毕业设计开题报告马超

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1、毕业设计（论文）开题报告学生姓名：马超学号:20054024147专 业：机械设计制造及其自动化设计（论文）题目：基于solidworks的四足步行机器人腿机构设计指导教师：刘天祥年月日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文） 答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应 在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内 完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处 统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打 印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教 师签署意见；3“文献综述”应按论文的格

2、式成文，并直接书写（或 打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文 献应不少于 15 篇（不包括辞典、手册）；4.有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408 94数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法 规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2002年4月 26 日”或“2002-04-26”。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1.结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰 写2000字左右的文献综述：文献综述一概述自从人类发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。仿照生 物的各种功能而发明的各种机器人越来越多。作为移动机器平台，步行机器

3、人与 轮式机器人相比较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，用于工程探险勘测或军事侦察等人类无 法完成的或危险的工作；也可开发成娱乐机器人玩具或家用服务机器人。四足机 器人在整个步行机器中占有很大大比重，因此对仿生四足步行机器人的研究具有 很重要的意义。二四足机器人的优点四足步行机器人是机器人的一个重要分支。由于四足步行机器人比二足步行机 器人承载能力强、稳定性好，同时又比六足、八足步行机器人的结构简单，更加 受到各国研究人员的重视。在组成四足步行机器人的机构中，腿机构是最重要的 机构。腿机构选择得当，不仅可以使机器人的机构简单、设计方便，

4、更重要的是 可以大大简化控制方案。由于技术等原因，目前投入使用的采用足式机构的四足 机器人较少，但是四足机器人具有很强的环境适应能力，可以在平坦硬质地、沙 石地、雪地、松软地、草地等复杂地面行走，可以爬越一定角度的坡面，跨越一 定宽度的障碍和沟壑，在不久的将来会在以下方面发挥重大作用：例如有些农业 机械如果安装足式机械底盘，就能够适应旱地，水田，梯田等不同环境，有些矿 山机械如安装行走机械底盘，其适应松软路面，大坡度路面的能力就会增强；宇 航方面，为星球探测机器人安装上“足”必将大幅度增强其在星球上的移动能力； 战场上的应用，运输、侦察、排雷等；危险及特殊环境下的作业，反恐中的排雷、 排爆，星

5、球表面的探测，地震等引发的灾后搜救，核工业中放射性原料的运输、 处理等，狭小空间下的作业，废墟、山洞的探测，管道检测、维修等；娱乐、服 务、导盲等，在日常生活中足式行走假肢也有很大的应用前景。四足机器人在各个领域均有广阔的应用，可以发挥更为特殊的作用，为此， 四足步行机器人的研发更有重大的意义。三四足机器人发展趋势目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。从机器人 技术发展趋势看，四足机器人和其它工业机器人一样，不断向智能化和多样化方 向发展。具体而言，表现在如下几个方面：1）机器人操作机结构：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法 的运用，实现机器人操作机构的优化

6、设计。2）探索新的咼强度轻质材料，进一步提咼负载/自重比。3）机构向着模块化、可重构方向发展。4）机器人的结构更加灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数 控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。与国外相比，我国四足行走机构机器人研究相对落后，属于起步阶段，自20 世纪80年代中期以来，先后有多所高校开展了这方面的研究并取得了一定的成果。 国内具有代表性的采用四足机构的机器人主要包括：如图1-1所示为上海交通大学所研制的二种四足步行机器人，（a）所示的四 足步行机器人为采用平面四杆机构作为其步行机

7、构，可以实现跨越障碍，沟槽， 上下台阶及通过高低不平的地面有一定识别及步态调整能力；（b）所示的四足步 行机器人JTUWM-H也是由上海交通大学研制的关节式哺乳动物型步行机器人。机 器人的长、宽、高分别为81厘米、75厘米、30厘米，重37.5千克，腿为开式链 关节型结构，膝关节为一纵摇自由度，髋关节为纵摇和横摇两个自由度，各自由 度由直流电机经谐波齿轮驱动，用电位器、测速电机作为位置和速度传感器，脚 底为直径12厘米的圆盘，是一个被动的纵摇自由度。该机器人为足式机器人的经 典结构，但速度缓慢，步行速度0.2千米/时。(a)(b)图1-1上海交通大学的二种四足步行机器人清华大学机器人实验室研制

8、的QW-1全方位四足步行机器人，如图1-1 (a)所 示，它采用平面四杆缩放机构作为其步行机构，在足端被安装压力传感器，能够 实现全方位步行；图1-1 (b)所示为清华大学所研制的另一种四足步行机器人，它 采用开环关节连杆机构作为其步行机构，通过模拟动物的运动机理，实现比较稳 定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件，完成上下坡、越障等功能。(a)(b)图1-2清华大学的二种四足步行机器人四Solidwork软件的简介Solidworks主要包括数字化建模、数字化装配、数字化评价、数字化制造以及数 字化信息交换等方面。数字化建模是由编程者预先设置一些几何图形模块，然后 设计者在造型建模时可以直

9、接使用，通过改变一个几何图形的相关尺寸参数可以 产生其它几何图形，任设计者发挥创造力。Solidworks系统是按照系统工程的思 想，以工业设计计和为指导的智能型创新性的产品开发设计系统。首先是利用各 种信息，在Solidworks系统平台里利用真实感造型设计系统进行形态设计、色彩 设计、材质设计和人机设计等方面的语义设计，然后在数字装配系统中实现数字 化装配，在综合评价系统中进行美学、语义学等方面的分析评价，提出产品造型 方案。最后将最终方案输出到加工设备，加工出产品，投放到市场，之后再收集 有关信息，反馈到Solidworks平台，实现再设计。这种方法利用网络和其它平台 相连接，使设计人员

10、从一开始就考虑到产品生命周期的所有环节，把设计、制作、 使用等方面合理组织起来，及时解决不同环节之间的冲突，充分调动了所有人的 积极性和创造性。五 应用SolidWorks进行三维设计的优势：设计过程直观简便SolidWorks三维设计直接从三维模型入手，省去了三维与 二维之间的转化。设计者可以方便地通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特 征阵列、钻孔等操作不断改变其结构，最终完成全部零部件的设计。建立模型时, SolidWorks对每个特征尺寸自动赋值，这些数值可随时更改。由于SolidWorks的 参数设计功能，实体模型将随特征尺寸数值的变化重新生成，因此修改非常方便。八参考文献1 张铁，

11、谢存禧主编机器人学，第一版，华南理工大学出版社，2001，9、45-472 吴广玉，姜复兴主编机器人工程导论，第一版，哈尔滨工业大学出版社，19883 崔正旳主编.机械设计基础，第一版，天津大学出版社，2000, 221-224、322-323、 412-424、 457-4754 贾名著主编工程力学，第一版，天津大学出版社，1998, 48-575 廖念钊主编互换性与测量技术基础，第三版，2002，11-196 孟宪员源，姜琪主编机构构型与应用，第一版，机械工业出版社，2004, 43、145-146、 274、 151-152、 607-6097 谈欣柏主编大学物理，第一版，天津大学出版社

12、，2000， 2-228 成大先主编机械设计手册，第一版，化学工业出版社，2005, 76-84、99-141， 157-1609 加腾一郎主编机械手图册，第一版，上海科学技术出版社，1979, 50、59、78-79、 97、 160-17610 宗光华等编著机器人的创意设计与实践，第一版，北京航空航天大学出版社，2004, 25-35、138-15011 卜炎主编中国机械设计大典一机械零部件设计，第一版，江西科技出版社，200212 费仁元，张慧慧主编机器人机械设计和分析，第一版，北京工业大学出版社,199813 宗光华主编机器人的创意设计与实践，第一版，北京航空航天大学出版社，20041

13、4 蔡自兴主编机器人学，清华大学出版社，200015 朱冬梅，胥北澜主编画法几何及机械制图，第五版，高等教育出版社，2000,205-206、 217-224、 242-25016 周祖德，唐永洪主编.机电一体化，第一版，华中科技大学出版社，2002毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告2.本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）:1步行机构对比分析四足行走机构的机械部分是机器人所有控制及运动的载体，其结构特点 直接决定了机器人的运动学特征。其中，腿部结构形式是行走机构中重要组 成部分，也是机械设计的关键之一。因此从某种意义上说，行走机构的分析 主要集中在步行机构的分析上。一般地，四

14、足行走机构的设计要求看，步行 不能过于复杂，杆件过多的步行机构形式会引起结构和传动的实现困难，对 腿部机构的基本要求是：输出一定的轨迹，实现给定的运动要求；具有一定 的承载能力；方便控制的要求。目前，国内外学者对步行机器人的步行机构 已经作了大量的研究工作，其结构形式多样，主要可以归纳为三类：开环连 杆机构；闭环平面四杆缩放式机构；特殊的步行机构。1.1开环关节连杆机构在早期的步行机器人研究中，一般是模仿动物的腿部结构来设计步行机 构。所有这种机构形式一般都是关节式连杆机构。其优点在于结构紧凑，步 行机构能够达到的运动空间较大，且运动灵活，由于关节式步行机构是通过 关节链接的，因而在步行过程中

15、的失稳状态下具有较强的姿态恢复能力。不 足之处是在腿的主动平面内大小腿的运动之间存在耦合，使得运动时的协调 控制比较复杂，而且承载能力较小。如图1-1所示为常见的开环关节连杆步行机构的三维模型图形。该机构可 分为大、小腿以及髋关节组成。由大小腿组成平面运动机构，髋关节驱动该 平面机构从而实现空间运动。可建立如图1-2所示的坐标系，第一关节为髋 关节，在O点围绕Z轴旋转，髋关节的旋转半径设为L ；第二个驱动关节为1 1大腿关节，在A点围绕着与大小腿运动平面所垂直的轴旋转，大腿杆长为L ；2 第三个驱动关节为小腿关节，在B点围绕与大小腿运动平面垂直的轴转动， 小腿杆长度为L3。同时规定逆时针为正向

16、角。图1-1开环连杆步行机构图1-2开环连杆机构坐标系模型如图1-2所示，当机构运动到某一位置时，设髋关节驱动转动角为 , 大腿关节驱动转角为0，小腿杆驱动转角为0，由上图可以建立足端C点的运 动轨迹方程：x = u cos ac y = u sin acz = vc其中：u 二 L + L cos 0 + L cos(0 +y)1 23v 二 L sin 0 + L sin(0 +y)2 30 +Y 二 90 0由上式以及图形可知，小腿杆可以在转过大臂上部空间运动(类似于人 的小臂运动)，所以在运动过程中，由于臂的末端C点可达区域比较大，当髋 关节转动时，机构的运动空间将实现三维椭圆状。但是

17、采用此机构用作步行 机构，在机器人行驶时，足端的运动范围并不是覆盖了整个可达运动空间，max不可能在转过大腿杆时仍能够到达所有区域。综上所述的原因，小腿与地面 法线的夹角要在一定的范围之内。如图1-3所示，就将存在小腿的最大转动 角度0max和小腿最大内向（顺时针）驱动角度二,，此时小腿的摆动约束可表 示为：max - -max，又有P角的求解公式为：v一L sin(90。-)sin p 二3_L2P，所以可求得:2）max令小腿杆在二极限位置o 、en对应的p值为0、-e 一 en )maxmax max1u = L + L cos 0 + L cos(90max1213u = L + L

18、cos p + L cos(90min1223由上式可知，对于不同的高度值，足端的运动空间在x-z平面中产生类 似椭圆曲线的轨迹，当髋关节转动时，将形成三维的运动空间，如图1-4所图1-4足端运动空间12行走机构腿的设计从运动角度出发，足端相对与机身应走直线轨迹，为了在不平地面行走, 腿的伸长应该是可变的。从整体的行走性能出发，一方面要求机体能走出直 线运动轨迹或平面曲线轨迹（在严重崎岖不平地面），另一方面要求转向。步 行行走机构腿部的主要任务：一是支撑着主要由躯体所组成的本体，二是使 本体向步行方向移动，此外还必须具有脚部抬起，并向步行方向摆动的动作, 若把本体看作固定不动，则足端轨迹如图2

19、-12 （a）所示。(a)(b)图2-12足端轨迹图实际的足端轨迹图如图（b）所示，在支撑相描述出比较缓慢的直线段， 而在摆动相描绘出快速的凸起曲线段。根据上述，提出四足行走机构中腿机构的要求：1腿的足端部相对于机体的运动轨迹形状应如“二”。直线段对应的就是 足支撑机体的运动轨迹（支撑相），曲线段对应的是脚掌离开地面的足端 运动轨迹（悬空项）。2. 为了不至于使行走机构在运动过程中，因机体上下颠簸而消耗不必要的能 量，应保证要求中的直线段有一定的直线度。3. 对于要求1中曲线段，没有形状要求，但对其最高点有要求，即其高度 决定了机器人在起伏不平的地面上的通过能力。4. 在要求1中，足端通过直线段的时间与通过曲线段的时间相等，即支撑 相的相位角为n /2,悬空相的相位角为n /2。5. 按要求1-5设计的行走机构的四条腿的协调动作顺序要严格要求。1.3还需要行走机构腿的机构分析，尺寸优化及数学建模等一系列分析运 算。完成了机体的设计和传动系统的设计接下来实现转向与控制。1.4利用Solid Works进行行走机构辅助设计毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告