毕设开题报告

燕山大学

本科毕业设计（论文）开题报告

课题名称：并联腿步行机器人四足/两足

转化装置设计

学院（系）：

年级专业：

学生姓名：

指导教师：

完成日期：

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

1、步行机器人的发展状况

步行机器人，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【9】。步行机器人与轮式机器人相比较，其最大的优点就是步行机器人对行走路面的要求很低。它可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面[1]。我国对于步行机器人的研究起步较晚，从2O世纪8O年代开始研究，到目前已经取得了一系列的成果。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器人，做了越障、爬坡和通过沼泽地的试验。1989年，北京航空航天大学在张启先教授的指导下，孙汉旭博士进行了刚足步行机的研究，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。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，不仅能在平地步行，还能上楼梯。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【9】。

助残步行机器人的研究成为机器人研究开发领域的一个新热点，并取得了较大的进展。目前，日本在两足机器人研究领域处于世界领先地位。丰田公司于2004年底推出了一系列“伙伴机器人”，其中包括一台可搭乘人的两足机器人i-Foot。该机器人重200kg，可载人60kg。它的最终目的是在有人乘坐的情况下，实现包括上下楼梯在内的灵活运动。日本东北大学中野荣二教授等2005年开发出供高龄人、残疾人等步行困难者使用的步行机器人Chaff．Be。该步行机器人具有高的机动性和在不平地面步行的稳定性，可自如地上下台阶。韩国科学技术高级研究所开发出一台HuboFX-1椅子机器人。它是一个带有腿的椅子，可以承载重达100kg的人【1】。

2、并联机器人的发展状况

并联机器人的产生可追溯到十九世纪初。1813年，法国学者Canchy曾研究过并联机构，但未涉及应用。文献记载，1947年，英国人Gough采用并联机构设计了一种6自由度的轮胎测试机，这种结构被称为六足结构

(Hexapod)。这种类型的轮胎测试机器从1954年被投入使用。1962年，Gough 发明了一种6自由度并联机构，并把它用作轮胎检测装置。1965年，英国高级工程师Stewart对Gough的这种6自由度机构进行了研究，将其作为飞行模拟器，发表了名为”A Platform with Six Degrees of Freedom”的论文，引起广泛关注，后来这种机构被称为Stewart机构，它是至今为止应用最为广泛的6自由度并联机构。1979年，H. McCallion和D. T. Pham将Stewart 机构用于研制装配机器人获得成功，从此世界上出现了第一台并联机器人，也拉开了并联机器人应用和研究的序幕。

国内外学术界和工程界对研究和开发并联机床都非常重视。1986年美国Oregon大学学者Fichter采用电机驱动做出了以Stewart平台为主机构的线性手臂。1988年，Hudgens和Tesar研制了采用Stewart机构的并联平台式微动机器人。1989年，Lee研制了采用三自由度3-RPS并联机构的微动机器人；Kerr采用Stewart机构设计了并联平台式传感器。1992年，法国的Merlet教授则提出了INRIA并联机构，并给出了样机。1993年，Nguyen 提出了Stewart基平台式力－力矩传感器。1994 年在芝加哥国际机床博览会(IMTS’94)上首次展出了称为“六足虫”(Hexapod)和“变异型”(VARIAX)的数控机床与加工中心并引起了轰动。此后，各主要工业国家都投入了大量的人力和物力进行并联机床的研究与开发. 并联机床所涉及的基本理论问题同样引起了许多研究单位的重视,由美国国家科学基金会动议，1998 年在意大利召开了第一届国际并联运动学机器专题研讨会，2000 年在美国召开了第二届国际并联运动学机器专题研讨会[12]。

我国已在国家“九五”科技攻关计划和“863”高技术发展计划中对并联机床的研究与开发予以支持。国内最早从事并联机器人基础性理论研究的是黄真教授和粱崇高教授。1991年，燕山大学研制出我国第一台并联机器人样机，并在此基础上作了很多理论研究。黄真教授系统的介绍了在研究机器人机构运动学、动力学中应用尤为突出的螺旋理论，他成功地把螺旋理论应用到并联机构的自由度计算上，解决了并联机构的自由度计算问题，并运用螺旋理论对并联机构的合理性进行了判别，还成功地研究了3-RPS并联机构动平台的瞬时运动，并且成功地螺旋理论应用到少自由度并联机构的型

综合上，综合出了完全对称的少自由度并联机构。1994年，他研制出了6自由度柔性铰链机器人误差补偿器。1997年，黄真教授出版了我国第一部关于并联机器人理论及控制的专著。

服务机器人现在是国内外机器人相关领域研究的一个重点方向，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中被列为我国大力发展的四大先进制造技术之一，其应用范围覆盖家用、助老助残、安保和陪护等【2】。中国已经步入老龄化社会，生活中有障碍的老人和残疾人为数众多，服务机器人由于能节省人力资源，减轻年轻人的负担，在国内有着很广阔的应用前景，助老助残步行机器人是指能够让老人或下肢残疾人乘坐，能够应付各种地面条件的载人步行机器人。助老助残步行机器人是服务机器人应用基础研究最高水平的体现。已有很多国内外学者对助老助残步行机器人做了广泛而深入的研究，并取得了较大的进展，也发现了许多问题。如：轮式机器人对路面要求高；串联腿步行机器人自重/载重比大、承载能力低；两足步行机器人行走稳定性差；多足步行机器人上下楼梯时机体倾斜等。为满足乘坐者日常的工作生活，机器人的活动范围是不固定的比如户外的复杂地面，楼梯等。而如何使步行机器人满足经常变化的工作环境需要，是摆在研究人员面前需要解决的难题。上述诸多问题阻碍着助老助残步行机器人的实用化发展。因此需要设计出一种可以在各种环境下行走的步行机器人是解决这些难题的有效途径【2】。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题

本课题的导师提出将并联腿机构用于四足步行机器人，以克服串联腿机构承载能力低和两足步行机器人行走稳性差的缺陷。四足与两足助残步行机器人各有优缺点：四足稳定性好，安全性能高，但是上下楼梯或台阶时座椅有较大的倾斜；两足能够在上下楼梯或台阶时保持座椅水平，但稳定性差，没有安全感，对下肢残疾人来讲，行走时会产生恐惧心理。为了扬长避短，要求设计出一种四足/两足可重组并联腿机构步行机器人。为了能根据实际需要实现四足与两足的灵活转换，本设计要求设计合适的机构来完成四足与两足的灵活转换，绘制出三维立体图和二维图纸。

设计内容