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哈爾濱理工大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(論文)
開 題 報 告
學(xué)生姓名 張增生
學(xué) 號 1630060332
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及自動化
班 級 機械16-3班
指導(dǎo)教師 趙金濤
2020年3月20日
課題題目及來源：
題目：步行四邊形機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
題目來源： 自擬
課題研究的意義和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：
1.1課題研究的意義
近年來機器人領(lǐng)域發(fā)展迅速，機器人也不再局限于工業(yè)生產(chǎn)，各種各樣的機器人融入到我們的生活中?，F(xiàn)在最廣泛被人們使用的是輪式機器人以及履帶式機器人，多用于倉庫存儲、物資運輸?shù)鹊孛孑^為平坦且環(huán)境簡單的地方，例如某快遞倉庫所使用的輪式機器人。但是輪式機器人與履帶機器人無法適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，在野外等環(huán)境工作效率大大降低。因此，相比于輪式和履帶式機器人，足式機器人對非結(jié)構(gòu)環(huán)境具有更強的適應(yīng)性，能夠在復(fù)雜的陸地和淺灘地面環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定的行走。
足式生物因其強大的機動能力與靈活性而遍布全世界的大陸，這種能力也足以支撐其在多種復(fù)雜環(huán)境之下行動自如。步行四邊形機器人則是模仿自然界中靈活性較強的四足生物而來，如典型的犬型機器人，可在山地、叢林、建筑廢墟中活動自如，進行物資運輸、偵查、搜救等工作。其次，在同等體積的情況下步行機器人的穩(wěn)定性要強于輪式、履帶式機器人，在出錯的情況下也具有很強的自我調(diào)整能力。步行四邊形機器人的結(jié)構(gòu)決定了其質(zhì)量、靈活度、運動能力等多種重要參數(shù)，所以步行四邊形機器人機構(gòu)設(shè)計可以優(yōu)化機器人的各種性能，使其更加適應(yīng)地形、降低運動時的錯誤率，從而提高其工作效率，對人類社會進步和發(fā)展有著重大意義。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國對于機器人的研究要晚于美國、德國等技術(shù)基礎(chǔ)較強的發(fā)達國家，而步行機器人復(fù)雜程度較高，所以近十幾年來我國步行機器人技術(shù)才有所發(fā)展。我國最初的一些四足機器人，例如由上海交通大學(xué)開發(fā)的四足機器人Baby Elephant，如圖1-1所示。該機器人配備有線性位移傳感器和壓力傳感器，位于作為執(zhí)行器的液壓缸上，主體上的陀螺儀和腿尖上的接觸傳感器。機器人的平衡和恒定的高度通過控制身體和擺動腿的軌跡來保證。
由于步行機器人在某些特定的重要壞境中有著巨大的作用，以及此領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展空間與潛力，我國多個知名高校對此項技術(shù)進行了研究并取得了巨大的成果。例如，2017年5月，浙江大學(xué)與南江機器人聯(lián)合展示了名為“赤兔”的四足機器人，拿下全球?qū)W生設(shè)計評價最具含金量的Top1桂冠，如圖1-2所示。赤兔機器人重約60公斤，高約0.5米，可以實現(xiàn)小跑、小跳等動作，一般運行速度相當(dāng)于成年人的步行速度，還可以做出爬樓梯、越過障礙物等相對復(fù)雜的動作。
同樣是浙江大學(xué)，2018年自主研發(fā)出了“赤兔”機器人的升級版“絕影”。在機器人“赤兔”的基礎(chǔ)上增加了高效的識別裝置，可以識別減速帶、臺階、防護欄桿等多種常見障礙物，還可以識別雪地、草地等高度差不均衡的地形，并通過傳感系統(tǒng)自動調(diào)整落地動作，加強自身的連貫性與平衡性。如圖1-3所示。
圖1-1上海交通大學(xué)四足機器人 圖1-2“赤兔”機器人
圖1-3“絕影”機器人 圖1-4鄭州大學(xué)四足機器人
在設(shè)計步行機器人最主要的部分是設(shè)計腿部結(jié)構(gòu)，腿部結(jié)構(gòu)決定了機器人的運動方式，也決定了其主要功能。近些年國內(nèi)很多研宄機構(gòu)和院校對于機器人腿部結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研究的成績非?？捎^。例如，中國鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院研制出一種新型混合式四足機器人，如圖1-4。此機器人腿部采用液壓驅(qū)動桿式聯(lián)動裝置，這種結(jié)構(gòu)更接近于四足動物的腿部結(jié)構(gòu)，其中連桿與人腿部大腿肌的工作方式十分相似，起支撐、調(diào)節(jié)作用，進一步提高了機器人的穩(wěn)定性。
重慶大學(xué)設(shè)計了一種電機整周轉(zhuǎn)動驅(qū)動腿部實現(xiàn)擺轉(zhuǎn)跨步動作方案，具有切比雪夫機構(gòu)、五桿機構(gòu)組成的２自由度雙曲柄復(fù)合連桿機構(gòu)的機器人腿部結(jié)構(gòu)，如圖1-5。其中切比雪夫機構(gòu)是一種常見的機器人足式結(jié)構(gòu)，運行動作類似于步行，可使機器人腳部抬離地面，大大加強了機器人的越障能力。五桿機構(gòu)則優(yōu)化了具體運動軌跡，增強了運動時的穩(wěn)定性。
天津大學(xué)機構(gòu)理論與裝備設(shè)計教育部重點實驗室近期設(shè)計研制了一種新型下肢康復(fù)機器人機構(gòu)，該機構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型是兩自由度的五桿機構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上進行改性，使機構(gòu)運動軌跡可調(diào)，如圖1-6。該機構(gòu)在不同人使用時進行小幅度的微調(diào)即可符合使用者的具體要求，并且運行幅度較小、穩(wěn)定性好，其運動軌跡符合人體腿部運動軌跡。
圖1-5連續(xù)電驅(qū)動腿部五桿機構(gòu) 圖1-6下肢康復(fù)機器人機構(gòu)
1.2.2 國外研究現(xiàn)狀
國外對于步行機器人的研究始于19世紀(jì)70年代，首臺步行機器人是由美國公司Mosher研發(fā)的“Walking Truck”，用來在一些復(fù)雜的地形中協(xié)助搬運物資。但在那個時期步行機器人的研發(fā)受到技術(shù)、社會環(huán)境等多方面制約，其性能與近十幾年的步行機器人相差甚遠(yuǎn)，并且沒有形成一個完善的體系。美國波士頓動力公司于2005年研發(fā)了以汽油為燃料的四足機器人“BigDog”，如圖2-1。其單足運動主要由三個旋轉(zhuǎn)副和一個移動副完成，整體結(jié)構(gòu)具有12或16個主動自由度，由液壓驅(qū)動裝置提供動力。
圖2-1四足機器人“BigDog” 圖2-2四足機器人“Cheetah”
同樣是波士頓公司，于2015年研發(fā)了四足步行機器人“Cheetah”，如圖2-2。
“Cheetah”與前幾代步行機器人最大的優(yōu)點是其速度遠(yuǎn)高于前幾代機器人，平均時速可達16km/h，最大時速達到48km/h，高于人類速度的極限。在此基礎(chǔ)上還可以在奔跑時進行穩(wěn)定的轉(zhuǎn)彎、急停等動作?！癈heetah”的結(jié)構(gòu)以及運動方式參考了自然界中速度最快的動物獵豹，其動力來源不同于之前的液壓驅(qū)動裝置，而是采用電擊的方式作為動力來源，其不同之處在于這種方式反應(yīng)更加的迅速敏捷。而“Cheetah”能達到高速的最重要原因是其對于每次奔跑時力量的控制，“Cheetah”可通過激光感應(yīng)器辨別障礙物的屬性，通過算法計算得出輸出力的大小，增強了其奔跑時的穩(wěn)定性。
除了四足步行機器人，還有許多根據(jù)人體下肢結(jié)構(gòu)研發(fā)的雙足機器人。例如波蘭的波茲南理工大學(xué)控制機器人和信息工程學(xué)院研制的仿哺乳動物機器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖2-3。Marco Ceccarelli等人提出的一種以平面四連桿機構(gòu)為基礎(chǔ)的機器人腿部模型，如圖2-4。這類機器人機構(gòu)相對于四足步行機器人較為簡單，成本低且易于操控，但在穩(wěn)定性、運行速度以及承載能力上要遜色于四足步行機器人。現(xiàn)階段對于此類機器人的應(yīng)用并不廣泛，但可預(yù)測其未來在服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域有很大前景。
圖2-3波蘭機器人腿部機構(gòu) 圖2-4平面四連桿機構(gòu)腿部機構(gòu)
課題研究的內(nèi)容，擬解決的主要問題：
2.1 課題研究的主要內(nèi)容
研究對象：步行四邊形機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
研究內(nèi)容：
1、闡述課題背景，對國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀進行總結(jié)和分析；
2、根據(jù)主要技術(shù)指標(biāo)，在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上制定總體設(shè)計方案，并闡明方案制定依據(jù)；
3、選定步行四邊形機器人的結(jié)構(gòu)方案，確定整體結(jié)構(gòu)。按照擬定的功能要求，選定各對應(yīng)的功能單元；
4、根據(jù)擬定方案確定技術(shù)參數(shù)，設(shè)計主要零部件，并校核；
5、利用校核后的數(shù)據(jù)，加以設(shè)計繪制裝配圖，并依據(jù)實際需要，隨時改善。
6、得出設(shè)計結(jié)論。
2.2課題擬解決的主要問題
步行機器人的腿部結(jié)構(gòu)直接影響了其運動性能以及功能的可行性，因此腿部的結(jié)構(gòu)、腿的數(shù)量與腿的布局是設(shè)計時最重要的部分。一般滿足使用條件的機構(gòu)不易太復(fù)雜，并且腿的數(shù)量不易過多，否則會限制機器人腿部的運動軌跡，機器人的整體質(zhì)量也會隨之增大，因此其主要問題有以下幾點。
1、 機器人步態(tài)規(guī)劃，包括靜步態(tài)規(guī)劃、動步態(tài)規(guī)劃；
2、確定機構(gòu)傳動方式，在多種傳動方式中尋找最優(yōu)解；
3、確定機器人的腿部機構(gòu)。
2.3基本原理及相關(guān)參數(shù)
基本原理：步行機器人實現(xiàn)步行動作的主要結(jié)構(gòu)是曲柄搖桿機構(gòu)，由一臺伺服電機進行驅(qū)動，并且采用對角線原則來保證運動的平穩(wěn)性與一致性。運動傳遞為電機帶動軸運動，軸帶動曲柄搖桿機構(gòu)，曲柄搖桿機構(gòu)帶動足部運動實現(xiàn)步行運動。
相關(guān)參數(shù)：此步行機器人定位是微小型步行機器人，長寬高均不超過0.5m，可在平坦地面或較為崎嶇的地面穩(wěn)定行走，也可以進行爬坡。腿的數(shù)量初定為六條。四腿在運動時兩條腿抬起兩條腿支撐，穩(wěn)定性不足；八腿會導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，在運動時機動性也會下降并且重量增大，加大電機負(fù)擔(dān)。
研究的步驟、方法及措施：
3.1研究的步驟
1、依據(jù)功能需要，確定最佳功能解及總體方案；
2、進行功能元分析，憑借現(xiàn)有設(shè)定和掌握的技術(shù)參數(shù)，利用動力學(xué)反問題求解的方法，完成各個對應(yīng)功能單元的選擇問題；
3、借上述求解方案，完成總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，安排各個單元的初步排布，設(shè)定主要零件的技術(shù)尺寸，并進行剛度和強度校核；
4、通過經(jīng)校核后確定的技術(shù)參數(shù)，按照一定比例完成初步裝配圖，確定總體結(jié)構(gòu)尺寸；
5、待初步轉(zhuǎn)配圖完成后，進行軸承、減速器等壽命的驗算，ANSYS 等力學(xué)分析，完成裝配圖的細(xì)化出圖工作；
6、得出設(shè)計結(jié)論。
3.2方法及措施
1、在ADAMS下建立機器人動力學(xué)模型，并進行步態(tài)仿真；
2、使用皮帶傳動連接相鄰兩桿件，保持運動的一致性；
3、使用常見的曲柄連桿機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單且運動規(guī)律滿足要求。
工作進度安排：
第1-2周：查閱資料，完成開題報告；
第3周： 完成總體方案設(shè)計、論證和選擇；
第4-6周：完成總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；
第7-8周：完成主要零部件的設(shè)計；
第9周： 完成外文翻譯（不少于3000字）并準(zhǔn)備期中答辯材料；
第10-12周：繪制總體結(jié)構(gòu)裝配圖和主要零件圖（至少折合A0圖紙2.5張）；
第13周： 驗證設(shè)計方案，并完成論文初稿；
第14-16周：完善畢業(yè)設(shè)計相關(guān)資料，準(zhǔn)備答辯。
課題研究所需的參考文獻：
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指導(dǎo)教師審查意見：
1、論題具有（較強的、一定的）現(xiàn)實意義和學(xué)術(shù)價值；論點（鮮明正確有新意、清楚），表現(xiàn)出一定的獨創(chuàng)性。
2、該生對課題查閱了一定技術(shù)文獻，學(xué)習(xí)態(tài)度端正，論文涉及面廣，難度適中，工作量適度。
3、該生能熟練的綜合運用所學(xué)理論和專業(yè)知識；能較全面的或深入地分析實際問題，表現(xiàn)出較強的獨立進行研究的能力。
4、開題報告格式（符合要求、基本符合有要求、存在少量格式錯誤），所選題目與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)（基本）吻合。
5、根據(jù)該生的現(xiàn)有基礎(chǔ)，通過課題工作期間的努力可以（較好地）完成課題任務(wù)。
同意該學(xué)生繼續(xù)進行畢業(yè)設(shè)計工作。
指導(dǎo)教師簽字：
2020年 月 日
指導(dǎo)委員會審核意見：
該生的論文選題（較好、一般），具有（較高的、一定的）理論和實踐價值。論文研究工作量（充實、適中、較少），研究方法（合理、比較合理），研究的重難點（明確、比較明確）。開題報告格式（正確、基本正確、存在少量錯誤需要修改）。經(jīng)過評審和表決，評審小組成員一致同意通過該篇開題報告，同意學(xué)生繼續(xù)進行畢業(yè)設(shè)計工作。
組長簽字：
2020年 月 日