家用四足移动机器人设计开题报告

1.开题依据

在自然界或者人类社会中，存在人类无法到达的地方和可能危机人类生命的特殊场合，如工地，防灾救援现场等许多领域，对这些复杂环境的不断探索和研究往往需要有机器人的介入。与轮式或履带式机器人相比，由于足式机器人的立足点是离散的点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，足式机器人对崎岖路面也具有很好的适应能力。常见的足式步行机器人包括双足步行机器人，四足步行机器人，六足步行机器人，八足步行机器人等。其中四足步行机器人是一种对复杂地形具有高度适应性和具有实际应用价值的移动机器人，比双足步行机器人承载能力强，稳定性好。同时又比六足，八足步行机器人结构简单，因此受到各国研究人员的普遍重视。  

四足机器人是一门集仿生学，机械学及控制工程学等多学科融合交汇的综合性的学科。不仅涉及到线性，非线性，基于多种传感器信息控制以及实施控制技术，而且还囊括了复杂机电系统的建模，数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的技术。其发展往往代表一个国家的科技实力和机电一体化的最新产品。

 

二、文献综述

1、引言

四足步行机器人是机器人家族的一个重要分支，其不仅承载能力强，而且容易适应不平的地形。它既能使用静态稳定的步态缓慢平滑地行走，又能以动态稳定的步态跑动。与轮式、履带式移动机器人相比，在崎岖不平的路面，步行机器人具有独特优越性能，在这种背景下，步行机器人的研究蓬勃发展起来。而仿生四足步行机器人的出现更加显示出步行机器人的优势：

（1）四足步行机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，运动时只需要离散的点接触地面，对环境的破环程度也较小，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，对崎岖的地形的适应性强。

（2）四足步行机器人的腿部具有多个自由度，使运动的灵活性大大增强。它可以通过调节腿的长度保持身体水平，也可以通过调节腿的伸展程度调整重心位置，因此不易翻到，稳定性更高。

（3）四足步行机器人身体与地面是分离的，这种机械结构的优点在于：运动系统还具有主动隔振能力即允许机身运动轨迹和足运动轨迹解耦，机器人的身体可以平稳的运动而不必考虑地面的粗糙度和腿的放置位置。

（4）机器人在不平地面和松软路面上的运动速度较快，能耗较低。

2、国内外的发展现状

20世纪60年代，四足步行机器人的研究工作开始起步。随着计算机技术和机器人控制技术的研究和应用，到了20世纪80年代，现代四足步行机器人的研制工作进入了广泛开展的阶段。

世界上第一台真正意义的四足步行机器人是有Frank和McGhee于1977年制作的。该机器具有良好的步态运动稳定性，但缺点是，该机器人的关节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的行为受到限制，只能呈现固定运动形式。

20世纪80，90年代最具代表性的四足步行机器人是日本Shigeo Hirose实验室研制的TITAN系列。1981~1984年Hirose教授研制成功脚步装有传感和信号处理系统的TITAN-III。它的脚底步由形状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。姿态传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应步行。TITAN-VI机器人采用新型的直动性腿机构，避免了上楼梯过程中两腿的干涉，并采用两级变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。

2000-2003年，日本电气通信大学的木村浩等人研制成功了具有宠物狗外形的机器人Tekken-IV，如图1所示。它的每个关节安装了一个光电码盘，陀螺仪，倾角计和触觉传感器。系统控制是由基于CPG的控制器通过反射机制来完成的。Tekken-IV能够实线不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。它的另一特点是利用了激光和CCD摄像机导航，可以辨别和避让前方存在的障碍，能够在封闭回廊中实现无碰撞快速行走。

目前最具代表性的四组步行机器人是美国Boston dynamics实验室研制的BigDog，如图2所示。它能以不同的步态在恶劣的地形上攀爬，可以负载高达52KG的重量，爬升可达35°的斜坡。其腿关节类似动物腿关节，安装有吸收震动部件和能量循环部件。同时，腿部连有很多传感器，其运动通过伺服电机控制。该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳。但由于汽油发电机需携带油箱，故工作时受环境影响大，可靠性差。另外，当机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。

 

国内四足机器人研制工作从20世纪80年代起步，取得一定成果的有上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等。

上海交通大学机器人研究所于1991年开展了JTUWM系列四足步行机器人的研究。1996年该研究所研制成功了JTUWM-III，如图3所示。该机器人采用开式链腿机构，每个腿有3个自由度，具有结构简单，外形轻巧，体积小，质量轻等特点。它采用力和位置混合控制，脚底装有PVDF测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，实线了对角动态行走。但行走速度极慢，极限步速仅为1.7KM/h,另外其负重能力有限，故在实际作业时实用性较差。

清华大学所研制的一款四足步行机器人，它采用开环关节连杆机构作为步进机构，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，完成上下坡行走，越障等功能。不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。

3、国内外的关键技术分析

（1）机械本体研究

四足步行机器人是机电一体化系统，涉及到机构、步态、控制等，而机械机构是整个系统的基础。在机械本体的设计中腿部机构设计是关键。目前，研制的四足步行机器人的腿部机构形式主要有缩放型机构、四连杆机构、并联机构、平行杆机构、多关节串联机构和缓冲型虚拟弹簧腿机构。其中，并联机构可以实现多方位运动，且负载能力强，所以具有较好的应用前景，但控制系统较为复杂。另外，含有弹性元件的缓冲型虚拟弹簧腿机构，利用弹性元件把刚性连接变为柔性连接，减缓机器人在动态行走时的冲击以及由此产生的振动，因此该机构应用越来越广泛。

（2） 步态研究

步行机器人几种典型步态有：爬行、对角小跑、溜蹄、跳跃、定点旋转、转向等。在文献^[7]中，提出了爬步态的理论，并证明了该步态具有最大的静稳定性。对角小跑步态属于动态稳定步态，能够提高运动速度。跳跃式步态较其它步态在前进的效率上具有明显的优势，但是由于受到腿机构的摆动惯性力和关节处大冲击力的影响，因此需要较大的瞬时驱动力。另外，跳跃持续的时间是短暂的，为了保证机器人实时可控，必然需要在极短的时间内采集多种信号，这对目前的驱动元件和传感器都提出了极高的要求。目前所研究的各种步态中，跳跃步态的研究是最具挑战性的难点问题。

（3）控制技术研究

复杂四足步行机器人的控制系统是非线性的多输入和多输出不稳定系统，具有时变性和间歇动态性。目前四足机器人的步行运动大多数是基于步态的几何位置轨迹规划、关节位置控制的规划和控制策略。而对机器人进行单纯的几何位置规划与控制，则会由于惯性、脚力失衡等因素而导致机器人失稳。解决这个问题的关键就是突破单一的位置规划与控制策略，实施机器人力、位置混合控制。在步态生成和控制方面，有理论突破意义的是基于生物中枢模式发生器(CPG)原理的运动控制方法。

（4）驱动能源研究

在线提供能源受到空间的限制，而蓄电池组受体积和重量的限制，因此寻求提供持续可靠的离线自带电源就成了必须。随着新型电池的研发，新型太阳能电池、燃料电池、锂电池等成为较为理想的能量供给来源。另外，通过微波对微型机器人提供能量和控制信号也是一种较为可观的方法。

4、存在的问题

从20世纪60年代至今研究者们对四足步行机器人关键技术的分析做了大量的工作，在一些基础理论问题上取得了一定的突破，使四足步行机器人的技术水平不断得到提高。但在四足步行机器人发展过程中仍有一些亟需解决的问题：

（1）步行机器人的结构仿生设计问题；

（2）在不平地面移动的速度、稳定性问题；

（3）四足步行机器人的步态规划问题；

（4）步行机器人仿生控制方面的问题；

（5）有些步行机器人的体积和质量都很大问题；

（6）多数步行机器人研究平台的承载力不强问题；

5、展望

随着对四足步行机器人的研究的日益深入和发展，四足步行机器人在速度、稳定性、机动性和对地面的适应能力等方面的性能都将不断提高，自主化和智能化也将逐步的实现，从而使其能够在更多特殊环境和场合中使用，因此具有广阔的应用前景。

纵览当前四足机器人的发展，四足步行机器人有以下几个值得关注的趋势：

（1）实现腿机构的高能，高效性；

（2）轮，足运动相结合；

（3）步行机器人微型化；

（4）增强四足步行机器人的负载能力；

（5）机器人仿生的进一步深化；

6、总结

尽管四足步行机器人技术有了很大的发展，足式机器人的研究平台有很多，但制约四足机器人技术进一步发展的基础理论问题并没有得到根本的解决，其中，许多样机还达不到生物简单运动的速度和稳定性。正如著名机器人学家Geles教授所言：“步行机器人的理论研究步伐要远远落后于其技术开发的步伐”。现有的四足机器人的基础技术研究尚不够成熟和完善，足式机器人的关键技术还有待于进一步大力开发。

 

三、方案论证

本课题采用通用单片机实现轮式移动机器人电机驱动和闭环调速。实现基于渡越时间法的超声波测距模块设计，为机器人提供简单方便的障碍物距离检验。ＤＳＰ实时监测驱动电动机的正交编码脉冲实现移动机器人的运动学定位，作为机器人一种比较粗略的定位方式，可以作为后续高精度定位方式的补充。使用模糊控制实现移动机器人路径跟踪控制，利用MATLAB的模糊控制工具箱实现路径跟踪控制决策，完成移动机器人的路径跟踪。最后，论文设计的移动机器人运行平稳，控制简单。路径跟踪控制规则能够使机器人较好的跟踪已知路径。可以作为简单的移动机器人实验平台使用。  

本课题的重点内容是嵌入式操作系统，智能轮式移动机器人是一个典型的实时多任务系统，传统单任务顺序执行机制不能满足该系统设计的实时性要求，而且对于复杂系统来说可靠性不高，因此选用实时操作系统μC/OS-Ⅱ。它是一个源码公开，可移植，可固化，可裁剪的嵌入式操作系统，具有代码尺寸小，可占用实时内核，任务多，可确定执行时间，运行稳定可靠等特点。将μC/OS-Ⅱ移植到S3C44B0X上，并对操作系统进行裁剪，以节省存储空间。  

基于实时内核的多任务系统可划分为系统层和应用层。系统层 由内核和驱动程序库组成；应用层包括用于达成机器人任务目标的全部代码。在该系统软件应用层程序设计中，将机器人的任务分解成通信、信息采集、电机控制等多个用户任务。嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ对任务模块进行管理调度，（智械科技）协调机器人各项任务运行，保证了系统的实时性和可靠性。  

移动机器人控制系统设计与实现的主要内容有底层系统设计和控制系统的实现：  

（1）移动机器人底层系统设计：移动机器人的底层系统设计包括移动机器人的控制电路设计、电机驱动电路设计和超声波测距电路设计。底层设计涉及到的软件算法包括电机驱动和速度闭环、电机码盘的机器人定位、超声波测距等。  

（2）移动机器人的控制系统的实现：移动机器人控制系统的主要内容是生成机器人的运动控制信息，控制机器人的运动。轨迹跟踪是移动机器人需要完成的任务之一，其典型工作过程为机器人运动。轨迹跟踪是移动机器人需要完成的任务之一，其典型工作过程为机器人完成相应的移动，完成规划路径的跟踪。运动控制过程中用到的输入信息包括底层超声波测距模块提供的障碍物距离信息，电机码盘提供的机器人的位置、速度信息，以及全景摄像机、单目视觉摄像机采集并经过处理后的视频信息等。

 

四、毕业设计（论文）内容

基本内容:本课题要求学生设计一种家用四足移动机器人。要求对移动机器人的结构中的薄弱环节和关键环节进行校核。并完成四足移动机器人的传感器配置和控制方案设计。

1．整体运动框图：

2．程序执行框图：

 

重点内容:作为一种四足步行机器人的设计，我的主要任务就是设计四足步行机器人的结构，并完成四足机器人的步态规划与仿真，使它能够平稳行走并且具有一定的越障能力。 具体工作主要有：  

（1）掌握计算机三维制图软件Solidworks、Pro-E；

（2）对四足步行机器人进行结构设计；

（3）完成四足机器人的步态规划与仿真；

（4）运用三维制图软件绘制四足步行机器人的装配图；

（5）绘制四足步行机器人的主要零件图；

（6）完成毕业设计说明书；

难点内容：要求在毕业设计论文中对主要承重零部件或结构薄弱零部件进行必要的强度和刚度校核。

 

五、工作进度安排

（1） 第1周：搜集整理并认真阅读课题相关的中文及外文文献；  

（2） 第2周：对设计过程制定确切的计划，撰写开题报告，文件综述，外文翻 译；  

（3） 第3周：学习计算机三维制图软件Solidworks、Pro-E软件和温习Autocad 软件，熟悉机械零件的三维建模以及二维零件的绘制；  

（4） 第4周—第6周：确定四足步行机器人的运动方案，完成四足步行机器人 的结构设计，完成四足机器人的步态规划与仿真；  

（5） 第7周—第8周：运用三维绘图软件绘制四足机器人的装配图及其主要零 件图；  

（6） 第9周—第10周：编写和整理毕业设计论文；  

（7） 第11周：修改、完善并打印装配图、零件图及毕业设计论文，提交毕业设 计；  

（8） 第12周：准备毕业答辩。

六、参考资料

[1]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2]段铁群，机械系统设计. [M].北京.科学出版社,2010.  

[3]郑剑春，机器人结构与程序设计.[M].北京. 清华大学出版社，2012 .  

[4]孟庆鑫 ，王晓东机器人技术基础作.[M]. 哈尔滨.哈尔滨工业大学出版社，2006.

[5]邱宣怀，机械设计.[M].北京. 高等教育出版社  2000.8  

[6]王田苗，孟偲，裴葆青，戴振东.仿壁虎机器人研究综述[J]. 机器人，2007年03期  

[7]崔星，许耀鹏，李思齐.四腿机器人爬态控制与仿真研究[J];微计算机信息;2007年20期   

[8] 成光华，毛建国.四足机器人中各关节的控制[J];电子元器件应用;2008年01期

[9]徐国华,谭民. 移动机器人的发展现状及其趋势[J].机器人技术与应用,2001