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黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告
學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)：
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
設(shè)計(jì)(論文)題目：基于solidworks的四足步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師：
年 月 日
開(kāi)題報(bào)告填寫(xiě)要求
1．開(kāi)題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)及所在專(zhuān)業(yè)審查后生效；
2．開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書(shū)寫(xiě)或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)；
3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書(shū)寫(xiě)（或打印）在本開(kāi)題報(bào)告第一欄目?jī)?nèi)，學(xué)生寫(xiě)文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)）；
4．有關(guān)年月日等日期的填寫(xiě)，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書(shū)寫(xiě)。如“2002年4月26日”或“2002-04-26”。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫(xiě)
2000字左右的文獻(xiàn)綜述：
文 獻(xiàn) 綜 述
一 概述
自從人類(lèi)發(fā)明機(jī)器人以來(lái)，各種各樣的機(jī)器人日漸走入我們的生活。仿照生物的各種功能而發(fā)明的各種機(jī)器人越來(lái)越多。作為移動(dòng)機(jī)器平臺(tái)，步行機(jī)器人與輪式機(jī)器人相比較最大的優(yōu)點(diǎn)就是步行機(jī)器人對(duì)行走路面的要求很低，它可以跨越障礙物，走過(guò)沙地、沼澤等特殊路面，用于工程探險(xiǎn)勘測(cè)或軍事偵察等人類(lèi)無(wú)法完成的或危險(xiǎn)的工作；也可開(kāi)發(fā)成娛樂(lè)機(jī)器人玩具或家用服務(wù)機(jī)器人。四足機(jī)器人在整個(gè)步行機(jī)器中占有很大大比重，因此對(duì)仿生四足步行機(jī)器人的研究具有很重要的意義。
二 四足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)
四足步行機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)重要分支。由于四足步行機(jī)器人比二足步行機(jī)器人承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好, 同時(shí)又比六足、八足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 更加受到各國(guó)研究人員的重視。在組成四足步行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)中, 腿機(jī)構(gòu)是最重要的機(jī)構(gòu)。腿機(jī)構(gòu)選擇得當(dāng), 不僅可以使機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)方便, 更重要的是可以大大簡(jiǎn)化控制方案。由于技術(shù)等原因，目前投入使用的采用足式機(jī)構(gòu)的四足機(jī)器人較少，但是四足機(jī)器人具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，可以在平坦硬質(zhì)地、沙石地、雪地、松軟地、草地等復(fù)雜地面行走，可以爬越一定角度的坡面，跨越一定寬度的障礙和溝壑，在不久的將來(lái)會(huì)在以下方面發(fā)揮重大作用: 例如有些農(nóng)業(yè)機(jī)械如果安裝足式機(jī)械底盤(pán)，就能夠適應(yīng)旱地，水田，梯田等不同環(huán)境，有些礦山機(jī)械如安裝行走機(jī)械底盤(pán)，其適應(yīng)松軟路面，大坡度路面的能力就會(huì)增強(qiáng)；宇航方面，為星球探測(cè)機(jī)器人安裝上“足”，必將大幅度增強(qiáng)其在星球上的移動(dòng)能力；戰(zhàn)場(chǎng)上的應(yīng)用，運(yùn)輸、偵察、排雷等；危險(xiǎn)及特殊環(huán)境下的作業(yè)，反恐中的排雷、排爆，星球表面的探測(cè)，地震等引發(fā)的災(zāi)后搜救，核工業(yè)中放射性原料的運(yùn)輸、處理等，狹小空間下的作業(yè)，廢墟、山洞的探測(cè)，管道檢測(cè)、維修等；娛樂(lè)、服務(wù)、導(dǎo)盲等，在日常生活中足式行走假肢也有很大的應(yīng)用前景。
四足機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用，可以發(fā)揮更為特殊的作用，為此，四足步行機(jī)器人的研發(fā)更有重大的意義。
三 四足機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)
目前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，四足機(jī)器人和其它工業(yè)機(jī)器人一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。具體而言，表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
1) 機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)：通過(guò)有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2） 探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比。
3） 機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。
4） 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)更加靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。
采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量及加工，這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)
的拓展，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。
與國(guó)外相比，我國(guó)四足行走機(jī)構(gòu)機(jī)器人研究相對(duì)落后，屬于起步階段，自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，先后有多所高校開(kāi)展了這方面的研究并取得了一定的成果。國(guó)內(nèi)具有代表性的采用四足機(jī)構(gòu)的機(jī)器人主要包括:
如圖1-1所示為上海交通大學(xué)所研制的二種四足步行機(jī)器人，（a）所示的四足步行機(jī)器人為采用平面四桿機(jī)構(gòu)作為其步行機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)跨越障礙，溝槽，上下臺(tái)階及通過(guò)高低不平的地面有一定識(shí)別及步態(tài)調(diào)整能力；（b）所示的四足步行機(jī)器人JTUWM-H也是由上海交通大學(xué)研制的關(guān)節(jié)式哺乳動(dòng)物型步行機(jī)器人。機(jī)器人的長(zhǎng)、寬、高分別為81厘米、75厘米、30厘米，重37.5千克，腿為開(kāi)式鏈關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，膝關(guān)節(jié)為一縱搖自由度，髖關(guān)節(jié)為縱搖和橫搖兩個(gè)自由度，各自由度由直流電機(jī)經(jīng)諧波齒輪驅(qū)動(dòng)，用電位器、測(cè)速電機(jī)作為位置和速度傳感器，腳底為直徑12厘米的圓盤(pán)，是一個(gè)被動(dòng)的縱搖自由度。該機(jī)器人為足式機(jī)器人的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，但速度緩慢，步行速度0.2千米/時(shí)。
(a) (b)
圖1-1上海交通大學(xué)的二種四足步行機(jī)器人
清華大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制的QW-1全方位四足步行機(jī)器人，如圖1-1 (a)所示，它采用平面四桿縮放機(jī)構(gòu)作為其步行機(jī)構(gòu)，在足端被安裝壓力傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位步行；圖1-1 (b)所示為清華大學(xué)所研制的另一種四足步行機(jī)器人，它采用開(kāi)環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)作為其步行機(jī)構(gòu)，通過(guò)模擬動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，可以自主應(yīng)付復(fù)雜的地形條件，完成上下坡、越障等功能。
(a) (b)
圖1-2清華大學(xué)的二種四足步行機(jī)器人
四 Solidwork軟件的簡(jiǎn)介
Solidworks主要包括數(shù)字化建模、數(shù)字化裝配、數(shù)字化評(píng)價(jià)、數(shù)字化制造以及數(shù)字化信息交換等方面。數(shù)字化建模是由編程者預(yù)先設(shè)置一些幾何圖形模塊，然后設(shè)計(jì)者在造型建模時(shí)可以直接使用，通過(guò)改變一個(gè)幾何圖形的相關(guān)尺寸參數(shù)可以產(chǎn)生其它幾何圖形，任設(shè)計(jì)者發(fā)揮創(chuàng)造力。Solidworks系統(tǒng)是按照系統(tǒng)工程的思想，以工業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)和為指導(dǎo)的智能型創(chuàng)新性的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。首先是利用各種信息，在Solidworks系統(tǒng)平臺(tái)里利用真實(shí)感造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行形態(tài)設(shè)計(jì)、色彩設(shè)計(jì)、材質(zhì)設(shè)計(jì)和人機(jī)設(shè)計(jì)等方面的語(yǔ)義設(shè)計(jì)，然后在數(shù)字裝配系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配，在綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)中進(jìn)行美學(xué)、語(yǔ)義學(xué)等方面的分析評(píng)價(jià)，提出產(chǎn)品造型方案。最后將最終方案輸出到加工設(shè)備，加工出產(chǎn)品，投放到市場(chǎng)，之后再收集有關(guān)信息，反饋到Solidworks平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)再設(shè)計(jì)。這種方法利用網(wǎng)絡(luò)和其它平臺(tái)相連接，使設(shè)計(jì)人員從一開(kāi)始就考慮到產(chǎn)品生命周期的所有環(huán)節(jié)，把設(shè)計(jì)、制作、使用等方面合理組織起來(lái)，及時(shí)解決不同環(huán)節(jié)之間的沖突，充分調(diào)動(dòng)了所有人的積極性和創(chuàng)造性。
五 應(yīng)用SolidWorks進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì):
設(shè)計(jì)過(guò)程直觀簡(jiǎn)便SolidWorks三維設(shè)計(jì)直接從三維模型入手，省去了三維與二維之間的轉(zhuǎn)化。設(shè)計(jì)者可以方便地通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、高級(jí)抽殼、特征陣列、鉆孔等操作不斷改變其結(jié)構(gòu)，最終完成全部零部件的設(shè)計(jì)。建立模型時(shí)，SolidWorks對(duì)每個(gè)特征尺寸自動(dòng)賦值，這些數(shù)值可隨時(shí)更改。由于SolidWorks的參數(shù)設(shè)計(jì)功能，實(shí)體模型將隨特征尺寸數(shù)值的變化重新生成，因此修改非常方便。
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
２．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）：
1步行機(jī)構(gòu)對(duì)比分析
四足行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械部分是機(jī)器人所有控制及運(yùn)動(dòng)的載體，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直接決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。其中，腿部結(jié)構(gòu)形式是行走機(jī)構(gòu)中重要組成部分，也是機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。因此從某種意義上說(shuō)，行走機(jī)構(gòu)的分析主要集中在步行機(jī)構(gòu)的分析上。一般地，四足行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求看，步行不能過(guò)于復(fù)雜，桿件過(guò)多的步行機(jī)構(gòu)形式會(huì)引起結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)的實(shí)現(xiàn)困難，對(duì)腿部機(jī)構(gòu)的基本要求是：輸出一定的軌跡，實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)要求；具有一定的承載能力；方便控制的要求。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)步行機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)已經(jīng)作了大量的研究工作，其結(jié)構(gòu)形式多樣，主要可以歸納為三類(lèi)：開(kāi)環(huán)連桿機(jī)構(gòu)；閉環(huán)平面四桿縮放式機(jī)構(gòu)；特殊的步行機(jī)構(gòu)。
1.1開(kāi)環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)
在早期的步行機(jī)器人研究中，一般是模仿動(dòng)物的腿部結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)步行機(jī)構(gòu)。所有這種機(jī)構(gòu)形式一般都是關(guān)節(jié)式連桿機(jī)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊，步行機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到的運(yùn)動(dòng)空間較大，且運(yùn)動(dòng)靈活，由于關(guān)節(jié)式步行機(jī)構(gòu)是通過(guò)關(guān)節(jié)鏈接的，因而在步行過(guò)程中的失穩(wěn)狀態(tài)下具有較強(qiáng)的姿態(tài)恢復(fù)能力。不足之處是在腿的主動(dòng)平面內(nèi)大小腿的運(yùn)動(dòng)之間存在耦合，使得運(yùn)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜，而且承載能力較小。
如圖1-1所示為常見(jiàn)的開(kāi)環(huán)關(guān)節(jié)連桿步行機(jī)構(gòu)的三維模型圖形。該機(jī)構(gòu)可分為大、小腿以及髖關(guān)節(jié)組成。由大小腿組成平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)該平面機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動(dòng)?？山⑷鐖D1-2所示的坐標(biāo)系，第一關(guān)節(jié)為髖關(guān)節(jié)，在點(diǎn)圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)，髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)半徑設(shè)為；第二個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)為大腿關(guān)節(jié)，在A點(diǎn)圍繞著與大小腿運(yùn)動(dòng)平面所垂直的軸旋轉(zhuǎn)，大腿桿長(zhǎng)為；第三個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)為小腿關(guān)節(jié)，在B點(diǎn)圍繞與大小腿運(yùn)動(dòng)平面垂直的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，小腿桿長(zhǎng)度為。同時(shí)規(guī)定逆時(shí)針為正向角。
圖1-1開(kāi)環(huán)連桿步行機(jī)構(gòu)
圖1-2開(kāi)環(huán)連桿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系模型
如圖1-2所示，當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到某一位置時(shí)，設(shè)髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)角為，大腿關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角為，小腿桿驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角為，由上圖可以建立足端C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程：
其中：
由上式以及圖形可知，小腿桿可以在轉(zhuǎn)過(guò)大臂上部空間運(yùn)動(dòng)（類(lèi)似于人的小臂運(yùn)動(dòng)），所以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于臂的末端C點(diǎn)可達(dá)區(qū)域比較大，當(dāng)髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間將實(shí)現(xiàn)三維橢圓狀。但是采用此機(jī)構(gòu)用作步行機(jī)構(gòu)，在機(jī)器人行駛時(shí)，足端的運(yùn)動(dòng)范圍并不是覆蓋了整個(gè)可達(dá)運(yùn)動(dòng)空間，不可能在轉(zhuǎn)過(guò)大腿桿時(shí)仍能夠到達(dá)所有區(qū)域。綜上所述的原因，小腿與地面法線的夾角要在一定的范圍之內(nèi)。如圖1-3所示，就將存在小腿的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度和小腿最大內(nèi)向（順時(shí)針）驅(qū)動(dòng)角度，此時(shí)小腿的擺動(dòng)約束可表示為：，又有角的求解公式為：
令小腿桿在二極限位置、對(duì)應(yīng)的值為、，所以可求得：
由上式可知，對(duì)于不同的高度值，足端的運(yùn)動(dòng)空間在X-Z平面中產(chǎn)生類(lèi)似橢圓曲線的軌跡，當(dāng)髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將形成三維的運(yùn)動(dòng)空間，如圖1-4所示。
圖1-3小腿的擺動(dòng)約束
圖1-4足端運(yùn)動(dòng)空間
1.2 行走機(jī)構(gòu)腿的設(shè)計(jì)
從運(yùn)動(dòng)角度出發(fā)，足端相對(duì)與機(jī)身應(yīng)走直線軌跡，為了在不平地面行走，腿的伸長(zhǎng)應(yīng)該是可變的。從整體的行走性能出發(fā)，一方面要求機(jī)體能走出直線運(yùn)動(dòng)軌跡或平面曲線軌跡（在嚴(yán)重崎嶇不平地面），另一方面要求轉(zhuǎn)向。步行行走機(jī)構(gòu)腿部的主要任務(wù)：一是支撐著主要由軀體所組成的本體，二是使本體向步行方向移動(dòng)，此外還必須具有腳部抬起，并向步行方向擺動(dòng)的動(dòng)作，若把本體看作固定不動(dòng)，則足端軌跡如圖 2-12（a）所示。
圖 2-12 足端軌跡圖
實(shí)際的足端軌跡圖如圖（b）所示，在支撐相描述出比較緩慢的直線段，而在擺動(dòng)相描繪出快速的凸起曲線段。
根據(jù)上述，提出四足行走機(jī)構(gòu)中腿機(jī)構(gòu)的要求：
1. 腿的足端部相對(duì)于機(jī)體的運(yùn)動(dòng)軌跡形狀應(yīng)如“”。直線段對(duì)應(yīng)的就是足支撐機(jī)體的運(yùn)動(dòng)軌跡（支撐相），曲線段對(duì)應(yīng)的是腳掌離開(kāi)地面的足端運(yùn)動(dòng)軌跡（懸空項(xiàng)）。
2. 為了不至于使行走機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，因機(jī)體上下顛簸而消耗不必要的能量，應(yīng)保證要求中的直線段有一定的直線度。
3. 對(duì)于要求 1 中曲線段，沒(méi)有形狀要求，但對(duì)其最高點(diǎn)有要求，即其高度決定了機(jī)器人在起伏不平的地面上的通過(guò)能力。
4. 在要求 1 中，足端通過(guò)直線段的時(shí)間與通過(guò)曲線段的時(shí)間相等，即支撐相的相位角為π/2，懸空相的相位角為π/2。
5. 按要求 1-5 設(shè)計(jì)的行走機(jī)構(gòu)的四條腿的協(xié)調(diào)動(dòng)作順序要嚴(yán)格要求。
1.3
還需要行走機(jī)構(gòu)腿的機(jī)構(gòu)分析，尺寸優(yōu)化及數(shù)學(xué)建模等一系列分析運(yùn)算。完成了機(jī)體的設(shè)計(jì)和傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)接下來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向與控制。
1.4利用Solid Works進(jìn)行行走機(jī)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語(yǔ)：
2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)：
指導(dǎo)教師：
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所在專(zhuān)業(yè)審查意見(jiàn)：
負(fù)責(zé)人：
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