輪腿機(jī)器人開(kāi)題報(bào)告書(shū)

-.z.工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文開(kāi)題報(bào)告論文題目六輪腿移動(dòng)機(jī)器人的仿生機(jī)構(gòu)研究2013年12月2日1.課題的研究背景及意義移動(dòng)機(jī)器人是一種能夠通過(guò)、外傳感器反應(yīng)信息感知環(huán)境及自身狀態(tài),實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中自主運(yùn)動(dòng),從而完成一定功能或任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)[1]。目前已廣泛運(yùn)用于野外考察、地震救災(zāi)、環(huán)境檢測(cè)、娛樂(lè)生活等諸多行業(yè)，在平安、軍事、生活以及科學(xué)研究中扮演著越來(lái)越重要角色。其中輪式機(jī)器人構(gòu)造簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，具有移動(dòng)速度快、轉(zhuǎn)向性能好、行走效率高等特點(diǎn)。但同時(shí)適應(yīng)地形和避障的能力差。足式機(jī)器人對(duì)地形的適應(yīng)能力較好，可以跨越障礙物、臺(tái)階等，但運(yùn)動(dòng)間歇大，速度慢。隨著移動(dòng)機(jī)器人的不斷開(kāi)發(fā)和應(yīng)用圍的擴(kuò)展，未來(lái)會(huì)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(dòng)機(jī)器人已無(wú)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(duì)移動(dòng)機(jī)器人性能要求的逐漸提高，相繼問(wèn)世了許多混合式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中輪腿式移動(dòng)機(jī)器人就融合了輪式移動(dòng)機(jī)器人和腿式移動(dòng)機(jī)器人的特點(diǎn)。既可以保證在平坦地面的移動(dòng)效率又具有了良好的跨越障礙的能力[2]。但當(dāng)輪腿式移動(dòng)機(jī)器人采用足式的方式行走時(shí)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(chóng)則可以通過(guò)它們長(zhǎng)期進(jìn)化得到的復(fù)雜且精妙的肢體構(gòu)造和靈活的的運(yùn)動(dòng)方式，容易地通過(guò)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(chóng)的行為學(xué)研究成果，融入到移動(dòng)機(jī)器人的構(gòu)造設(shè)計(jì)與控制中，開(kāi)發(fā)具有卓越移動(dòng)能力的輪腿式仿生移動(dòng)機(jī)器人，對(duì)于足式移動(dòng)機(jī)器人和輪腿式移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用都具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[3]。本文從仿生的角度出發(fā)，對(duì)輪腿機(jī)器人進(jìn)展構(gòu)造設(shè)計(jì)，使其可以在跨越障礙物、溝壑、樓梯等不規(guī)則地形保持機(jī)體平穩(wěn)和運(yùn)動(dòng)的效率。主要的問(wèn)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(diǎn)，根據(jù)不同的環(huán)境變換輪式運(yùn)動(dòng)和足式運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式，到達(dá)良好的運(yùn)動(dòng)靈活性和較高的移動(dòng)速度的統(tǒng)一，提供良好的應(yīng)用平臺(tái)。為了能夠保持機(jī)器人的穩(wěn)定移動(dòng)，這就要求機(jī)器人足數(shù)越多越好。當(dāng)機(jī)器人在選擇腿式不行和輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要進(jìn)展輪腿的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，腿部需要上抬，其余的腿用來(lái)保持平衡，這樣就需要至少四條腿，否則無(wú)法在轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持身體的平衡。隨著足數(shù)的增加，其穩(wěn)定程度會(huì)增加，但七足以上就會(huì)根本到達(dá)飽和。因此本課題選擇六輪腿仿生機(jī)器人作為研究的對(duì)象，既具有冗余的腿部構(gòu)造保持穩(wěn)定，同時(shí)又不會(huì)造成腿部的浪費(fèi)。對(duì)地形的適應(yīng)能力比擬強(qiáng)，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(jìn)展野外偵查、水下搜索以及太空探測(cè)等對(duì)機(jī)器人的可靠性、自主性要求較高的工作。并參考仿生學(xué)的成果，對(duì)六足昆蟲(chóng)的腿部進(jìn)展研究。分析了腿部構(gòu)造和功能特點(diǎn)，以此為根底設(shè)計(jì)完成了六足仿生機(jī)器人的單腿構(gòu)造2.六輪腿機(jī)器人研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)輪腿式機(jī)器人作為移動(dòng)機(jī)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(jī)動(dòng)性能，簡(jiǎn)單的構(gòu)造形式以及移動(dòng)中的高效性和平穩(wěn)性。在平整的地形可以運(yùn)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(jìn)。具有速度高、能耗低、地形適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。近幾十年來(lái)，輪腿式移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)得到了很快的開(kāi)展，并有許多成功的案例。輪腿式移動(dòng)機(jī)器人多用在搶險(xiǎn)、排爆、污染源檢測(cè)測(cè)、外星探測(cè)等領(lǐng)域[4]2.1國(guó)外的開(kāi)展現(xiàn)狀美國(guó)噴氣與推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室〔JPL〕研制了1997年被人類送上火星的第一臺(tái)探測(cè)車sojourner〔如圖2.1〕，Sojourner是一輛微型自主式機(jī)器人車輛，采用六輪搖臂懸吊式構(gòu)造,即有6個(gè)獨(dú)立懸掛的驅(qū)動(dòng)輪,傳動(dòng)比為2000:1，本機(jī)器人是真正意義上的六輪腿式移動(dòng)機(jī)器人。以及后來(lái)的火星探測(cè)車漫游者〔marsrover〕機(jī)器人〔如圖2.2〕，該款機(jī)器人擁有最先進(jìn)的機(jī)動(dòng)性，其六輪腿式構(gòu)造是目前最先進(jìn)的,具有強(qiáng)大的越障能力。原地360o的轉(zhuǎn)彎能力及伸縮性，除了其先進(jìn)的機(jī)動(dòng)性能，探路者機(jī)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(lái)測(cè)定巖石成分)、AP*S(ALPHA射線)系統(tǒng)、RAT(RockAbrasionTool)系統(tǒng)等各種先進(jìn)的儀器來(lái)探測(cè)環(huán)境，觀察并分析巖石和土壤。用來(lái)探測(cè)火星上是否有生命，以及有沒(méi)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(cè)車圖2.1sojourner探測(cè)車美國(guó)全地形六足星際探測(cè)器“運(yùn)發(fā)動(dòng)〞(ATHLETE)同樣也是由美國(guó)宇航局噴氣與推進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(guò)2285石(1.45萬(wàn)公斤)有效載荷，但它比通常的行星探索車輕25%。其最快行進(jìn)速度能到達(dá)10ｍ/ｓ，最大爬坡能力為50度硬質(zhì)土地，25圖圖2.3美國(guó)全地形六足星際探測(cè)器ATHLETE為了減輕重量他將工具安裝在了腿上，當(dāng)輪子抬起來(lái)的時(shí)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(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)行走，甚至的跳躍和舞蹈。該機(jī)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(dòng)自如。同時(shí)ATHLETE機(jī)器人的六個(gè)負(fù)重輪擁有極大的靈活性，可在各種復(fù)雜的地形下前進(jìn)。在遇到障礙時(shí)，可以通過(guò)抬腿越過(guò)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(guò)整合處理，可以同時(shí)顯示在一個(gè)顯示器上，為控制人員展示機(jī)器人周邊的3D影像[5]。圖圖2.4輪子抬起來(lái)，這樣鏟子(左)和鉆頭(右)就能安裝在機(jī)器人的腿上工業(yè)大學(xué)研制的兩款輪腿式移動(dòng)機(jī)器人HIT-HYBTOR[6]和HITAN-I[7](如圖2.5)它們的移動(dòng)系統(tǒng)都由四套輪腿混合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成,每套移動(dòng)機(jī)構(gòu)四個(gè)自由度，車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng),腿關(guān)節(jié)三個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)輪式或腿式移動(dòng)。輪式移動(dòng)時(shí)，腿上各關(guān)節(jié)鎖定,由車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。腿式移動(dòng)時(shí)，當(dāng)前進(jìn)時(shí)制動(dòng)器鎖止足底輪。腿部驅(qū)動(dòng)選用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)可以將電機(jī)藏于腿的肢體，構(gòu)造更加緊湊。是一個(gè)可以直行、原地轉(zhuǎn)向、樓梯爬越、足底輪滾進(jìn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)的輪腿機(jī)器人[8]。HITAN-I四條腿末端的車輪都可獨(dú)立驅(qū)動(dòng),這種設(shè)計(jì)可以保證移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有更好的環(huán)境適應(yīng)性，但電機(jī)數(shù)量的增多使機(jī)構(gòu)負(fù)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(dòng)機(jī)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(dòng)輪，不能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。它的運(yùn)動(dòng)原理類似于溜旱冰，依靠腿部驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的推力實(shí)現(xiàn)輪式移動(dòng)，它構(gòu)造設(shè)計(jì)上的另一個(gè)獨(dú)特之處在于車輪可轉(zhuǎn)過(guò)90o，當(dāng)平臺(tái)以步行方式移動(dòng)時(shí)，可為腿式移動(dòng)的“腳〞，這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)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(duì)地壓強(qiáng)。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(dòng)機(jī)器人構(gòu)造分類對(duì)于現(xiàn)有輪腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),雖然功能上非常相近,但是構(gòu)造上千差萬(wàn)別,綜合它們的構(gòu)造特點(diǎn)大體可以劃分為兩類：第一類從構(gòu)造上來(lái)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(jī)構(gòu)系統(tǒng)中比擬常見(jiàn)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(dú)立驅(qū)動(dòng)，這種特點(diǎn)保證了它們功能上既能夠以單一方式移動(dòng)，這時(shí)就相當(dāng)于純粹的輪式或腿式移動(dòng)。又可以兩種移動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)發(fā)揮作用，以混合方式移動(dòng)?？梢钥闯?，這種系統(tǒng)實(shí)際上只是兩種移動(dòng)方式功能上的簡(jiǎn)單組合。構(gòu)造上兩種子機(jī)構(gòu)具有明顯的獨(dú)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(lái)看輪和腿完全別離，移動(dòng)中兩者或同時(shí)發(fā)揮作用以混合式移動(dòng)，或采用單一方式移動(dòng)。和第一類相比構(gòu)造上更加簡(jiǎn)單，控制更容易。3本課題的主要容和研究目標(biāo)本課題的研究目標(biāo)是完成一個(gè)六輪腿仿生移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并從仿生機(jī)制、構(gòu)型設(shè)計(jì)、建模仿真等方面進(jìn)展深入的研究，主要容如下。3.1六輪腿機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)我們所設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用四自由度的關(guān)節(jié)式腿機(jī)構(gòu)，每條腿都是一個(gè)平面連桿機(jī)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(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使機(jī)器人運(yùn)行盡可能平穩(wěn)。應(yīng)盡量將電機(jī)、減速器等裝置安裝在機(jī)體上。因此我們把髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速安裝在機(jī)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(gè)輪子配有一個(gè)獨(dú)立的電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)。即每條腿共有四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。當(dāng)機(jī)器人從足式轉(zhuǎn)換成輪式構(gòu)造時(shí)，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(jī)器人的機(jī)體設(shè)計(jì)機(jī)體的設(shè)計(jì)首先要考慮兩個(gè)因素：一是防止腿部之間發(fā)生碰撞，擴(kuò)大腿部的活動(dòng)圍；二是增加機(jī)體的穩(wěn)定性。又由于機(jī)體是一個(gè)支持的平臺(tái)，平臺(tái)上需要安裝控制器、電源模塊、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器等部件，其長(zhǎng)度和寬度又必須滿足這些部件的安裝需要。同時(shí)，因該機(jī)器人六條腿與機(jī)體相連，還需要考慮整體布局和安裝定位?；趯?duì)多足昆蟲(chóng)的仿生分析，選擇橢圓形的機(jī)體形式[12][13]。在選材既要考慮機(jī)體的高強(qiáng)度，也要注意減少機(jī)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(jī)器人的單腿模型。〔2〕進(jìn)展構(gòu)造優(yōu)化：通過(guò)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(zhǎng)度及各局部尺寸進(jìn)展優(yōu)化?！?〕準(zhǔn)確仿真：在Admas中導(dǎo)入機(jī)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)展仿真，選取適宜電機(jī)。5.本課題研究的主要難點(diǎn)〔1〕機(jī)器人整體構(gòu)造尺寸優(yōu)化過(guò)程中，對(duì)于空間體積求解存在誤差，無(wú)法得到最優(yōu)方案。〔2〕末端慣性過(guò)大，對(duì)電機(jī)的要求高，容易出現(xiàn)剛性差的現(xiàn)象，引起機(jī)器人整體穩(wěn)定性差。6.本課題研究進(jìn)度安排2013.9-2012.11:閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)課題中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(duì)其進(jìn)展優(yōu)化。2014.2-2014.4:確定方案，進(jìn)展仿真，選取適宜的電機(jī)和減速器等，繪出三維及二維圖紙。2014.5-2014.7:制作單腿的實(shí)體，對(duì)其進(jìn)展各項(xiàng)測(cè)試和修改。2014.8-2014.9:完成六條腿的制作及機(jī)體的設(shè)計(jì)和制作2014.10-2015.1:開(kāi)場(chǎng)組織材料，撰寫(xiě)課題論文。參考文獻(xiàn)[1]王海彬,黃永生,丹霖.國(guó)外地面軍用機(jī)器人系統(tǒng)綜述.汽車運(yùn)用,2005,11:18-20.[2]甫.六足仿生機(jī)器人的研制及其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究.工業(yè)大學(xué)碩士論文.2009[3]立杰.新型復(fù)合式仿生輪-腿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)研究.國(guó)防科技大學(xué)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(yùn)動(dòng)模式四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析.機(jī)械設(shè)計(jì)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