shè)計方案中的不足和缺陷，和導師溝通討論。5.完善總裝圖，查找設(shè)計手冊，繪制零件圖。6.完成外文翻譯，撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書四、研究工作進度 第一、二周，利用學校圖書館和網(wǎng)絡資源，查閱資料，借閱

12、書籍，手機相關(guān)論文第三周，撰寫文獻綜述和開題報告，進行方案論證與方案設(shè)計。，第四周，將自己的設(shè)計方案匯報給導師，請導師提出意見，準備開題報告答辯。第五周，參考機械設(shè)計手冊，開始設(shè)計計算。進行機器人腿部的受力分析第六周，完成機器人腿部的受力計算。第七八周，完成機器人的運動范圍的計算。第九周，開始繪制機器人的四足/兩足的轉(zhuǎn)換機構(gòu)的總裝配圖。第十周，繼續(xù)繪制總裝配圖，準備中期考核。第十一十三周，完成總裝配圖的繪制，開始繪制零件圖第十四周，查詢相關(guān)的技術(shù)手冊，繪制零件圖第十五周，完成外文翻譯。第十六周，撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書。第十七，十八周，審查設(shè)計資料，結(jié)題答辯考核。五、主要參考文獻 1王洪波齊政彥胡正

13、偉黃真，并聯(lián)腿機構(gòu)在四足兩足可重組步行機器人中的應用，機械工程學報第45卷第8期2009年8月:24-302 王洪波*，徐桂玲，張典范，胡星, 助老助殘四足/兩足可重構(gòu)并聯(lián)腿步行機器人運動學建模與仿真，燕山大學學報第34 卷第6 期2010年11: 508-515。3徐灝等編,機械設(shè)計手冊，機械工業(yè)出版社，1992。4黃真，并聯(lián)機器人機構(gòu)學理論及控制，機械工業(yè)出版社，2006年09月。5黃真，空間機構(gòu)學，機械工業(yè)出版，1991。6朱喜林等編，機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)/21世紀高等院校教材，科學出版社，2008年1月。7王一治，常德功，四足機器人研究綜述，中國科技論文在線，.

14、cn8王吉岱，盧坤媛，徐淑芬，雷云云，四足步行機器人研究現(xiàn)狀及展望，制造業(yè)自動化 第31卷第2期200902 469雷靜桃，高峰，崔瑩，多足步行機器人的研究現(xiàn)狀及展望，機械 設(shè) 計第23卷第9期2 0 0 6年9月10 黃俊軍，葛世榮，曹為, 多足步行機器人研究狀況及展望, 機床與液壓2008年5月 第36卷第5期: 187-19111/youngbrave/blog/item/2eb7770107f45c0f7aec2c4f.html12 夏廣嵐等人,并聯(lián)機器人發(fā)展現(xiàn)狀與展望, 中國科技信息2005年第22期13Reza Ghorbani, Qiong W

15、u*，Adjustable Stiffness Artificial Tendons: Conceptual Design And Energetics Study In Bipedal Walking Robots，Mechanism and Machine Theory 44 (2009):14016114Erika Ottaviano, Sergey Vorotnikov , Marco Ceccarelli , Pavel Kurenevb,Design Improvements and Control of a Hybrid Walking Robot，Robotics And Au

16、tonomous Systems 59 (2011): 12814115TANG Zhe (湯哲), SUN Zengqi (孫增圻)*,ZHOU Changjiu (周長久), HU Lingyun (胡凌云)，Reference Trajectory Generation for 3-Dimensional Walking of a Humanoid Robot*，TSINGHUA SCIENCE AND TECHNOLOGY，ISSN 1007-0214 12/19 pp577-584 Volume 12 Number 5 October 200716David Wettergreen * , Chuck Thorpe ,Red Whittaker,Exploring Mount Erebus by Walki