四足行走小車(chē)的設(shè)計(jì),行走,小車(chē),設(shè)計(jì) 四足行走小車(chē)的設(shè)計(jì)一、課題背景1.1 課題來(lái)源我的課題《四足行走小車(chē)的設(shè)計(jì)》的來(lái)源即導(dǎo)師所給，參考當(dāng)前足式機(jī)器人的火熱研究，所確定的適合本科畢業(yè)生的課題。1.2 實(shí)際應(yīng)用價(jià)值 根據(jù)調(diào)查,在地球上近一半的地面不適合于傳統(tǒng)的輪式或履帶式車(chē)輛行走,但是一般多足動(dòng)物卻能在這些地方行動(dòng)自如。因此,足式小車(chē)與輪式及履帶式小車(chē)相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。足式小車(chē)對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力,足式小車(chē)的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn),可以調(diào)整姿態(tài)在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)。足式小車(chē)還具有主動(dòng)隔振能力,允許機(jī)身運(yùn)動(dòng)軌跡和足式運(yùn)動(dòng)軌跡解耦。盡管地面高低不平,足式小車(chē)仍然可以相當(dāng)平穩(wěn)地行走。因此足式小車(chē)受到各國(guó)研究人員的普遍重視,已經(jīng)成為機(jī)器人研究中一個(gè)引人注目的研究領(lǐng)域。四足行走小車(chē)被認(rèn)為是最佳的足式小車(chē)的形式，四足交替行走小車(chē)比兩足行走承小車(chē)載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好,同時(shí)又比六足、八足行走小車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制。二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)四足步行機(jī)器有一種是通過(guò)多桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)意組合來(lái)達(dá)到模仿馬匹的行走動(dòng)作的機(jī)構(gòu)基于仿生機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì),具有不同于一般輪式交通工具的特點(diǎn),能夠跨越障礙;對(duì)于該機(jī)器的研究為復(fù)雜步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，從仿生設(shè)計(jì)的角度出發(fā),對(duì)真馬的腿部骨骼、步態(tài)、足部軌跡、重心補(bǔ)償特性進(jìn)行了分析總結(jié)； 采用幾何解法,把空間幾何問(wèn)題分解成若干個(gè)平面幾何問(wèn)題,給出各個(gè)]1[關(guān)節(jié)角給定量的計(jì)算方法。然后對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)正、逆問(wèn)題以及工作空間進(jìn)行了計(jì)算-1-機(jī)仿真以及實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的正確性。 ]4[研究者們對(duì)四足機(jī)器人行走過(guò)程的仿真分析,建立了四足機(jī)器人的三維軟件模型,導(dǎo)入仿真軟件 ADAMS 中,通過(guò)加入約束和動(dòng)力分析 ,以一定形式的步態(tài)分析實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在平面上的行走。并以機(jī)器狗模型為例子分析了穩(wěn)定性以及在行走過(guò)程中各部分動(dòng)作產(chǎn)生的影響,為研究智能化玩具程序開(kāi)發(fā)和四足機(jī)器人提供借鑒。 [2]還有一種基于 AIBO 四足機(jī)器人提出了一整套運(yùn)動(dòng)控制方法。方法包括正向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算,反向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算,運(yùn)動(dòng)軌跡的平滑插值方法以及全向行走的實(shí)時(shí)軌跡規(guī)劃。為實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人平滑的行走軌跡,本文同時(shí)給出了一種改進(jìn)型三維拉格朗日插值方法,可有效平滑腿部末端運(yùn)動(dòng)軌跡,減少機(jī)械損傷。 [3]目前國(guó)外最具代表性的足式步行機(jī)器人有某電信通信大學(xué)研發(fā)的 Tekken ，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)研發(fā)的四足機(jī)器人 KOLT ，以及美國(guó) Carnegie Mellon 大學(xué)與 Boston Dynamics 公司等聯(lián)合研制的 Little Dog 和 Big Dog [23] 等.Big Dog 不依靠輪子而是依靠四條“鐵腿”行走 [5]，這個(gè)四足機(jī)器人在遭到橫加猛踹之后，打個(gè)趔趄，能繼續(xù)前行。機(jī)器騾子能在山地執(zhí)行任務(wù)。這種大狗機(jī)器人能夠在戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮非常重要的作用：在交通不便的地區(qū)為士兵運(yùn)送彈藥、食物和其他物品。它不但能夠行走和奔跑，而且還可跨越一定高度的障礙物。該機(jī)器人的動(dòng)力來(lái)自一部帶有液壓系統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。-2-三、課題研究的內(nèi)容及解決的關(guān)鍵問(wèn)題通過(guò)本畢業(yè)設(shè)計(jì)，可以生鞏固和深化我所學(xué)的基本理論、基礎(chǔ)知識(shí)以及基本，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論基礎(chǔ)、技術(shù)基礎(chǔ)課程和專(zhuān)業(yè)知識(shí)分析和解決工程技術(shù)問(wèn)題的能力；綜合訓(xùn)練我的調(diào)查研究、查閱文獻(xiàn)和收集資料的能力；提高我的總結(jié)提煉和撰寫(xiě)科技論文的能力等。本課題的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：（1）設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)行走；（2）用 Solidworks 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的仿真，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)是否干涉、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可行性； （3）選擇電機(jī)，整個(gè)小車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；（4）購(gòu)買(mǎi)所需材料，進(jìn)行小車(chē)的加工制作，裝配調(diào)試。-3-4、技術(shù)路線(xiàn)具體過(guò)程如下：（1）利用圖解法直觀、簡(jiǎn)單、快捷的優(yōu)點(diǎn)完成四連桿機(jī)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)；（2）對(duì)小車(chē)電機(jī)進(jìn)行選擇，以及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成小車(chē)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（3）利用三維軟件完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)中主要使用SolidWorks 軟件對(duì)零部件進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，并生成相關(guān)零件的實(shí)體模型； （4）利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)中將應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)小車(chē)足部機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬和分析，導(dǎo)出其運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn)，驗(yàn)證是否達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，并優(yōu)化；（5）利用制圖軟件繪制產(chǎn)品工程圖設(shè)計(jì)中將應(yīng)用SolidWorks工程圖等制圖軟件繪制產(chǎn)品各部件的零件圖及裝配圖；五、關(guān)鍵技術(shù)介紹本課題主要基于圖解法進(jìn)行四足交替行走小車(chē)的設(shè)計(jì)，并利用軟件的虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。5.1 作圖法設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)對(duì)于四桿機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，當(dāng)其鉸鏈中心位置確定后，各桿的長(zhǎng)度也就確定了。用作圖法進(jìn)行設(shè)計(jì)，就是利用各鉸鏈之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的幾何關(guān)系，通過(guò)作圖確定各鉸鏈的位置，從而定出各桿的長(zhǎng)度。圖解法的優(yōu)點(diǎn)是直觀、簡(jiǎn)單、快捷，對(duì)三個(gè)設(shè)計(jì)位置以下的設(shè)計(jì)是十分方便的，其設(shè)計(jì)精度也能滿(mǎn)足工作要求，并能為解析法精確求解和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供初始值。-4-5.2 SolidWorks 造型技術(shù)在目前市場(chǎng)上所見(jiàn)到的三維 CAD 解決方案中，SolidWorks 是設(shè)計(jì)過(guò)程比較簡(jiǎn)便而方便的軟件之一。（1）在 SolidWorks 中，當(dāng)生成新零件時(shí)，可以直接參考其他零件并保持這種參考關(guān)系。在裝配的環(huán)境里，可以方便地設(shè)計(jì)和修改零部件。（2）SolidWorks 可以動(dòng)態(tài)地查看裝配體的所有運(yùn)動(dòng)，并且可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的干涉檢查和間隙檢測(cè)。（3）用交替位置顯示視圖能夠方便地顯示零部件的不同的位置，以便了解運(yùn)動(dòng)的順序。交替位置顯示視圖是專(zhuān)門(mén)為具有運(yùn)動(dòng)關(guān)系的裝配體而設(shè)計(jì)的獨(dú)特的工程圖功能。六、進(jìn)度安排序號(hào)各階段名稱(chēng) 起止日期 備注1 文獻(xiàn)翻譯 2015.12.18-2016.1.8完成英文翻譯，1 月 1 號(hào)翻譯好，并交給指導(dǎo)老師2文獻(xiàn)查閱，熟悉連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、星座機(jī)構(gòu)的類(lèi)型、設(shè)計(jì)原理和方法，撰寫(xiě)開(kāi)題2016.1.9-2016.2.20完成開(kāi)題報(bào)告撰寫(xiě)，2 月 20 日開(kāi)題報(bào)告發(fā)給指導(dǎo)老師；準(zhǔn)備 3 月 11日之前開(kāi)題-5-報(bào)告3四連桿行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真，四足行走小車(chē)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2016.2.21-2016.3.203 月 20 日之前提交小車(chē)整體三維造型4四足行走小車(chē)模型的加工制作2016.3.21-2016.5.1 4 月 22 日之前完成中期檢查5 撰寫(xiě)畢業(yè)論文，答辯 2016.5.2-2016.5.10 5 月 11 日將畢業(yè)論文交給指導(dǎo)老師七、參考文獻(xiàn)[1]雷雄韜. 四足步行機(jī)器的研制[D]. 華中科技大學(xué): 雷雄韜, 2006[2]汪秉權(quán), 章正偉. 基于虛擬仿真的四足機(jī)器人行走研究[J]. 輕工機(jī)械, 2009, 27(3): 5-7[3]許濤. 一種四足機(jī)器人全向行走運(yùn)動(dòng)控制方法[J]. 電子制作, 2014,(9):20-21[4]藍(lán)益鵬, 王雷. 馬型四足行走智能機(jī)器人的研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技-6-術(shù), 2009,(11):9-16[5] 林寒. 美軍機(jī)器狗 :現(xiàn)實(shí)版 “木牛流馬”[N]. 世界報(bào). 2008-12-10 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