哈尔滨工业大学机电工程学院基于项目学习的机械创新大赛结题报告教材.docx
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哈尔滨工业大学机电工程学院基于项目学习的机械创新大赛结题报告教材
编号：
哈尔滨工业大学机电工程学院
基于项目学习的机械创新设计大赛
结题报告书
项目名称：
项目负责人：
学号：
联系电话：
电子邮箱：
院系及专业：
指导教师：
职称：
联系电话：
电子邮箱：
院系及专业：
哈尔滨工业大学机电工程学院制表
填表日期：
2014年7月20日
项目名称：
一、课题组成员：
（包括项目负责人、按顺序）
姓名
性别
专业方向
班级
学号
本人签字
曹启迪
男
机械设计制造及其自动化
1208108
1120810831
陈杨宇
男
机械设计制造及其自动化
1208108
1120810829
曾博远
男
机械设计制造及其自动化
1208108
1120810811
宁大方
男
机械设计制造及其自动化
1208108
1120810801
苏义豪
男
机械设计制造及其自动化
1208108
1120810820
二、指导教师意见：
签名：
年月日
三、院评审委员会意见：
评审主任签名（或盖章）：
年月日
四、项目研究结题报告（字数应在3000字左右）
1、课题背景
轮式或履带式车辆无法在世界上大部分崎岖复杂地形行走，而大量的科学研究或工业生产活动正需在这些地方进行，甚至于将来我们的生活中也将出现大量的能进行各种复杂工作的机器人。
多足机器人机械足多点式接触地面的方式能使其在这些地面上行走自如，携带各种装置能完成一系列人类自身难以完成的任务。
以机械足取代传统轮式或履带式行走机构极大的减小了机器人自重，使其携带更加方便，对于航空航天领域（登月，火星探测）具有广泛应用前景。
在机器人越来越普及的今天，降低机器人造价及操作复杂程度是我们需要攻克的重点。
现阶段大多数仿生机器人采用一个关节，一个舵机的方式来控制机械臂，这样会多出来很多不必要的自由度，制造成本较高，控制系统复杂。
采用机械连杆结构极大的简化了机器人模型，节省造价，简化操作。
对于机器人的普及具有重大意义。
2、课题研究内容与方法课题研究内容与方法
仿生式六足机器人，顾名思义，六足机器人在我们理想架构中，我们借鉴了自然界昆虫的运动原理。
足是昆虫的运动器官。
昆虫有3对足，在前胸、中胸和后胸各有一对，我们相应地称为前足、中足和后足。
每个足由基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节几部分组成。
基节是足最基部的一节，多粗短。
转节常与腿节紧密相连而不活动。
腿节是最长最粗的一节。
第四节叫胫节，一般比较细长，长着成排的刺。
第五节叫跗节，一般由2-5个亚节组成﹔为的是便于行走。
在最末节的端部还长着两个又硬又尖的爪，可以用它们来抓住物体。
行走是以三条腿为一组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。
这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面并向后蹬时，另外三条腿即抬起向前准备替换。
前足用爪固定物体后拉动虫体向前，中足用来支持并举起所属一侧的身体，后足则推动虫体前进，同时使虫体转向。
这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。
并不是所有成虫都用六条腿来行走，有些昆虫由于前足发生了特化，有了其他功用或退化，行走就主要靠中、后足来完成了。
我们采用机械足，每个足上采用1个舵机达到抬起目的，减震目的，使其能过在崎岖地面行走。
图1
图2
图1为六足三角步态
三角步态介绍：
“六足纲”昆虫步行时，一般不是六足同时直线前进，而是将三对足分成两组，以三角形支架结构交替前行。
目前，大部分六足机器人采用了仿昆虫的结构，6条腿分布在身体的两侧，身体左侧的前、后足及右侧的中足为一组，右侧的前、后足和左侧的中足为另一组，分别组成两个三角形支架，依靠大腿前后划动实现支撑和摆动过程，这就是典型的三角步态行走法，如下图所示。
图中机器人的髋关节在水平和垂直方向上运动。
此时，B、D、F脚为摆动脚，A、C、E脚原地不动，只是支撑身体向前。
由于身体重心低，不用协调Z向运动，容易稳定，所以这种行走方案能得到广泛运用控制系统：
采用单片机对舵机的转向，频率，及几个舵机之间的协调关系进行控制，以达到完成多个动作的目的。
仿生六足机器人采用电动驱动的方式进行驱动
驱动器采用微型直流角位移伺服电动机【舵机】。
（1）舵机原理
舵机是一种结构简单的、集成化的直流伺服系统，其内部结构由直流电机、减速齿轮、电位计和控制电路组成。
舵机采用的驱动信号是脉冲比例调制信号（PWM），即在通常为20ms的周期内，输入以0.5～2.5ms变化的脉冲宽度，对应的转角范围从O°变化到180°，脉冲宽度与转角呈线性关系[5]。
控制信号线提供一定脉宽的脉冲时，其输出轴保持在相对应的角度上。
若舵机初始角度状态在0°位置，那么电机只能朝一个方向运动，所以初始化的时候，应将所有电机的位置定在90°的位置。
六足机器人腿部偶数舵机转轴为垂直运动，控制机器人腿部抬起和放下；奇数舵机转轴为水平转动，控制机器人腿部前进和后退。
（2）舵机控制方法
标准的舵机有3条导线，分别是：
电源线、地线、控制线。
电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。
给舵机供电电源应能提供足够的功率。
控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20ms（即频率为50Hz）。
当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。
某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用图3表示
从上述舵机转角的控制方法可看出，舵机的控制信号实质是一个可嗣宽度的方波信号（PWM）。
该方波信号可由FPGA、模拟电路或单片机来产生。
采用FPGA成本较高，用模拟电路来实现则电路较复杂，不适合作多路输出。
一般采用单片机作舵机的控制器。
3、研究结果研究结果
图1和图2为初期想法和目标，在实施过程中发现无法只用一个舵机就将整条机械足控制，故改为一只机械足上采用2到3个舵机控制。
该仿生六足机器人能实现三角步态的直行转弯等动作，同时采用的航模电池具有高倍率，安全轻便的特点。
4、创新点创新点
该机器人每条腿由3个伺服电机配合结构件链接而成，一共6条腿，共用伺服舵机18个，从仿生学结构上完全满足蜘蛛、爬虫等自然界6条腿生物的各种爬行动作，由控制器协调各个舵机做出不同姿势，能仿生出6条腿爬行动物的多数动作。
简单的关节型机器人伺服系统不仅具有可批量制造的条件，作为今后机器人群系统的基本组成，也可以作为探索复杂伺服机构的研究对象。
可应用的研究方向：
1．仿生机器人技术：
主要研究仿生机器人，包括仿生机器人总体结构与优化技术、仿人形机器人运动规划与仿真系统、仿生机器人的感知技术、基于多传感器的环境自适应技术。
2.智能系统群体通讯与协调技术：
主要研究智能无人移动平台及机器人间的通讯与协调作业，包括多智能系统间的信息传递、信息获取及信息理解技术，智能决策与规划技术，协调作业控制技术，人机交互与遥操作技术。
3．仿生感知与信息处理技术：
主要研究信息获取与利用技术，主要包括视觉仿生探测技术，听觉仿生探测技术，力觉、触觉处理技术，复杂环境下多信息获取与融合技术。
5、结束语结束语
由于学习机械设计制造及其自动化专业，虽然学习了机械类专业的相关知识，但是在具体实践中遇到很大的难题，比如U型件的机构设计及具体实物制作，没有一定的参考资料，只能通过自己的创新和不断的改进来完成它的特定功能，另外尺寸的设计和不断的优化也耗费了很长一段时间和大量的精力，虽然在实际操作和制作中遇到种种问题，但是最后还是完成了整个机器人的设计和制作，最终实现了目的。
整个过程，从设计及制作整整花了1个月的时间，在这个过程中，由于遇到难题太多差点有想放弃的念想，但是最终还是充满了不服输的勇气，从中学习了很多专业内外的知识，同时对机械加工工种的操作又有了进一步的提高，对一般的车、铣、焊接等技能有了进一步的掌握，同时对团队合作意识及方案设计方面有了很大的发展。
另外，由于设备及技术由于条件有限，未能完全实现原来初步设计的要求，也没有通过实际操作验证本机的实际性能，许多数据都是通过查阅参考资料或做实验得到的，没有作定量的分析，在诸多方面还有待改进。
在设计过程中非常感谢各位领导和老师给我们提供了良好的环境以及经济的援助，特别是指导教师杨威老师，给予我极大的帮助。
最后我想说的是：
每一次实践都会得到一次锻炼，不管我们设计及制作的结果是否理想，当我们实践了以后，我们收获了与众不同的果实，我们注重的不是每一次结果，而是我们在整个过程中付出的汗水和所得的宝贵的创新理念。
6、参考文献参考文献
《仿生六足机器人的研究设计》童晖张争艳李文峰——XX文库
《基于Webots仿真软件的仿生六足机器人结构设计与步态规划》赵小川罗庆生韩宝玲——中国知网
《六足仿生机器人的运动步态研究与控制系统设计》储忠——道客巴巴
7项目经费使用
序号
项目名称
数量
单价
合计
用途
备注
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
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10.
11.
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19.
20.
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22.
总计
元
编号：
哈尔滨工业大学机械类领军人才
创新项目结题管理报告书
项目名称：
项目级别：
院系级
执行时间：
年月至年月
负责人：
学号：
联系电话：
E-mail：
院系及专业：
指导教师：
职称：
联系电话：
E-mail：
院系级专业：
哈尔滨工业大学机电工程学院
填表日期：
2014年7月20日
填报要求
1、字数要求在3000--5000字。
2、项目级别分为“国家级”、“省部级（地区级）”、“校级”、“院系级”
3、本报告书由项目负责人填写。
凡是参加评奖的小组必须填写本报告，无本报告的项目组验收合格只给创新学分。
4、尽可能采用图表说明。
5、本报告书上交纸质版一份，同时上交电子版。
一、成员
负责人
姓名
性别
专业
学号
主要科技创新及大赛经历
项目组其他成员
姓名
性别
院系、专业
年级
学号
项目分工
二、项目介绍
1.项目来源及目的、意义和应用前景
2.主要研究内容、关键技术及创新点
3.项目成果（大赛奖项、申请专利、发表论文、软件\模型\图纸\作品等）
三、项目规划与实施方案
1.项目进度安排及完成情况
2.人员组织与分工
3.项目运行关键问题评判、决策及攻关
4.经费使用情况
四、项目总结
1.团队意识
2.项目管理、宣传理念及咨询、沟通
3.存在的问题及分析、解决办法
4.收获
5.今后努力的方向
五、自我评价
1.知识与技能
2.管理胜任力
3.个人特质
六、意见及建议
项目负责人：
（签字）指导教师：
（签字）
年月日年月日
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