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南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院
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)械工程及自動(dòng)化
設(shè)計(jì)(論文)題目：
輪腿式移動(dòng)機(jī)器人行走越障驅(qū)動(dòng)裝置
的設(shè)計(jì)與研究
指 導(dǎo) 教 師:
2010 年 3 月 19 日
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、 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況
隨著科技的進(jìn)步，人類(lèi)的視野越來(lái)越開(kāi)闊，對(duì)未知世界進(jìn)行探索的愿望越來(lái)越強(qiáng)烈。迄今為止，人們已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)月亮、火星等宇宙星體的探索，也開(kāi)始對(duì)地下埋藏的，乃至海底沉寂的歷史古跡、文化遺產(chǎn)、地理地貌的研究。另外，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的復(fù)雜程度越來(lái)越高，反恐斗爭(zhēng)的難度也越來(lái)越大，需要人們能夠及時(shí)準(zhǔn)確地完成各種偵察或作戰(zhàn)任務(wù)。不過(guò)，面對(duì)各種復(fù)雜的環(huán)境，如宇宙星體日夜溫度變化劇烈、地形高低起伏明顯、戰(zhàn)場(chǎng)情況的突發(fā)性和多變性等，由于生理原因，人們常常束手無(wú)策[1,2]。
可遙控控制、能夠適應(yīng)地形變化的移動(dòng)機(jī)器人，為人類(lèi)突破這些局限創(chuàng)造了條件。這種機(jī)器人可以適應(yīng)不同環(huán)境，不受溫度、濕度、空間、磁場(chǎng)輻射、重力等條件的影響，完成人類(lèi)無(wú)法進(jìn)行的探測(cè)任務(wù)。
移動(dòng)機(jī)器人是一種能夠與外界環(huán)境交互的智能系統(tǒng)，在有障礙物的環(huán)境中能夠面向目標(biāo)自主運(yùn)動(dòng)，從而完成一定作業(yè)功能的機(jī)器人系統(tǒng)。用于軍事偵察、反恐防暴等危險(xiǎn)作業(yè)的小型地面移動(dòng)機(jī)器人以其體積小、成本低、生存能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)成為移動(dòng)機(jī)器人研究領(lǐng)域的又一熱點(diǎn)。由于其工作環(huán)境復(fù)雜多變,很多時(shí)候要求機(jī)器人不是避開(kāi)障礙或復(fù)雜地形,而是要越過(guò)并適應(yīng)它。所以,研究開(kāi)發(fā)具有越障功能的小型地面移動(dòng)機(jī)器人以適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境是非常必要的。與傳統(tǒng)的以研究機(jī)器人智能、決策等為目的而開(kāi)發(fā)的輪式移動(dòng)機(jī)器人相比,在機(jī)動(dòng)性、越障能力、集成設(shè)計(jì)等方面出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)問(wèn)題[3,4,5]。
二、輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)
輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展較為發(fā)達(dá)，各國(guó)都在大力研究。其中有像翻滾型輪腿式移動(dòng)機(jī)器人（如圖1），管道型輪腿式移動(dòng)機(jī)器人如圖2），輪腿式變結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人（如圖3）等多種新型的移動(dòng)式機(jī)器人[6]（。并且向著智能化，微型化發(fā)展，越來(lái)越來(lái)多的微型智能化移動(dòng)式機(jī)器人出現(xiàn)在社會(huì)的各個(gè)行業(yè)中，并且充當(dāng)著重要的角色。
圖1翻滾型輪腿式移動(dòng)機(jī)器人 圖2管道型輪腿式移動(dòng)機(jī)器人
圖3 輪腿式變結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人
據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，近日美國(guó)研究人員推出一款取名為“Three”的新式netbook電腦機(jī)器人[9]（如圖4）。據(jù)介紹，該機(jī)器人的底盤(pán)結(jié)構(gòu)為兩個(gè)滑動(dòng)輪胎，而輪胎的中間連接部分則負(fù)責(zé)承載netbook電腦。整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且十分易于實(shí)際操作，即使沒(méi)有相關(guān)的原理知識(shí)，也能夠在說(shuō)明書(shū)的介紹下方便控制以及拆卸安裝。
圖4“Three”新式netbook電腦機(jī)器人
設(shè)計(jì)人員還表示，該機(jī)器人內(nèi)部裝有大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，以及最先進(jìn)的機(jī)器設(shè)備。僅僅在安裝上相應(yīng)的軟件與裝載上主人識(shí)別系統(tǒng)，整個(gè)機(jī)器人將完全在顧客的掌控之下，讓顧客享受到全方位服務(wù)。此外，如果顧客覺(jué)得仍然不過(guò)癮，顧客可以安裝紅外線傳感器
以及外置攝像儀器等裝置。
又據(jù)悉，為提高反恐防暴機(jī)器人對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應(yīng)能力,設(shè)計(jì)出了一種具有良好的機(jī)動(dòng)性能和轉(zhuǎn)向性能的新型輪—腿—履帶復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu).通過(guò)機(jī)器人機(jī)構(gòu)分析與本體的穩(wěn)定性分析,論證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性及好的穩(wěn)定性.從而設(shè)計(jì)出了這種輪—腿—履帶復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人[10]（如圖5）。
圖5輪—腿—履帶復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人
研制機(jī)器人的最初目的是為了幫助人們擺脫繁重勞動(dòng)或簡(jiǎn)單的重復(fù)勞動(dòng)，以及替代人到有輻射等危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，因此機(jī)器人最早在汽車(chē)制造業(yè)和核工業(yè)領(lǐng)域得以應(yīng)用。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域的焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配、鑄造等場(chǎng)合，己經(jīng)開(kāi)始大量使用機(jī)器人。另外在軍事、海洋探測(cè)、航天、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)林業(yè)甚到服務(wù)娛樂(lè)行業(yè)，也都開(kāi)始使用機(jī)器人。而作為一種新型探測(cè)用具，輪腿式移式機(jī)器人由于其機(jī)動(dòng)性及智能化，可以從事很多人類(lèi)難以親身參與的工作。如復(fù)雜危險(xiǎn)地形的探測(cè)、外星球的探測(cè)及一些軍事領(lǐng)域的偵查等。機(jī)器人的爬坡和越障能力作為機(jī)器人野外適應(yīng)能力的兩大主要指標(biāo)是地面移動(dòng)機(jī)器人研究的重點(diǎn)內(nèi)容。又由于輪腿式移動(dòng)機(jī)器人大多數(shù)時(shí)候都工作在崎嶇不平的地形中．傾覆穩(wěn)定性對(duì)這種機(jī)器人而言是非常重要的．運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的傾覆可能導(dǎo)致機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)失靈、運(yùn)動(dòng)失控、無(wú)法復(fù)位、元件損壞乃至系統(tǒng)報(bào)廢等一系列問(wèn)題是今后輪腿式移動(dòng)機(jī)器人研究的重點(diǎn)內(nèi)容。真正的智能化和完全的自主移動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)。導(dǎo)航研究的目標(biāo)就是沒(méi)有人的干預(yù)下使機(jī)器人有目的地移動(dòng)并完成特定任務(wù)，進(jìn)行特定操作。機(jī)器人通過(guò)裝配的信息獲取手段，獲得外部環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)自我定位，判定自身狀態(tài)，規(guī)劃并執(zhí)行下一步的動(dòng)作[11,12]。
三、輪腿式移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究
正如人類(lèi)活動(dòng)范圍和探索的空間是人類(lèi)進(jìn)步的標(biāo)志一樣,機(jī)器人的智能同樣體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)空間的大小上。為了獲得更大的獨(dú)立性,人們也對(duì)機(jī)器人的靈活性及智能提出更高的要求,要求機(jī)器人能夠在一定范圍內(nèi)安全運(yùn)動(dòng),完成特定的任務(wù),增強(qiáng)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。因此,近年來(lái),移動(dòng)機(jī)器人特別是自主式移動(dòng)機(jī)器人成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的中心之一[7]。
一 輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)形式
根據(jù)實(shí)際運(yùn)用環(huán)境的需求 綜合輪式和腿式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種多驅(qū)動(dòng)模式的輪腿式移動(dòng)機(jī)器人．整個(gè)機(jī)器人由六個(gè)結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱的運(yùn)動(dòng)單元和車(chē)體構(gòu)成．每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元具有一個(gè)轉(zhuǎn)向臂、一個(gè)擺臂和兩個(gè)電動(dòng)輪(驅(qū)動(dòng)輪和爬行輪。對(duì)于運(yùn)動(dòng)在不平坦地形中的移動(dòng)機(jī)器人而言,其傾覆穩(wěn)定性非常關(guān)鍵.對(duì)稱結(jié)構(gòu)的輪腿式機(jī)器人，它有六個(gè)獨(dú)立的輪腿運(yùn)動(dòng)單元,能夠變化多種構(gòu)形.采用動(dòng)態(tài)能量穩(wěn)定錐方法和傾覆穩(wěn)定性指數(shù)對(duì)機(jī)器人的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),建立了一個(gè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)白適應(yīng)控制系統(tǒng).根據(jù)穩(wěn)定性指數(shù)值,該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)改變機(jī)器人的構(gòu)形和速度,保證其傾覆穩(wěn)定性.正弦路面上的仿真結(jié)果表明,該系統(tǒng)所產(chǎn)生的動(dòng)作實(shí)時(shí)性好、可靠性高,能夠降低機(jī)器人白主越障過(guò)程中的危險(xiǎn)[14,15]。
二 輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的組成
輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的 驅(qū)動(dòng)裝置
輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)向裝置
輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的換向裝置
輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的制動(dòng)裝置
四、本次設(shè)計(jì)目的及意義
輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置是一種復(fù)合移動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)合輪式和腿兩種移動(dòng)方式的特點(diǎn)，世界各國(guó)均投入了大量研究。課題對(duì)機(jī)器人腿式和輪式移動(dòng)原理進(jìn)行了解和掌握，在此基礎(chǔ)上對(duì)兩種移動(dòng)方式進(jìn)行綜合，設(shè)計(jì)出一種適合野外非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，在機(jī)構(gòu)上有所創(chuàng)新，機(jī)器人能夠在復(fù)雜路面上行走、具有較強(qiáng)的越障能力。在機(jī)械CAD環(huán)境下設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)裝置的總體方案和結(jié)構(gòu)，各種機(jī)電元件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，并對(duì)機(jī)器人越障行為進(jìn)行分析與研究。
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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）：
輪腿復(fù)合式機(jī)器人是在輪式機(jī)器人的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化輪子設(shè)計(jì)以達(dá)到快速靈活運(yùn)動(dòng)的一種新型的地面移動(dòng)系統(tǒng)。該機(jī)器人主體由機(jī)架、兩條主軸、齒輪減速機(jī)構(gòu)、輪腿復(fù)合機(jī)構(gòu)組成，由單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。該機(jī)器人相比于普通輪式機(jī)器人具有較強(qiáng)的越障能力，且結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、體積小、重量輕。采用ADAMS對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，詳細(xì)探討了其越障能力、安裝相位、輪腿結(jié)構(gòu)、步態(tài)等關(guān)鍵問(wèn)題，為其物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和控制提供了理論依據(jù)[15]。課題要求對(duì)機(jī)器人腿式和輪式移動(dòng)原理進(jìn)行了解和掌握，在此基礎(chǔ)上對(duì)兩種移動(dòng)方式進(jìn)行綜合，設(shè)計(jì)出一種適合野外非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，機(jī)器人能夠在復(fù)雜路面上行走、具有較強(qiáng)的越障能力。在機(jī)械CAD環(huán)境下設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)裝置的總體方案和結(jié)構(gòu)，各種機(jī)電元件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，并對(duì)機(jī)器人越障行為進(jìn)行分析與研究
設(shè)計(jì)技術(shù)要求：
1．每個(gè)輪子獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，采用環(huán)境適應(yīng)能力好的六腿式結(jié)構(gòu)。
2．重量小于45Kg ，外形尺寸長(zhǎng)度不超過(guò)800mm，寬度不超過(guò)600mm 。
3．機(jī)器人最大移動(dòng)速度10Km/h，具備越障和爬坡能力。
4．要求能夠翻越250mm高的障礙,能夠爬15°的斜坡。
本次主要研究搖臂—轉(zhuǎn)向架式六輪腿移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)構(gòu)與控制理論。搖臂—轉(zhuǎn)向架式六輪腿智能移動(dòng)機(jī)器人，它具有較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力和跨越障礙的能力。
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：
年 月 日
所在專(zhuān)業(yè)審查意見(jiàn)：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日