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郑州科技学院毕业设计（论文）开题报告 课题名称 课题来源 学生姓名 教师拟定 四足步行机器人的结构设计 课题类型 学 号 AY 指导教师 专 业 机械设计制造及其自动化 一、设计目的和意义 在自然界或者人类社会中，存在人类无法到达的地方和可能危机人类生命的特殊场合，如工地，防灾救援现场等许多领域，对这些复杂环境的不断探索和研究往往需要有机器人的介入。与轮式或履带式机器人相比，由于足式机器人的立足点是离散的点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，足式机器人对崎岖路面也具有很好的适应能力。常见的足式步行机器人包括双足步行机器人，四足步行机器人，六足步行机器人，八足步行机器人等。其中四足步行机器人是一种对复杂地形具有高度适应性和具有实际应用价值的移动机器人，比双足步行机器人承载能力强，稳定性好。同时又比六足，八足步行机器人结构简单，因此受到各国研究人员的普遍重视。 四足机器人是一门集仿生学，机械学及控制工程学等多学科融合交汇的综合性的学科。不仅涉及到线性，非线性，基于多种传感器信息控制以及实施控制技术，而且还囊括了复杂机电系统的建模，数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的技术。其发展往往代表一个国家的科技实力和机电一体化的最新产品。 二、国内外发展现状 20世纪60年代，四足步行机器人的研究工作开始起步。随着计算机技术和机器人控制技术的研究和应用，到了20世纪80年代，现代四足步行机器人的研制工作进入了广泛开展阶段。 世界上第一台真正意义的四组步行机器人是由Frank和McGhee于1977年制作的。该机器人具有较好的步态运动稳定性，但缺点是，该机器人的关节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的运动受限制，只能呈现固定的运动形式。 20世纪80，90年代最具代表性的四足步行机器人是日本Shigeo Hirose实验室研制的TITAN系列。1981~1984年Hirose教授研制成功脚步装有传感和信号处理系统的TITAN-III。它的脚底步由形状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。姿态传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应步行。TITAN-VI机器人采用新型的直动性腿机构，避免了上楼梯过程中两腿的干涉，并采用两级变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。 2000-2003年，日本电气通信大学的木村浩等人研制成功了具有宠物狗外形的机器人Tekken-IV,它的每个关节安装了一个光电码盘，陀螺仪，倾角计和触觉传感器。系统控制是由基于CPG的控制器通过反射机制来完成的。Tekken-IV能够实线不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。它的另一特点是利用了激光和CCD摄像机导航，可以辨别和避让前方存在的障碍，能够在封闭回廊中实现无碰撞快速行走。 目前最具代表性的四组步行机器人是美国Boston dynamics实验室研制的BigDog,它能以不同的步态在恶劣的地形上攀爬，可以负载高达52KG的重量，爬升斜坡可达35°。其腿关节类似动物腿关节，安装有吸收震动部件和能量循环部件。同时，腿部连有很多传感器，其运动通过伺服电机控制。该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳。但由于汽油发电机需携带油箱，故工作时受环境影响大，可靠性差。另外，当机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。 国内四足机器人研制工作从20世纪80年代起步，取得一定成果的有上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等。 上海交通大学机器人研究所于1991年开展了JTUWM系列四足步行机器人的研究。1996年该研究所研制成功了JTUWM-III，该机器人采用开式链腿机构，每个腿有3个自由度，具有结构简单，外形轻巧，体积小，质量轻等特点。它采用力和位置混合控制，脚底装有PVDF测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，实线了对角动态行走。但行走速度极慢，极限步速仅为1.7KM/h,另外其负重能力有限，故在实际作业时实用性较差。 清华大学所研制的一款四足步行机器人，它采用开环关节连杆机构作为步进机构，通过模拟动物的运动机理，实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件，完成上下坡行走，越障等功能。不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。 综上所述，美国，日本的研究最具代表性，其技术水平已经较为先进，实用化程度也在不断提高。国内四足步行机器的研究起步比较晚，在上个世纪90年代以后才逐渐有了成果，但研究水平距世界先进水平还有差距。 四足步行机器人的研究趋势： （1）实现腿机构的高能，高效性； （2）轮，足运动相结合； （3）步行机器人微型化； （4）增强四足步行机器人的负载能力； （5）机器人仿生的进一步深化； 三、设计内容与要求 作为一种四足步行机器人的设计，我的主要任务就是设计四足步行机器人的结构，并完成四足机器人的步态规划与仿真，使它能够平稳行走并且具有一定的越障能力。 具体工作主要有： （1）掌握计算机三维制图软件Solidworks、Pro-E； （2）对四足步行机器人进行结构设计； （3）完成四足机器人的步态规划与仿真； （4）运用三维制图软件绘制四足步行机器人的装配图； （5）绘制四足步行机器人的主要零件图； （6）完成毕业设计说明书； 四、设计思路与预期成果 通过对国内外机器人文献、期刊等资料的查阅分析其结构运动，开拓发散思维将优点融入自己的设计中，最终完成毕业设计且达到以下预期成果： （1）绘制四足步行机器人的装配图 ； 本文来源：https://www.dywdw.cn/a460f75b7a563c1ec5da50e2524de518974bd37d.html
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2022-12-24
