燕山大学本科生毕业设计（论文）
▲图3-1 六足步行机器人步态示意图 图中·支撑腿 . 摆动腿 S 半步长
3.1.3步态设计
步态设计是实现步行的关键之一，为达到较为理想的步行，考虑下列要求：①步行平稳、协调，进退自如，无左右摇晃及前后冲击；②机体和关节间没有较大的冲击，特别是在摆动腿着地时，与地面接触为软着陆；③机体保持与地面平行，且始终以等高运动，没有明显的上下波动；④摆动腿胯步迅速，腿部运动轨迹圆滑，关节速度与加速度轨迹无奇点；⑤占空系数β的合理取值。根据占空系数β的大小可分为3 种情况①β= 0. 5. 在三摆动腿着地的同时，另外三支撑腿立即抬起，即任意时刻同时只有支撑相或摆动相；②β> 0.5 机器人移动较慢时，摆动相与支撑相有一短暂的重叠过程，即机器人有六条腿同时着地的状态；③β< 0. 5 ，机器人移动较快时，六条腿有同时为摆动相的时刻，即六条腿同时在空中，处于腾空状态，显然此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。本次所研究的六足机器人的步态是β= 0. 5 时的状态。在三摆动腿着地的同时，另外三支撑腿立即抬起，即任意时刻同时只有支撑相或摆动相。
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第3章 仿生六足机器人的设计
3.2仿生六足机器人机构建模
机构设计是仿生六足机器人系统设计的基础，整机机械结构、自由度数、驱动方式和传动机构等都会直接影响机器人的运动和动力功能。
仿生多足步行机器人的机构由躯体和腿两部分组成，腿的数量及其配置是整体设计的主要问题。现有多足机器人的足数包括三足、四足、六足、八足甚至更多，足的数量较多时适合重载和慢速运动，而足数少时似乎运动更加灵活。影响步行机器人足数选择的一些主要因素为：稳定性、节能性、冗余性、关节控制性能的要求、制造成本、质量、所需传感器的复杂性以及可能的步态等；腿的配置是指步行机器人的足相对于机体的位置和方位的安排，确定分布形式时，还需考虑一些细节问题，如腿在主平面的几何构形（哺乳动物形、爬行动物形、昆虫形）和腿杆件的相对弯曲方向等。
在对步行机器人足数与性能定性评价的基础上，我们所设计的步行机器人采用六足结构，既能保证高速静稳定行走能力和负载能力，又考虑了机械结构和控制系统的简单性。通过对蚂蚁、蟑螂的观察分析，发现昆虫具有出色的行走能力和负载能力，因此步行机器人腿的配置采用正向对称分布，并且腿在正主平面的几何构形采用昆虫形。仿生六足机器人的机构模型如图所示。
▲图2-2 六足步行机器人机构示意图
六足步行机器人的三角步态中，六足机器人身体一侧的前足、后足与另一侧的中足共同组成支撑相或摆动相，处于同相三条腿的动作完全一致，即三条腿支撑，三条腿抬起换步。抬起的每条腿从躯体上看是开链结构。步行机器
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人在正常行走条件下，各支撑腿与地面接触存在摩擦不打滑，可以简化为点接触，相当于结构学上的3自由度球面副，在加上踝关节、膝关节及髋关节（各关节为单自由度，相当于转动副），每条腿都有6个单自由度运动副。
假设步行机器人任意时刻处于支撑相的腿数为n（n≤6），则此时模型为具有n个分支的空间多环并联结构，其自由度可由下式计算：
F??i?1Pf???ii?1Li?fp?F1??0
式中：p——运动副数，p=4n；
fi——第i个运动副具有的自由度数，fi=1（i=1～3n），fi=3（i=3n+1～ L——独立封闭环数，L=n-1；
λi——第i个独立封闭环所具有的封闭约束条件数，λi=6； fp——消极自由度数，fp=0；
F1和λ0——分别为局部自由度数和重复约束数，F1=0，λ0=0. 将以上参数代入上式，可得
F?3n?3n?(n?1)?6?6
4n）；
由此可知，无论步行机器人有几条腿处于支撑相，不论是3足支撑或6足支撑，整个机构是具有6自由度的空间多环并联机构，只是有时是3分支并联结构，有时是6分并联结构及串联开链机构之间不断变化的复合型机构。同时，上式可说明，无论该步行机器人采取的步态及地面状况如何，躯体在一定范围内均可灵活地到达任意的位置，并呈现要求的姿态。
3.3仿生六足机器人本体设计
为了便于加工以及安装控制元器件，多足步行机器人的机体常采用箱型钢结构。通过对自然界多足动物的细心观察，仔细研究了机器人立足点在水
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第3章 仿生六足机器人的设计
平面上的铅垂投影点构成的支撑图形，以寻找其中的原因。为了行走稳定起见，仿生六足机器人在行走过程中，机体重心的投影必须落在三条支撑足的支撑点所构成的三角形区域内，其情况如图2－3所示。其中箭头表示重心的移动。因为重心靠近边界时会使机器人的稳定性急剧下降，在此，特地设定重心投影到支撑图形边界垂直距离的最小值为稳定裕度。现在的问题是如何如何设计机体形状才能保证其获得最大的稳定裕度，即获得最佳稳定性能。我们对机体为长方形和近似菱形的两种步行机器人进行了运动学仿真，结果表明近似菱形机体的步行机器人具有两反面明显的优势：一是减少了腿部之间的碰撞；二是增加了机体的稳定性。
因此，我在设计仿生六组机器人时，采用了近似椭圆形的框架结构，除了以上两方面优势外，还增加了机器人腿部的运动空间。制造时，机器人的机体使用高强度铝合金为原材料，以减轻机器人质量。躯体内部预留安装空间及安装孔，便于控制元器件、视觉系统、电源模块等的安装及走线。同时，因该机器人六条腿的根部与机体相连，还需考虑整体布局与安装定位。图为六足步行机器人机体的三维实体模型。
▲图3-3 机器人的机体
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3.4 仿生六足机器人腿部设计
3.4.1腿部参数确定原则
腿部机构是仿生六足机器人的重要组成部分，也是仿生六足机器人机械设计的关键之一。腿机构设计的基本要求可归纳如下： 1. 实现运动的要求
从仿生六足机器人应当具有的行走性能出发，一方面要求机体能直线运动轨迹或平面曲线轨迹，另一方面要求能够灵活转向，因此腿机构应为不少于三个自由度的空间机构，并且足端具备一个实体的工作空间。 2. 负载能力的要求
仿生六足机器人的腿在行走过程中交替的支撑机体的质量，并在负重的状态下推进机体向前运动，因此必须具备与整体质量相适应的刚性和承载能力。
3. 结构实现和方便控制的要求
从结构设计的要求看，仿生六足机器人的腿部结构不能过于复杂，杆件过多会导致机构庞大和传动困能。
自然界中，许多昆虫的腿部结构大致分为基节、股节、和胫节三部分分别绕着根关节、髋关节和膝关节做单自由度旋转运动，属于一个RRRS型开链结构。项目组所设计的仿生六足机器人，采用相似的三自由度关节腿机构，各关节要求由电机、减速箱和锥齿轮共同驱动，以便用简单的结构获得较大的工作空间和灵活度。通过控制相应关节电机的运动使机器人具备了18个自由度，能够实现机器人步行足在可达域内任意一点的自有定位。在结构上保证其能够更有效地模拟昆虫的行走方式以完成相对复杂的运动。
3.4.2腿部驱动系统设计
驱动系统在仿生六足机器人中的作用相当于生物的肌肉，他通过转动腿部各关节来改变机器人的姿态。驱动系统必须拥有足够的功率对关节进行加减速并带动负载，而且自身必须轻便、经济、精确、灵敏、可靠且便于维护。
1. 电机选择
目前，电机尤其是伺服电机已成为机器人最常用的驱动器。电机控制性
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