六足步行机器人的毕业设计说明书
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3、1995年，日本产业技术综合研究所的小谷内、安達等开始研究手脚统一型步行机器人MELMANTIS[16,17]，将手臂的操作机能和脚的移动机能统一，可进行森林采伐作业、地雷探测及拆除作业等。
4、2005年大阪大学的田窪明仁、新井健生等研制成功最新型的手脚统一型步行机器人ASTERISK[10,11]，该步行机器人在2005年4月爱知世博会上展出，具有用脚移动及用手搬运物品或进行作业的双重机能。以机体为中心，呈放射状配置6条腿，表现为全方位均等的作业空间和全方向移动的机能，能在不平地面上移动或悬吊于天花板进行作业，宽816mm，高78mm，每条腿有4个自由度。安装有11个传感器和6个CCD摄像机。11个传感器分别是：1个3轴加速度传感器、1个2轴陀螺仪传感器、6个3轴力传感器和3个红外线传感器，电机采用DX-116，质量4kg。
步行机器人（walking robotlegged robot）或步行车辆（walking vehicle）简称步行机，是一种智能型机器人，它是涉及到生物科学、仿生学、机构学、传感技术及信息处理技术等的一门综合性高科技[10]。在崎岖路面上，步行车辆优于轮式或履带式车辆。腿式系统有很大的优越性[1]：较好的机动性，崎岖路面上乘坐的舒适性，对地形的适应能力强。所以，这类机器人在军事运输、海底探测、矿山开采、星球探测、残疾人的轮椅、教育及娱乐等众多行业，有非常广阔的应用前景，多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之一[1,9]。
10、1990年，中国科学院沈阳自动化研究所研制出全方位六足步行机[9]，不仅能在平地步行，还能上楼梯。该所还研制了水下六足步行机以及采用连杆机构来实现动态步行的四足步行机模型。
11、1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTUWM系列四足步行机器人。JTUWM-III是模仿马等四足哺乳动物的腿外形制成，每条腿有3个自由度，由直流伺服电机分别驱动。在进行步态研究的基础上，通过对3个自由度的协调控制，可完成单腿在空间的移动。该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制系统，JTUWM-III以对角步态行走，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，采用力和位置混合控制，实现了四足步行机器人JTUWM-III的慢速动态行走，极限步速为1.7km/h[6]。为了提高步行速度，将弹性步行机构应用于该四足步行机器人，产生缓冲和储能效果。
KeywordsHexapod robot；Walking；Tripod gait；Kinematics simulation
第
1.1 课题背景
机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一门新兴学科，它在众多领域与生产部门得到了广泛的应用，并显示出强大的生命力。它使得传统的生产发生变革，并对人类社会的生活产生深远的影响，它正在成为工厂，企业进行产品生产，乃至整个国家进行经济和军事较量的重要手段。
12、2000年，上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金SMA驱动的微型六足机器人进行改进，开发出具有全方位运动能力的微型双三足步行机器人MDTWR，其第一代的每条腿只有2个自由度，无法实现机器人的转向，只能进行直线式静态步行，平均行走速度为1mm/s。将机体的主体部分进行改进设计，由上下两层相互平行的三叉支架组成，将六足改进为双三足，引入身体转动关节，采用新型的组合偏动SMA驱动器，使新一代的微型双三足步行机器人MDTWR具有全方位运动能力。
第 ～ 周
第 ～ 周
第 ～ 周
应
完
成
的
内
容
指导教师：
职称： 年 月 日
系级教学单位审批：
年 月 日
摘要
基于仿生学原理，在分析六足昆虫运动机理的基础上，采用了仿哺乳类的腿部结构，并针对这种腿部结构设计了六足的行走方式，通过对18个直流伺服电机的控制，采用三角步态，实现了六足机器人的直行功能。仿真证明，这种结构能较好地维持六足机器人自身的平衡，并且对今后更深入地研究六足机器人抬腿行走姿态及可行性，具有较高的参考价值。
随着机器人的工作环境和工作任务的复杂化以及人们对于娱乐辅助等移动机器人的需求的增加，要求机器人具有更高的灵活性、智能性和环境适应性，足式仿生机器人的发展越来越受到重视。运动性能是足式机器人的一项重要的考查指标，在现有的机器人系统中，大多采用步态规划算法进行步态规划，此方法需要对机器人及环境精确建模，控制过程中进行大量计算和测量，较难满足实时性要求。基于生物节律运动控制机理的仿生机器人通过模拟自然界动物最常见的运动方式——节律运动来实现具有高度稳定性和环境适应性的运动，从而避免了大量的计算与规划，实时性与环境适应性较好[16]。
2、1994年，日本电气通信大学的木村浩（Hiroshi Kimura）等研制成功四足步行机器人Patrush-II，该机器人用两个微处理机控制，采用直流伺服电机驱动，每个关节安装了一个光电码盘，每只脚安装了两个微开关，采用基于神经振荡子模型CPG（Central Pattern Generator）的控制策略，能够实现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特点。
7、吉林工业大学从20世纪70年代开始，由陈秉聪教授和庄继德教授分别带领的两个研究小组，开始进行非常规行走机构的研究[6]。1985年，陆怀民博士研制出一台具有两条平行四边形腿的步行机耕船试验台车，在土槽试验中表现出较高的牵引效率，主要用于无硬底层的水田耕作；1986年，高峰博士对步行车辆的全方位转向进行探索，在步行车辆转向理论方面有独到的见解，提出了一种全方位转向机构，设计了有全方位转向机构的六足步行车辆ARPSV；1990年高义民博士进行了8自由度六足步行车辆的研究，并试制了模型[13]。
As there are many joints in the bionic hexapod walking robot and the calculation of its walkingtrack and joints control unit are comparatively comp-licated，the kinematical simulation and analysis of the modelof bionic hexapod walking robot have been done by using solidworks andUG．ThrΒιβλιοθήκη Baiduugh simulation，theapplicability of designedtripod gaitarevalidated．
针对仿生六足步行机器人关节较多，其步态轨迹规划和关节控制量计算都较为复杂的现状，采用Solidworks软件与UG软件相结合的方式对六足仿生步行机器人的样机模型进行了运动学仿真与分析。通过仿真，验证了所设计的三角步态的适用性。
关键词六足机器人；步行；三角步态；运动学仿真
Abstract
A bionic leg structure which is similar to the legs of mammals was used，and a hexapod walking mode wasdesigned according to this structure．By controlling 18step motors straightwalking function of the hexapod robot has beenimplemented with tripod gait movement．Simulation and experiment show that this structure can keep the hexapod robotbalance better，providing high reference value to research the advantage and feasibility of legraisingwalking gesture．
本科毕业设计（论文）
六足步行机器人设计与仿真
燕 山 大 学
2012年6月
本科毕业设计（论文）
六足步行机器人设计与仿真
学院（系）：里仁学院
专业：机械电子工程
学生姓名：牛智
学号：081101011184
指导教师：田行斌
答辩日期：20012.6.17
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：系级教学单位：
学
号
学生
8、1980年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机，主要用于海底探测作业，并做了越障、爬坡和通过沼泽地的试验。
9、1989年，北京航空航天大学在张启先教授的指导下，孙汉旭博士进行了四足步行机的研究，试制成功一台四足步行机，并进行了步行实验[10]；钱晋武博士研究地壁两用六足步行机器人，进行了步态和运动学方面的研究。
1.1.2
未来多足步行机器人的研究方向有如下几个方面：
(1)腿轮组合式步行机器人。腿式移动机器人地形适应能力强，能越过大的壕沟和台阶，其缺点是速度和效率均比较低。目前，腿式移动机器人系统应用行星探测仍然是很困难的。腿轮组合式步行机器人综合了腿式和轮式机器人的优点，具有较强的地形适应能力、较好的稳定性和较高的能量效率。特别适合用于行星探测，在无法确定待探测地表状态的情况下，采用腿轮组合式步行机器人可提高步行速度和效率。在松软或者崎岖不平的行星地表，采用腿轮组合式显示出优越性，在坚硬且较平坦的地表，由于没有土壤变形引起的阻力，采用轮式结构可有效提高其运动速度。
13、2002年，上海交通大学的颜国正、徐小云等进行微型六足仿生机器人的研究，该步行机器人外形尺寸为：长30mm，宽40mm，高20mm，质量仅为6.3kg，步行速度为3mm/s。他们在分析六足昆虫运动机理的基础上，利用连杆曲线图谱确定行走机构的尺寸，采用微型直流电机、蜗轮蜗杆减速机构和皮带传动机构，在步态和稳定性分析的基础上，进行控制系统软、硬件设计，步行实验结果表明，该机器人具有较好的机动性。
1.1.1
1、1990年，美国卡内基-梅隆大学研制出用于外星探测的六足步行机器人AMBLER[2]，该机器人采用了新型的腿机构，由一个在水平面内运动的旋转杆和在垂直平面内作直线运动的伸展杆组成，两杆正交。该机器人由一台32位的处理机来规划系统运动路线、控制运动和监视系统的状态，所用传感器包括激光测距扫描仪、彩色摄像机、惯性基准装置和触觉传感器。总质量为3180kg，由于体积和质量太大，最终没被用于行星探测计划[7,17]。
姓名
专 业
班 级
题
目
题目名称
题目性质
1.理工类：工程设计（）；工程技术实验研究型（）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）
2.管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）
题目类型
1.毕业设计（）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（）自选题目（）
主
要
内
容
基
本
要
求
参
考
资
料
周次
第 ～ 周
第 ～ 周
从诸葛亮的“木牛流马”到阿西莫夫“的机器人三定律”，长久以来，人们从未停止对机器人的幻想，探索和研究。直到1961年，美国通用机械公司生产和销售了第一台工业机器人，取名为“尤尼梅特”。此后，各国对机器人的研究都给予了相当的重视，各种各样的机器人如雨后春笋般诞生。我国对机器人技术的研究从70年代末起步以来，经过“六五”，“七五”期间的发展，在机器人理论，样机设计，研制及机器人应用工程等方面取得了大批成果。高等学校作为培养高素质人才的基地，同样在机器人领域开展了广泛的研究，如长沙的国防科技大学，上海交通大学，北京航空航天大学，燕山大学等在步行机器人，精密装配机器人，7自由度机器人及并联机器人等前沿领域都取得了可喜的成绩，正在逐步缩小在机器人技术方面与世界先进水平的差距。
5、1980年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机，主要用于海底探测作业，并做了越障、爬坡和通过沼泽地的试验。
6、1989年，北京航空航天大学在张启先教授的指导下，孙汉旭博士进行了四足步行机的研究，试制成功一台四足步行机，并进行了步行实验，钱晋武博士研究地壁两用六足步行机器人，进行了步态和运动学方面的研究[3,4]。
4、2005年大阪大学的田窪明仁、新井健生等研制成功最新型的手脚统一型步行机器人ASTERISK[10,11]，该步行机器人在2005年4月爱知世博会上展出，具有用脚移动及用手搬运物品或进行作业的双重机能。以机体为中心，呈放射状配置6条腿，表现为全方位均等的作业空间和全方向移动的机能，能在不平地面上移动或悬吊于天花板进行作业，宽816mm，高78mm，每条腿有4个自由度。安装有11个传感器和6个CCD摄像机。11个传感器分别是：1个3轴加速度传感器、1个2轴陀螺仪传感器、6个3轴力传感器和3个红外线传感器，电机采用DX-116，质量4kg。
步行机器人（walking robotlegged robot）或步行车辆（walking vehicle）简称步行机，是一种智能型机器人，它是涉及到生物科学、仿生学、机构学、传感技术及信息处理技术等的一门综合性高科技[10]。在崎岖路面上，步行车辆优于轮式或履带式车辆。腿式系统有很大的优越性[1]：较好的机动性，崎岖路面上乘坐的舒适性，对地形的适应能力强。所以，这类机器人在军事运输、海底探测、矿山开采、星球探测、残疾人的轮椅、教育及娱乐等众多行业，有非常广阔的应用前景，多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之一[1,9]。
10、1990年，中国科学院沈阳自动化研究所研制出全方位六足步行机[9]，不仅能在平地步行，还能上楼梯。该所还研制了水下六足步行机以及采用连杆机构来实现动态步行的四足步行机模型。
11、1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTUWM系列四足步行机器人。JTUWM-III是模仿马等四足哺乳动物的腿外形制成，每条腿有3个自由度，由直流伺服电机分别驱动。在进行步态研究的基础上，通过对3个自由度的协调控制，可完成单腿在空间的移动。该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制系统，JTUWM-III以对角步态行走，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，采用力和位置混合控制，实现了四足步行机器人JTUWM-III的慢速动态行走，极限步速为1.7km/h[6]。为了提高步行速度，将弹性步行机构应用于该四足步行机器人，产生缓冲和储能效果。
KeywordsHexapod robot；Walking；Tripod gait；Kinematics simulation
第
1.1 课题背景
机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一门新兴学科，它在众多领域与生产部门得到了广泛的应用，并显示出强大的生命力。它使得传统的生产发生变革，并对人类社会的生活产生深远的影响，它正在成为工厂，企业进行产品生产，乃至整个国家进行经济和军事较量的重要手段。
12、2000年，上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金SMA驱动的微型六足机器人进行改进，开发出具有全方位运动能力的微型双三足步行机器人MDTWR，其第一代的每条腿只有2个自由度，无法实现机器人的转向，只能进行直线式静态步行，平均行走速度为1mm/s。将机体的主体部分进行改进设计，由上下两层相互平行的三叉支架组成，将六足改进为双三足，引入身体转动关节，采用新型的组合偏动SMA驱动器，使新一代的微型双三足步行机器人MDTWR具有全方位运动能力。
第 ～ 周
第 ～ 周
第 ～ 周
应
完
成
的
内
容
指导教师：
职称： 年 月 日
系级教学单位审批：
年 月 日
摘要
基于仿生学原理，在分析六足昆虫运动机理的基础上，采用了仿哺乳类的腿部结构，并针对这种腿部结构设计了六足的行走方式，通过对18个直流伺服电机的控制，采用三角步态，实现了六足机器人的直行功能。仿真证明，这种结构能较好地维持六足机器人自身的平衡，并且对今后更深入地研究六足机器人抬腿行走姿态及可行性，具有较高的参考价值。
随着机器人的工作环境和工作任务的复杂化以及人们对于娱乐辅助等移动机器人的需求的增加，要求机器人具有更高的灵活性、智能性和环境适应性，足式仿生机器人的发展越来越受到重视。运动性能是足式机器人的一项重要的考查指标，在现有的机器人系统中，大多采用步态规划算法进行步态规划，此方法需要对机器人及环境精确建模，控制过程中进行大量计算和测量，较难满足实时性要求。基于生物节律运动控制机理的仿生机器人通过模拟自然界动物最常见的运动方式——节律运动来实现具有高度稳定性和环境适应性的运动，从而避免了大量的计算与规划，实时性与环境适应性较好[16]。
2、1994年，日本电气通信大学的木村浩（Hiroshi Kimura）等研制成功四足步行机器人Patrush-II，该机器人用两个微处理机控制，采用直流伺服电机驱动，每个关节安装了一个光电码盘，每只脚安装了两个微开关，采用基于神经振荡子模型CPG（Central Pattern Generator）的控制策略，能够实现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特点。
7、吉林工业大学从20世纪70年代开始，由陈秉聪教授和庄继德教授分别带领的两个研究小组，开始进行非常规行走机构的研究[6]。1985年，陆怀民博士研制出一台具有两条平行四边形腿的步行机耕船试验台车，在土槽试验中表现出较高的牵引效率，主要用于无硬底层的水田耕作；1986年，高峰博士对步行车辆的全方位转向进行探索，在步行车辆转向理论方面有独到的见解，提出了一种全方位转向机构，设计了有全方位转向机构的六足步行车辆ARPSV；1990年高义民博士进行了8自由度六足步行车辆的研究，并试制了模型[13]。
As there are many joints in the bionic hexapod walking robot and the calculation of its walkingtrack and joints control unit are comparatively comp-licated，the kinematical simulation and analysis of the modelof bionic hexapod walking robot have been done by using solidworks andUG．ThrΒιβλιοθήκη Baiduugh simulation，theapplicability of designedtripod gaitarevalidated．
针对仿生六足步行机器人关节较多，其步态轨迹规划和关节控制量计算都较为复杂的现状，采用Solidworks软件与UG软件相结合的方式对六足仿生步行机器人的样机模型进行了运动学仿真与分析。通过仿真，验证了所设计的三角步态的适用性。
关键词六足机器人；步行；三角步态；运动学仿真
Abstract
A bionic leg structure which is similar to the legs of mammals was used，and a hexapod walking mode wasdesigned according to this structure．By controlling 18step motors straightwalking function of the hexapod robot has beenimplemented with tripod gait movement．Simulation and experiment show that this structure can keep the hexapod robotbalance better，providing high reference value to research the advantage and feasibility of legraisingwalking gesture．
本科毕业设计（论文）
六足步行机器人设计与仿真
燕 山 大 学
2012年6月
本科毕业设计（论文）
六足步行机器人设计与仿真
学院（系）：里仁学院
专业：机械电子工程
学生姓名：牛智
学号：081101011184
指导教师：田行斌
答辩日期：20012.6.17
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：系级教学单位：
学
号
学生
8、1980年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机，主要用于海底探测作业，并做了越障、爬坡和通过沼泽地的试验。
9、1989年，北京航空航天大学在张启先教授的指导下，孙汉旭博士进行了四足步行机的研究，试制成功一台四足步行机，并进行了步行实验[10]；钱晋武博士研究地壁两用六足步行机器人，进行了步态和运动学方面的研究。
1.1.2
未来多足步行机器人的研究方向有如下几个方面：
(1)腿轮组合式步行机器人。腿式移动机器人地形适应能力强，能越过大的壕沟和台阶，其缺点是速度和效率均比较低。目前，腿式移动机器人系统应用行星探测仍然是很困难的。腿轮组合式步行机器人综合了腿式和轮式机器人的优点，具有较强的地形适应能力、较好的稳定性和较高的能量效率。特别适合用于行星探测，在无法确定待探测地表状态的情况下，采用腿轮组合式步行机器人可提高步行速度和效率。在松软或者崎岖不平的行星地表，采用腿轮组合式显示出优越性，在坚硬且较平坦的地表，由于没有土壤变形引起的阻力，采用轮式结构可有效提高其运动速度。
13、2002年，上海交通大学的颜国正、徐小云等进行微型六足仿生机器人的研究，该步行机器人外形尺寸为：长30mm，宽40mm，高20mm，质量仅为6.3kg，步行速度为3mm/s。他们在分析六足昆虫运动机理的基础上，利用连杆曲线图谱确定行走机构的尺寸，采用微型直流电机、蜗轮蜗杆减速机构和皮带传动机构，在步态和稳定性分析的基础上，进行控制系统软、硬件设计，步行实验结果表明，该机器人具有较好的机动性。
1.1.1
1、1990年，美国卡内基-梅隆大学研制出用于外星探测的六足步行机器人AMBLER[2]，该机器人采用了新型的腿机构，由一个在水平面内运动的旋转杆和在垂直平面内作直线运动的伸展杆组成，两杆正交。该机器人由一台32位的处理机来规划系统运动路线、控制运动和监视系统的状态，所用传感器包括激光测距扫描仪、彩色摄像机、惯性基准装置和触觉传感器。总质量为3180kg，由于体积和质量太大，最终没被用于行星探测计划[7,17]。
姓名
专 业
班 级
题
目
题目名称
题目性质
1.理工类：工程设计（）；工程技术实验研究型（）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）
2.管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）
题目类型
1.毕业设计（）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（）自选题目（）
主
要
内
容
基
本
要
求
参
考
资
料
周次
第 ～ 周
第 ～ 周
从诸葛亮的“木牛流马”到阿西莫夫“的机器人三定律”，长久以来，人们从未停止对机器人的幻想，探索和研究。直到1961年，美国通用机械公司生产和销售了第一台工业机器人，取名为“尤尼梅特”。此后，各国对机器人的研究都给予了相当的重视，各种各样的机器人如雨后春笋般诞生。我国对机器人技术的研究从70年代末起步以来，经过“六五”，“七五”期间的发展，在机器人理论，样机设计，研制及机器人应用工程等方面取得了大批成果。高等学校作为培养高素质人才的基地，同样在机器人领域开展了广泛的研究，如长沙的国防科技大学，上海交通大学，北京航空航天大学，燕山大学等在步行机器人，精密装配机器人，7自由度机器人及并联机器人等前沿领域都取得了可喜的成绩，正在逐步缩小在机器人技术方面与世界先进水平的差距。
5、1980年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机，主要用于海底探测作业，并做了越障、爬坡和通过沼泽地的试验。
6、1989年，北京航空航天大学在张启先教授的指导下，孙汉旭博士进行了四足步行机的研究，试制成功一台四足步行机，并进行了步行实验，钱晋武博士研究地壁两用六足步行机器人，进行了步态和运动学方面的研究[3,4]。