柔性四足步态仿生机器人的机械系统设计与功能仿真开题报告
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)。
[8]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社, 2006
[9]熊有伦.机器人技术基础[M].武汉:华中理工大学出版社,1996,8:15-23页,65-67,59
[10]马香峰.机器人机构学[M].北京:机械工业出版社,1991,9:23-26
[11]邓奇，具弹性躯干仿生四足机器人准被动动力学研究，上海交通大学博士学位论文，2012.9
6.中期检查：第二学期第十周（05.11-05.17）
7.预计小组答辩：2015年6月10日至2015年6月12日
8.预计公开答辩：2015年6月15日至2015年6月21日
9.上报成绩时间：第十六周（这是把成绩提交到教务处的时间）
指导
教师
意见
指导教师签字___________
年月日
院系
毕业
设计
领导
西南科技大学毕业设计（论文）开题报告
学院
制造科学与工程学院
专业班级
机械设计制造及其自动化
姓名
学号
题目
柔性四足步态仿生机器人的机械系统设计与功能仿真
题目类型
应用研究
一、选题背景及依据（简述国内外研究现状、生产需求状况，说明选题目的、意义，列出主要参考文献）
（一）选题目的、意义
移动是机器人最为重要的能力之一。利用可移动的机器人系统，人类可以实现危险或复杂环境下的作业。目前陆上移动机器人采用的移动方式主要有蠕动式、轮式、履带式和足式。其中蠕动式运动速度慢，主要应用于诸如管道、废墟等狭小空间内的作业。与蠕动式机器人相比，轮式和履带式速度较快，结构简单，控制方便，运动能耗小，应用范围较广。但是地球表面的许多区域都不适合轮式或者履带式的机器人通行，如不平坦的石床和陡峭的山坡等，这些客观存在的地表特征在一定程度上限制了机器人的活动范围。反观陆地上的四足哺乳动物，它们对地球表面的复杂地形有着极强的适应能力，如山羊能够攀爬陡峭的山崖、雪撬犬能在北极的积雪中来去自如、猎豹能够从隐藏的草丛中瞬间启动并加速至极速以捕食猎物。这些哺乳动物的运动能力是目前绝大多数轮式或履带式交通工具所无法比拟的。为了增强机器人的地形适应能力，扩大人类对自然的探索领域，模仿自然界生物的足式运动特点的足式机器人一直是研究热点之一。根据足的数量，可将现有的足式机器人分为双足、四足、六足、八足甚至更多。其中，四足机器人由于具有稳定性好、环境适应与承载能力强、能实现高速移动等优点，尤其受到国内外机器人研究学者的重视对四足机器人而言，速度是评价机器人性能的重要指标之一。过低的运动速度将会限制四足机器人在未知地形探索、外星球探索、灾情险情救援以及军事等应用范围。因此，在当前的四足机器人研究中，实现机器人的高速奔跑、弹跳越障、吸能减震正在逐渐成为研究的重点。
2.接受任务书:2015年1月12日至2015年1月23日
(若学生是在复选阶段选的题目，请指导老师在3月16日至3月20日让学生接收任务书)
3.毕业实习：第二学期第一周——第三周（03.09-03.29）
4.开题报告：第二学期第四周——第五周（03.30-04.10）
5.完成初稿：第二学期第六周——第十四周（04.13-06.09）
[4]王沫楠.仿生机器蟹机构设计及结构参数优化[Ｊ].机械与电子,2004(8).
[5]王沫楠,孙立宁.仿生机器蟹步行腿结构设计及运动学、动力学分析[Ｊ].机械设计与研究,2005,21(5).
[6]张秀丽.四足机器人节律运动及环境适应性的生物控制研究[Ｄ].北京:清华大学,2004.
[7]郑文纬,吴克坚主编.机械原理[M].高等教育出版社，[1997.7]
二、主要研究（设计）内容、研究（设计）思想及工作方法或工作流程
（一）本课题研究的主要内容包括：
1、四足机器人本体结构设计。
2、运动学步态分析。
3、基于adams的四足机器人的运动设计与仿真。
下面是本次课题的安排流程图：
三、毕业设计（论文）工作进度安排
1.学生复选：2015年3月12日至2015年3月15日
（四）参考文献:
[1]代良全,张昊,戴振东.仿壁虎机器人足端工作空间分析及其实现协调运动的步态规划[Ｊ].机器人,2008,30(2).
[2]韩宝玲,王秋丽,罗庆生.六足仿生步行机器人足端工作空间和灵活度研究[Ｊ].机械设计与研究,2006,22(4).
[3]吴明阳,孟庆鑫.仿生机器蟹系统设计研究[Ｊ].林业机械与木土设备,2005,33(4).
[20]Fumiya Iida, Gabriel G´omez, and Rolf Pfeifer Artificial Intelligence Laboratory,Exploiting Body Dynamics for Controlling a Running Quadruped Robot,Department of Informatics,University of Zurich ,Andreasstrasse 15, CH-8050 Zurich, Switzerland
[12]章忠良，四足机器人运动学及动力学研究，电子科技大学硕士学位论文，2012.4
[13]阮祥伟，基于虚拟样机的液压驱动四足步行机器人机构设计.武汉:武汉科技大学2009.
[14]孙汉旭，四足步行机器人研究.北京:航空航天大学1989.
[15]张锦荣，基于虚拟样机技术的四足机器人仿真研究，西安:西北工业大学2007.
在国内，四足机器人研究比较有代表性的有中国科学院自动化研究所的FROG-I[22](图1–5)，清华大学的Biosbot[23, 24]，哈尔滨工业大学的轮足混合驱动机器人HIT-HYBTOR[25](图1–6)等，另外北京航空航天大学机器人研究所的仿生鱼、西北工业大学的扑翼飞机、南京航空航天大学仿生壁虎研究非常具有特色和影响力。浙江大学、中国科技大学、吉林大学、华中科技大学以及上海交通大学等在仿生机器人研究方面也有诸多重要研究成果。
小组
审核
意见
难度
综合训
练程度
是否隶属科研项目
教学院长（公章）___________
年月日
备注：1、题目类型分为：理论研究、应用研究、设计开发和其它。
2、题目难度分为：A、B、C、D四个等级。
3、综合训练程度分为：A、B、C三个等级。
现代四足机器人的研究工作始于20世纪60年代。基于机械与液压控制技术，Mosher于1968年设计了人工操作的四足步行车“Walking Truck”(图1–1)[11]
。
图1–1Mosher开发的四足步行车1–2四足机器人SCOUT-II
图1–3四足机器人Tekken图1–4四足机器人KOLT
该四足步行系统由操作人员进行控制，可以实现行走、跨障等运动但第一台真正意义的四足步行机器人由Frank和McGhee于1977年制作，这一机器人首次使用计算机对运动进行控制，可以实现固定的运动形式[12]。在20世纪80、90年代，由于电子计算机的飞速发展，四足机器人进入了高速发展的阶段。在这一时期各国学者研制出了许多具有代表性的四足仿生机器人，如么美国MIT大学由Raibert等人开发的四足机器人[13]，法国巴黎机器人试验室开发的四足机器人RALPHY[14]，日本Shigeo Hirose实验室开发的TITAN系列机器人[1, 5, 15]，加拿大McGill大学开发的SCOUT系列机器人[6](图1–2)，德国的四足机器人BISAM[16]，以及瑞典皇家技术学院开发的WARP-I等[17]。借助于有效的控制算法，这些四足机器人能够实现在不平整地面的自适应低速静态步行，例如TITAN-VIII的极限步行速度为3.24 km/h[5]。
进入21世纪后，四足机器人获得了大范围应用用，包括未知地形考察、外星球探索、灾情险情救援、军事目的等，但是过低的运动速度会极大的限制四足机器人的实际应用。因此，研究学者已不满足于机器人的低速静态步行，希望能够实现高速动态奔跑。目前最具代表性的机器人有日本电信通信大学研发的Tekken[18](图1–3)，美国俄亥俄州立大学研发的四足机器人KOLT[19](图1–4)，以及美国Carnegie Mellon大学与Boston Dynamics公司等联合研制的LittleDog[20]和BigDog[21]等。在这些机器人中，BigDog的性能相对最为出色，该机器人由液压驱动，平衡能力佳，可以实现25°上坡和35°下坡，其小跑（trot）速度可以达到6.48 km/h。
（二）国内、外研究现状
“机器人”这个词最早出现在1920年捷克斯洛伐克剧作家卡雷洛查普茨库的作品《萨姆罗万能机器人公司R.U.R》，而最早的足式行走系统可以追溯到我国古代的“木牛流马”。在十九世纪末期，摄影师Muybridge第一次使用连续摄影的方法研究动物的行走，可以视为四足运动系统研究的开端[10]。
[16]张秀丽，郑浩峻，陈恳等.机器人仿生学研究综述，机器人，2002, 24(2): 188-192.
[17]槐创锋，四足步行机器人建模与控制方法，北京:北京交通大学2009.
[18]S.Talebi,I.Poulakakis,E.Papadopoulos,M.Buehler Quadruped Robot Running With a Bounding Gait , Proceedings of the Seventh International Symposium on Experimental Robotics , Honolulu, Hawaii, December 10-13, 2000
[19]Marc Raibert, Kevin Blankespoor, Gabriel Nelson, Rob Playter,BigDog,the Rough-Terrain Quadruped Robot , Proceedings of the 17th World CongressThe International Federation of Automatic Control,Seoul, Korea, July 6-11, 2008
本研究针对实际应用对仿生四足机器人的运动速度的要求，以及现有研究的不足之处，以自然界中四足哺乳动物为参照，结合四足哺乳动物的解剖及运动分析，建立具有弹性躯干关节的仿生四足机器人动力学模型，并以现实四足哺乳动物的运动特征为基础构建仿生四足机器人的运动步态，在动力学分析的基础上研究脊柱关节运动机理、特性及其与其它结构的耦合关系，研究高速疾驰的关键机理。研究成果能够为可高速奔跑具有脊柱关节的仿生四足机器人的设计与控制提供理论依据。
图1–5中国科学院自动化研究所的FROG-I图1–源自哈尔滨工业大学的HIT-HYBTOR
在上述研究中，科研人员把四足机器人的躯干均设计为刚性结构，将重点集中于腿部结构的设计或连续运动时腿部关节的控制。
（三）生产需求状况
随着机器人作业环境的复杂化，要解决机器人面临的问题，必须向自然界学习，从自然界为人类提供的丰富多彩的实例中寻求解决问题的途径，通过对自然界生物的学习、模仿、复制和再造的过程中，发现和发展相关的理论和技术方法，使机器人在功能和技术层次上不断提高。仿生机器人在军事，娱乐和服务等方面的重要性，已经成为未来机器人研究的热点。
一，随着先进制造技术的发展，仿生机器人已从当初的上下料功能向高度柔性、高效率和精密装配功能转化。二，近年来，对移动机器人的研究到越来越多的重视使机器人能够移动到固定式机器人无法达到的预定目标，完成设定的操作任务。包括步行机器人和爬行机器人等。仿生移动式机器人在工业、农业和国防上具有广泛的应用前景，它们能用于卫星探测、军事侦察、危险的废料处理以及农业生产中。三、仿生机器人的运动轨迹是由离散的点所组成相比于轮式和履带式移动机器人有更广泛的应用范围。因此有很好的发展前景：如能够在山地、瓦砾堆、河流等支撑点不固定且不规则的场合中有很好的适应性由于它可以在非结构环境中完成运输任务，如山地运输、台阶搬运等，所以多足步行机器人是一个很好的移动运输载体。这使得多足步行机器人在野外作业、空间探索、救援救灾方面具有重大作用。
[9]熊有伦.机器人技术基础[M].武汉:华中理工大学出版社,1996,8:15-23页,65-67,59
[10]马香峰.机器人机构学[M].北京:机械工业出版社,1991,9:23-26
[11]邓奇，具弹性躯干仿生四足机器人准被动动力学研究，上海交通大学博士学位论文，2012.9
6.中期检查：第二学期第十周（05.11-05.17）
7.预计小组答辩：2015年6月10日至2015年6月12日
8.预计公开答辩：2015年6月15日至2015年6月21日
9.上报成绩时间：第十六周（这是把成绩提交到教务处的时间）
指导
教师
意见
指导教师签字___________
年月日
院系
毕业
设计
领导
西南科技大学毕业设计（论文）开题报告
学院
制造科学与工程学院
专业班级
机械设计制造及其自动化
姓名
学号
题目
柔性四足步态仿生机器人的机械系统设计与功能仿真
题目类型
应用研究
一、选题背景及依据（简述国内外研究现状、生产需求状况，说明选题目的、意义，列出主要参考文献）
（一）选题目的、意义
移动是机器人最为重要的能力之一。利用可移动的机器人系统，人类可以实现危险或复杂环境下的作业。目前陆上移动机器人采用的移动方式主要有蠕动式、轮式、履带式和足式。其中蠕动式运动速度慢，主要应用于诸如管道、废墟等狭小空间内的作业。与蠕动式机器人相比，轮式和履带式速度较快，结构简单，控制方便，运动能耗小，应用范围较广。但是地球表面的许多区域都不适合轮式或者履带式的机器人通行，如不平坦的石床和陡峭的山坡等，这些客观存在的地表特征在一定程度上限制了机器人的活动范围。反观陆地上的四足哺乳动物，它们对地球表面的复杂地形有着极强的适应能力，如山羊能够攀爬陡峭的山崖、雪撬犬能在北极的积雪中来去自如、猎豹能够从隐藏的草丛中瞬间启动并加速至极速以捕食猎物。这些哺乳动物的运动能力是目前绝大多数轮式或履带式交通工具所无法比拟的。为了增强机器人的地形适应能力，扩大人类对自然的探索领域，模仿自然界生物的足式运动特点的足式机器人一直是研究热点之一。根据足的数量，可将现有的足式机器人分为双足、四足、六足、八足甚至更多。其中，四足机器人由于具有稳定性好、环境适应与承载能力强、能实现高速移动等优点，尤其受到国内外机器人研究学者的重视对四足机器人而言，速度是评价机器人性能的重要指标之一。过低的运动速度将会限制四足机器人在未知地形探索、外星球探索、灾情险情救援以及军事等应用范围。因此，在当前的四足机器人研究中，实现机器人的高速奔跑、弹跳越障、吸能减震正在逐渐成为研究的重点。
2.接受任务书:2015年1月12日至2015年1月23日
(若学生是在复选阶段选的题目，请指导老师在3月16日至3月20日让学生接收任务书)
3.毕业实习：第二学期第一周——第三周（03.09-03.29）
4.开题报告：第二学期第四周——第五周（03.30-04.10）
5.完成初稿：第二学期第六周——第十四周（04.13-06.09）
[4]王沫楠.仿生机器蟹机构设计及结构参数优化[Ｊ].机械与电子,2004(8).
[5]王沫楠,孙立宁.仿生机器蟹步行腿结构设计及运动学、动力学分析[Ｊ].机械设计与研究,2005,21(5).
[6]张秀丽.四足机器人节律运动及环境适应性的生物控制研究[Ｄ].北京:清华大学,2004.
[7]郑文纬,吴克坚主编.机械原理[M].高等教育出版社，[1997.7]
二、主要研究（设计）内容、研究（设计）思想及工作方法或工作流程
（一）本课题研究的主要内容包括：
1、四足机器人本体结构设计。
2、运动学步态分析。
3、基于adams的四足机器人的运动设计与仿真。
下面是本次课题的安排流程图：
三、毕业设计（论文）工作进度安排
1.学生复选：2015年3月12日至2015年3月15日
（四）参考文献:
[1]代良全,张昊,戴振东.仿壁虎机器人足端工作空间分析及其实现协调运动的步态规划[Ｊ].机器人,2008,30(2).
[2]韩宝玲,王秋丽,罗庆生.六足仿生步行机器人足端工作空间和灵活度研究[Ｊ].机械设计与研究,2006,22(4).
[3]吴明阳,孟庆鑫.仿生机器蟹系统设计研究[Ｊ].林业机械与木土设备,2005,33(4).
[20]Fumiya Iida, Gabriel G´omez, and Rolf Pfeifer Artificial Intelligence Laboratory,Exploiting Body Dynamics for Controlling a Running Quadruped Robot,Department of Informatics,University of Zurich ,Andreasstrasse 15, CH-8050 Zurich, Switzerland
[12]章忠良，四足机器人运动学及动力学研究，电子科技大学硕士学位论文，2012.4
[13]阮祥伟，基于虚拟样机的液压驱动四足步行机器人机构设计.武汉:武汉科技大学2009.
[14]孙汉旭，四足步行机器人研究.北京:航空航天大学1989.
[15]张锦荣，基于虚拟样机技术的四足机器人仿真研究，西安:西北工业大学2007.
在国内，四足机器人研究比较有代表性的有中国科学院自动化研究所的FROG-I[22](图1–5)，清华大学的Biosbot[23, 24]，哈尔滨工业大学的轮足混合驱动机器人HIT-HYBTOR[25](图1–6)等，另外北京航空航天大学机器人研究所的仿生鱼、西北工业大学的扑翼飞机、南京航空航天大学仿生壁虎研究非常具有特色和影响力。浙江大学、中国科技大学、吉林大学、华中科技大学以及上海交通大学等在仿生机器人研究方面也有诸多重要研究成果。
小组
审核
意见
难度
综合训
练程度
是否隶属科研项目
教学院长（公章）___________
年月日
备注：1、题目类型分为：理论研究、应用研究、设计开发和其它。
2、题目难度分为：A、B、C、D四个等级。
3、综合训练程度分为：A、B、C三个等级。
现代四足机器人的研究工作始于20世纪60年代。基于机械与液压控制技术，Mosher于1968年设计了人工操作的四足步行车“Walking Truck”(图1–1)[11]
。
图1–1Mosher开发的四足步行车1–2四足机器人SCOUT-II
图1–3四足机器人Tekken图1–4四足机器人KOLT
该四足步行系统由操作人员进行控制，可以实现行走、跨障等运动但第一台真正意义的四足步行机器人由Frank和McGhee于1977年制作，这一机器人首次使用计算机对运动进行控制，可以实现固定的运动形式[12]。在20世纪80、90年代，由于电子计算机的飞速发展，四足机器人进入了高速发展的阶段。在这一时期各国学者研制出了许多具有代表性的四足仿生机器人，如么美国MIT大学由Raibert等人开发的四足机器人[13]，法国巴黎机器人试验室开发的四足机器人RALPHY[14]，日本Shigeo Hirose实验室开发的TITAN系列机器人[1, 5, 15]，加拿大McGill大学开发的SCOUT系列机器人[6](图1–2)，德国的四足机器人BISAM[16]，以及瑞典皇家技术学院开发的WARP-I等[17]。借助于有效的控制算法，这些四足机器人能够实现在不平整地面的自适应低速静态步行，例如TITAN-VIII的极限步行速度为3.24 km/h[5]。
进入21世纪后，四足机器人获得了大范围应用用，包括未知地形考察、外星球探索、灾情险情救援、军事目的等，但是过低的运动速度会极大的限制四足机器人的实际应用。因此，研究学者已不满足于机器人的低速静态步行，希望能够实现高速动态奔跑。目前最具代表性的机器人有日本电信通信大学研发的Tekken[18](图1–3)，美国俄亥俄州立大学研发的四足机器人KOLT[19](图1–4)，以及美国Carnegie Mellon大学与Boston Dynamics公司等联合研制的LittleDog[20]和BigDog[21]等。在这些机器人中，BigDog的性能相对最为出色，该机器人由液压驱动，平衡能力佳，可以实现25°上坡和35°下坡，其小跑（trot）速度可以达到6.48 km/h。
（二）国内、外研究现状
“机器人”这个词最早出现在1920年捷克斯洛伐克剧作家卡雷洛查普茨库的作品《萨姆罗万能机器人公司R.U.R》，而最早的足式行走系统可以追溯到我国古代的“木牛流马”。在十九世纪末期，摄影师Muybridge第一次使用连续摄影的方法研究动物的行走，可以视为四足运动系统研究的开端[10]。
[16]张秀丽，郑浩峻，陈恳等.机器人仿生学研究综述，机器人，2002, 24(2): 188-192.
[17]槐创锋，四足步行机器人建模与控制方法，北京:北京交通大学2009.
[18]S.Talebi,I.Poulakakis,E.Papadopoulos,M.Buehler Quadruped Robot Running With a Bounding Gait , Proceedings of the Seventh International Symposium on Experimental Robotics , Honolulu, Hawaii, December 10-13, 2000
[19]Marc Raibert, Kevin Blankespoor, Gabriel Nelson, Rob Playter,BigDog,the Rough-Terrain Quadruped Robot , Proceedings of the 17th World CongressThe International Federation of Automatic Control,Seoul, Korea, July 6-11, 2008
本研究针对实际应用对仿生四足机器人的运动速度的要求，以及现有研究的不足之处，以自然界中四足哺乳动物为参照，结合四足哺乳动物的解剖及运动分析，建立具有弹性躯干关节的仿生四足机器人动力学模型，并以现实四足哺乳动物的运动特征为基础构建仿生四足机器人的运动步态，在动力学分析的基础上研究脊柱关节运动机理、特性及其与其它结构的耦合关系，研究高速疾驰的关键机理。研究成果能够为可高速奔跑具有脊柱关节的仿生四足机器人的设计与控制提供理论依据。
图1–5中国科学院自动化研究所的FROG-I图1–源自哈尔滨工业大学的HIT-HYBTOR
在上述研究中，科研人员把四足机器人的躯干均设计为刚性结构，将重点集中于腿部结构的设计或连续运动时腿部关节的控制。
（三）生产需求状况
随着机器人作业环境的复杂化，要解决机器人面临的问题，必须向自然界学习，从自然界为人类提供的丰富多彩的实例中寻求解决问题的途径，通过对自然界生物的学习、模仿、复制和再造的过程中，发现和发展相关的理论和技术方法，使机器人在功能和技术层次上不断提高。仿生机器人在军事，娱乐和服务等方面的重要性，已经成为未来机器人研究的热点。
一，随着先进制造技术的发展，仿生机器人已从当初的上下料功能向高度柔性、高效率和精密装配功能转化。二，近年来，对移动机器人的研究到越来越多的重视使机器人能够移动到固定式机器人无法达到的预定目标，完成设定的操作任务。包括步行机器人和爬行机器人等。仿生移动式机器人在工业、农业和国防上具有广泛的应用前景，它们能用于卫星探测、军事侦察、危险的废料处理以及农业生产中。三、仿生机器人的运动轨迹是由离散的点所组成相比于轮式和履带式移动机器人有更广泛的应用范围。因此有很好的发展前景：如能够在山地、瓦砾堆、河流等支撑点不固定且不规则的场合中有很好的适应性由于它可以在非结构环境中完成运输任务，如山地运输、台阶搬运等，所以多足步行机器人是一个很好的移动运输载体。这使得多足步行机器人在野外作业、空间探索、救援救灾方面具有重大作用。