称此时的位置是协调的[7]。
图3 机器人三角步态示意图
图4 步态三角形的坐标分析
五．六足机器人越障步态设计
步态的设计是实现越障爬坡的关键之一,为达到较为理想的步行效果,需要考虑下列要求:越障爬坡步伐平稳协调、进退自如,无左右摇摆及前后冲击;机体和关节没有较大的冲击,特别是在摆动腿着地时与地面接触为软着陆;机体重心波动要平缓,且始终保持在垂直方向上,其投影在支撑腿所形成的垂直投影面内;腿支撑时间占整个运动周期(即占空比β)的合理取值[8]。
图6为一个步行周期T中六足机器人的摆动相与支撑相的交替过程。假定机体的运动时间是腿摆动时间的k倍,则可以将β分为3种情况:
a)β=4+k5+k,如图5所示。从图5可以看出在一个周期时间内,机体总是由至少4条腿支撑着,并且支撑腿所构成的多边行区域能保证机器人的稳定性。
b)β>4+k5+k,在机器人机体非运动期间,有六条腿的摆动相与支撑相有一短暂的重叠过程,即六条腿同时着地的状态,此时的机器人静止不运动。
c)β<4+k5+k,有摆动相相互交错,当腿1、4摆动相交错时,做支撑相的是2、5、3、6号腿,可以看出机器人不具有静稳定性。同理,当腿3、6摆动相交错时,做支撑相的是1、4、2、5号腿,可以看出机器人同样不具有静稳定性。此种交替过程要求机器人机构具有弹性和消振功能,否则难以实现。综合考虑以上3种情况,对于“多边形步态”将采用β=4+k5+k。
图5 六足仿生机器人“多边形步态”示意图
图6 机器人一个周期内各个腿的摆动与支撑相
六．六足仿生机器人越障步态的选择
用l1,l2,l3,l4,l5分别表示六足仿生机器人每条腿各关节之间的相对距离(如图7所示),所以,相对于各自的臀关节位置,机器人足端所能够及到的最远距离为:L=l21+l2+l3+l4+l52,把已知数据代入得到L=1374 mm,若机器人的腿足端迈开的步伐幅度用s表示,则臀关节所能达到的最高位置h=L2-s2,假如取s=500 mm,可以算出h=1280 mm。
图7 六足机器人腿结构示意图
图8所示的是机器人爬坡示意图,其中,AB代表其前腿,DE代表其后腿,并且机器人的两条中间腿处于障碍物的临界点处即C点所处的边上,因此,只有当机器人的重心处于C点的左侧时才能保证其接下来运动的稳定性,即后腿的上坡运动,由于后腿所能够及的最远距离L(L=1374 mm)大于CD(CD=1215 mm)之间的距离,这样就为后腿在上坡时将自己的足端放置于C点所处的边上处提供保证。图3中的机器人重心正好处于临界位置,既机器人重心沿垂直方向的投影点与C点重合。又由于前腿AB所能达到的最大长度是L,因此,机器人能进行任意角度的倾斜,即0°≤ ∠ACB<90°,所以,基于“多边形步态”,机器人所能越过的障碍物最高高度为
Hmax=LDE+LCD,
即:Hmax=l21+l2+l3+l4+l5-s2+LCD
把已知数据代入该公式,得到Hmax=2495 mm。又由于前腿足端所能够及到的最高高度是2 h,且2 h >Hmax,即机器人站在平地上能够触及到高度为Hmax的障碍物顶端。因此,机器人采用“多边形步态”越过最高高度为Hmax的障碍物可以得到实现。根据前面的分析可以得出,当障碍物的高度满足0 图8 机器人爬坡示意图 结论 在仿生学的基础上，本文介绍了六足机器人研究的最新成果以及六足机器人步态研究的相关理论，随着机器人技术的快速发展，具有复杂地形表面快速移动能力的六足仿生机器人，正受到越来越多的关注。对该类机器人的研究，为拓宽机器人技术的研究领域指明了新的方向，具有重要的理论意义和实用价值。由于六足仿生机器人的研究，涉及到昆虫仿生学、神经生物学、并联机构学、多轴协调控制理论、生物学控制论等多学科知识与技术，研究难度较大，因此，还需进行大量的理论研究。 参考文献： [1]Delcomyn F,Nelson M E.Architectures for a biomimetic hexapod robot[J].Robotics and Autonomous Systems [2]许宏岩, 付宜利, 王树国, 刘建国. 仿生机器人的研究. [3]张秀丽, 郑浩峻, 陈恳, 段广洪. 机器人仿生学研究综述. [4]宋一然,颜过正,徐小云.基于仿生学原理的六足微型机器人[J]. [5]于殿勇,张 滔.一种简易足式移动机器人[J].中国机械工程 [6]白井良明.机器人工程[M]. [7]金政雄.昆虫式六腿机器人控制系统设计[D]. [8]蒋新松.机器人学导论[M].