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1、轮腿机器人开题报告河北工业大学硕士学位论文开题报告论文题目六轮腿移动机器 人的仿生机构研究2013年12 月2 日 1.课题的研究背景及意义移动机器人是一种能够通过内、外传感器反 馈信息感知环境及自身状态,实现在有障碍物的环境中自主运动,从 而完成一定功能或任务的机器人系统1。目前已广泛运用于野外考 察、地震救灾、环境检测、娱乐生活等诸多行业，在安全、军事、生 活以及科学研究中扮演着越来越重要角色。其中轮式机器人结构简单 容易实现，具有移动速度快、转向性能好、行走效率高等特点。但同 时适应地形和避障的能力差。足式机器人对地形的适应能力较好，可 以跨越障碍物、台阶等，但运动间歇大，速度慢。随着移
2、动机器人的 不断开发和应用范围的扩展，未来会在更多复杂且未知的环境中工作 仅仅依靠轮式或者足式的移动机器人已无法完全适应工作环境的复 杂性和多样性了。为了配合对移动机器人性能要求的逐渐提高，相继 问世了许多混合式的移动机构，其中轮腿式移动机器人就融合了轮式 移动机器人和腿式移动机器人的特点。既可以保证在平坦地面的移动 效率又具有了良好的跨越障碍的能力2。 但当轮腿式移动机器人采用足式的方式行走时目前在技术上还存在 许多困难，然而在自然界中存在的多足昆虫则可以通过它们长期进化 得到的复杂且精妙的肢体结构和灵活的的运动方式，容易地通过了各 种复杂的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。因此，将多
3、足 昆虫的行为学研究成果，融入到移动机器人的结构设计与控制 中，开发具有卓越移动能力的轮腿式仿生移动机器人，对于足式移动 机器人和轮腿式移动机器人技术的研究与应用都具有重要的理论和 现实意义3。本文从仿生的角度出发，对轮腿机器人进行结构设计，使其可以在跨 越障碍物、沟壑、楼梯等不规则地形保持机体平稳和运动的效率。主 要的问题在于解决腿部结构，使其可以获得更好的稳定性和更低的能 量消耗。结合轮式和足式的优点，根据不同的环境变换轮式运动和足 式运动两种运动方式，达到良好的运动灵活性和较高的移动速度的统 一，提供良好的应用平台。为了能够保持机器人的稳定移动，这就要求机器人足数越多越好。当 机器人在选
4、择腿式不行和轮子转动时需要进行轮腿的转换，在转换的 过程中，腿部需要上抬，其余的腿用来保持平衡，这样就需要至少四 条腿，否则无法在转换过程中保持身体的平衡。随着足数的增加，其 稳定程度会增加，但七足以上就会基本达到饱和。因此本课题选择六 轮腿仿生机器人作为研究的对象，既具有冗余的腿部结构保持稳定， 同时又不会造成腿部的浪费。对地形的适应能力比较强，能够在复杂 的地表高效行走，即使失去若干肢体也依然可以执行任务，因此比较 适合进行野外侦查、水下搜索以及太空探测等对机器人的可靠性、自 主性要求较高的工作。并参考仿生学的成果，对六足昆虫的腿部进行 研究。分析了腿部结构和功能特点，以此为基础设计完成了
5、六足仿生 机器人的单腿结构 2.六轮腿机器人研究现状及趋势 轮腿式机器人作为移动机器人的一部分，兼具了轮子和腿的功能，具 有优良的越障能力和机动性能，简单的结构形式以及移动中的高效性 和平稳性。在平整的地形可以运用轮子结构前行，在非平整地形环境 可以采用足式或轮腿复合式前进。具有速度高、能耗低、地形适应性 强的特点。近几十年来，轮腿式移动机器人技术得到了很快的发展，并有许多成 功的案例。轮腿式移动机器人多用在抢险、排爆、污染源检测测、外 星探测等领域4国内外的发展现状美国喷气与推进实验室（JPL）研 制了 1997年被人类送上火星的第一台探测车sojourner （如图）， Sojourner
6、是一辆微型自主式机器人车辆,采用六轮摇臂悬吊式结构， 即有 6 个独立悬挂的驱动轮,传动比为2000:1，本机器人是真正意义 上的六轮腿式移动机器人。以及后来的火星探测车漫游者（marsrover） 机器人（如图），该款机器人拥有最先进的机动性，其六轮腿式结构 是目前最先进的,具有强大的越障能力。原地360。的转弯能力及伸缩 性，除了其先进的机动性能，探路者机器人上安装了包括Pancam（立 体摄像头）、Mini-TES（红外分光仪）、显微镜、Mossbauer（分光仪， 用来测定岩石成分）、APXS（ALPHA射线）系统、RAT（RockAbrasionTool） 系统等各种先进的仪器来探测
7、环境，观察并分析岩石和土壤。用来探 测火星上是否有生命，以及有没有生命的遗迹、火星上的地质和气候 环境。美国全地形六足星际探测器运动员（ATHLETE）同样也是由美国宇航局 喷气与推进实验室（JPL）研制的（如图），Athlete高13英尺（3.96 米），重357石（2268公斤），它可携带超过2285 石万公斤）有效载荷， 但它比通常的行星探索车轻25%。其最快行进速度能达到10m/ s, 最大爬坡能力为50 度硬质土地，25 度沙地。最大越障高度可达2.8 米。为了减轻重量他将工具安装在了腿上,当轮子抬起来的时候,可图 sojourner 探测车图 marsrover 探测车图美国全地形
8、六足星际探测器 ATHLETE以安装、拆卸工具，比如钳子和电钻等（如图）。ATHLETE可以通过 远程控制实现行走,甚至的跳跃和舞蹈。该机器人拥有6条关节型腿, 腿上安有轮子，因此即便在凸凹不平的地形上，它也能行动自如。同 时 ATHLETE 机器人的六个负重轮拥有极大的灵活性，可在各种复杂的 地形下前进。在遇到障碍时，可以通过抬腿越过障碍。每条腿都有安 装有内置的摄像头，摄像头拍摄到的视频信息经过整合处理，可以同 时显示在一个显示器上，为控制人员展示机器人周边的 3D 影像5。哈尔滨工业大学研制的两款轮腿式移动机器人HIT-HYBT0R6和 HITAN-I7（如图它们的移动系统都由四套轮腿混
9、合式移动机构组成, 每套移动机构四个自由度，车轮独立驱动,腿关节三个自由度，可实 现轮式或腿式移动。轮式移动时，腿上各关节锁定,由车轮独立驱动。 腿式移动时，当前进时制动器锁止足底轮。腿部驱动选用蜗轮蜗图轮 子抬起来，这样铲子（左）和钻头（右）就能安装在机器人的腿上 杆机构，这种设计可以将电机藏于腿的肢体内，结构更加紧凑。是一 个可以直行、原地转向、楼梯爬越、足底轮滚进的复合运动的轮腿机 器人8。HITAN-I四条腿末端的车轮都可独立驱动，这种设计可以保 证移动机构具有更好的环境适应性，但电机数量的增多使机构负载提 高，控制难度加大。由日本研制的Roller-Walker910（图）也是一种四
10、足轮-腿混合 式移动机器人，和所有其它成果不同的是，安装在四条腿末端的车轮 均为被动轮，不能独立驱动。它的运动原理类似于溜旱冰，依靠腿部 驱动产生的推力实现轮式移动，它结构设计上的另一个独特之处在于 车轮可转过90o,当平台以步行方式移动时，可为腿式移动的脚，这 种机构的优点在于充分挖掘了车轮的性能，松软工作环境下可在一定 程度上减小对地压强。现有轮腿移动机器人结构分类图HIT-HYBTOR和HITAN-I 对于现有轮腿式移动机构来说，虽然功能上非常相近，但是结构上千 差万别，综合它们的结构特点大体可以划分为两类： 第一类从结构上来看就是将轮子安装在腿部的末端，使轮和腿形成串 联结构，以轮作脚
11、。这是轮腿混合式机构系统中比较常见的一种。是 目前研究成果较多的一类。大多情况下轮和腿各自保持独立驱动，这 种特点保证了它们功能上既能够以单一方式移动，这时就相当于纯粹 的轮式或腿式移动。又可以两种移动机构同时发挥作用，以混合方式 移动。可以看出，这种系统实际上只是两种移动方式功能上的简单组 合。结构上两种子机构具有明显的独立性和完整性。上述几种都属于 等都属于这一类11。第二类从结构上来看轮和腿完全分离，移动中两者或同时发挥作用以 混合式移动，或采用单一方式移动。和第一类相比结构上更加简单， 控制更容易。33 本课题的主要内容和研究目标本课题的研究目标是完成一个六轮 腿仿生移动机器人的机构设
12、计，并从仿生机制、构型设计、建模仿真 等方面进行深入的研究，主要内容如下。六轮腿机器人的腿部机构设计我们所设计的机器人采用四自由度的 关节式腿机构，每条腿都是一个平面连杆机构，由四段结构组成：髋 关节、大腿、膝关节和小腿。为了缩小摆腿时的转动惯量，使机器人 运行尽可能平稳。应尽量将电机、减速器等装置安装在机体上。因此我们把髋关节的驱动电机及减 速安装在机体上。其余装置安装在结构之间的关节上。六条腿均安装有轮子，每个轮子配有一个独立的电机控制转动。即每 条腿共有四个转动关节和一个旋转关节。当机器人从足式转换成轮式 结构时，调整大腿和膝关节之间角度以及膝关节和小腿之间的角度， 完成轮子的抬起和落下
13、。（2）六轮腿机器人的机体设计机体的设计首先要考虑两个因素：一 是避免腿部之间发生碰撞，扩大腿部的活动范围；二是增加机体的稳 定性。又由于机体是一个支持的平台，平台上需要安装控制器、电源 模块、关节驱动电机、减速器等部件，其长度和宽度又必须满足这些 部件的安装需要。同时，因该机器人六条腿与机体相连，还需要考虑 整体布局和安装定位。基于对多足昆虫的仿生分析，选择椭圆形的机 体形式1213。在选材既要考虑机体的高强度，也要注意减少机器 人的整体重量。44. 本课题采用的研究方法（1）.建立模型：在solidworks中建立 六轮腿机器人的单腿模型。（2）进行结构优化：通过 Matlab 对比其不同
14、结构比例情况下的工作 空间、灵活度和能耗。腿部长度及各部分尺寸进行优化。（3）精确仿真：在 Admas 中导入机构，对其进行仿真，选取合适电 机。55. 本课题研究的主要难点（1）机器人整体结构尺寸优化过程中， 对于空间体积求解存在误差，无法得到最优方案。（2）末端惯性过大，对电机的要求高，容易出现刚性差的现象，引 起机器人整体稳定性差。66. 本课题研究进度安排阅读相关文献，对课题中的关键技术进行研 究，确定各阶段具体方法。提出腿部结构方案，对其进行优化。:确定方案，进行仿真，选取合适的电机和减速器等，绘出三维及二 维图纸。制作单腿的实体，对其进行各项测试和修改。:完成六条腿的制作及机体的设
15、计和制作开始组织材料，撰写课题论 文。参考文献1王海彬,黄永生,姚丹霖.国外地面军用机器人系统综述.汽车运用,2005,11:18-20.2陈甫.六足仿生机器人的研制及其运动 规划研究.哈尔滨工业大学硕士论文.20093张立杰.新型复合式仿生轮-腿机构运动学及动力学研究.国防科技大学博士论文.20084YasuhisaHirata,ZhidongWang,KentaFukayaandKazuhiroKosuge.TransportinganObjectbyaPassiveMobotwithServoBrakesinCooperationwithaHuman.AdvancedRobotics23
16、(2009)387404.5Pa rusha,Pulsifer.UnderstandingthroughStructure:TheChallengeso fInfor-mationandNavigationArchitectureinCybercartographyJ .Cartographica,2006，41(1)：21-346WangPengfei,HuangBo,SunResearchonMulti-motionModeQuad-rupedBionicRobotBasedonMoving.oftheIEEEInt.Conf.onMechatronicsAutomationNiagaraFalls,Canada,July29-Aug.1,2005.1935194.7KenjiH,TakuyaH,YusukeS,etbyBipedLeg-whe
