国际机械设计制造及其自动化专业课程设计（论文）
第二章 六足仿生机器人的步态规划
2.1步态分类
六足机器人要体现良好的地面适应能力和行走灵活性，需要规划合理，有效的行走步态。步态不仅是指步态机器人各条腿抬腿、放腿的顺序，还包括机器人占空系数分析、足端轨迹的选择等。一般是模仿动物的行走姿态来研究机器人的步态。避免死锁现象，保证机器人步行的连续性和全方位。 2.1.1 三角步态
交替三角步态也被称为三角步态，六足纲是很多人熟知的一种步态，三角步态也可以称之为最为快速最为有效的一种静态稳定步态结构，这种步态非常的方便和快捷，能最简单化的模拟出昆虫的移动方式和方法，而且速度迅速快捷。本文就这种步态方式进行了简单的讨论，得出了三角步态是最适合步行机器人直线的行走。
2.1.2跟导步态
很多人都是采用的三角步态，但是三角步态也是有局限性的，三角步态被应用在平常不凸起的地面，在1974年sun提出的跟导步态，这个是跟导步态最原先的鼻祖，他是以后跟导步态的一个基础，在为后人的研究中做出了很大的贡献。
选择前两足的坐标是跟导步态的重点，当前足和中足的坐标决定了一对中足和一对后足的下一步的坐标点，这种方式控制简单，而且还有很好的稳定性，当然了一切的前提是在不平面的地面上行走时，我们平时在平面上运动的概率相对来说还是比他要大得多。 2.1.3交替步态
复杂地形的行走是很多研究所在的重要环境特征，如何充分发挥六足机器人的特点，交替步态（也被称之为五角交替步态）这是很多研究院和研究机构的重点研究对象，这是一种单腿交替行走的步态。
抬升和前进是五角步态的两个重要的部分，相邻的腿之间信号要顺序传递，一个靠地，另一个抬起，当这种状态能够持续的开始时，那么六足机器人就可以行走了。
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六足是机器人的行走机构设计
但是你可以想象一下因为地形的原因，那么各个腿到地面的时间不同，位置不同，这样的话就不可以预测出他的时间和转换的规律，所以对于凹凸不平的地面来讲是不可用的，当然了对于平整的地面来说就都一样了，时间规律都是有了固定值，这可以在试验中得到验证。
2.2步态规划概述
昆虫大多是采用的六足纲的原理来行走，可以看作两个状态，当腿抬离地面的时候就叫作悬空相和当腿接触到地面推动机体前行的时候就叫做支撑相，悬空时的状态记作1，支撑时候状态就记住0。一个腿运动完一个完整的周期循环所需要的时间就叫作一个运动周期。腿的运动周期相同，当周期变换的时候，腿就不同运动。有荷因素的定义为整个循环的运动周期中腿在地面的时间比例：
?i?腿的支撑相的时间tpi? (2-1)
腿的周期T如果i为1、2、，，，，2k（2k为总的足数）也就是为偶数的时候，这种步态就称之为规则步态。
步距X：指的是一个完整的腿循环中机身重心的移动的位置。 平均速度：指的是机身的平均运动的速度。
所以由此可以看出行程L ，步距X，和有荷因数?三者之间的关系为L?X??。根据上述所说的，有荷因数?大小可以分为3种情况，
（1）当错误！未找到引用源。时；在一组腿着地时候处于支撑相时，另外的三条腿立刻抬起处于悬空相，使他能在任意时刻同时具备支撑相和摆动相，保证在任意时刻都有三条腿支承地面，三条腿摆起，这就是三角步态所处的时刻。
（2）当错误！未找到引用源。时；机身的前行移动慢的时候，当摆动相和支撑相有很少的时间重叠过程，也就是说六条腿同时着地的时候，在这种情况下，步行机器人稳定性更高，但是行走速度就相对降低。
（3）当错误！未找到引用源。时；机身运动相对很快时候，六条腿同时在飞跃在空中时，各个脚都是处于悬空相时候，在这种结构中，机器人腾空这要求机器人的机械结构有很好的弹性和吸振性。
三角步态（也或者称之为交替三角步态或者“3＋3”步态），这是运动是六条腿成为两组三角步态交替支撑前进迈步，一般来说像(蚂蚁，蟑螂）步行的时候都不是六条腿同时直线前进的，而是把两边分为两组以三角形支架的形式交替前行的，身体一边
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的前后足和另一边的中足组成一对三角架，稳定身体的状态，两组脚在一边抬起时，另一边的三角脚架不动，使身体的重量都集中在不动的三角架上，当前面的腿上的肌肉收缩时候，也就是舵机动作，把脚部的力矩传递个机身，使机身的重心移动，当然了机身的重心的投影在三角架内部。就是通过重心的转移来使机身移动，然后再重复上一组的动作，相互互换周而复始，这种方式是很便捷的，因为重心一直在两对三角架的重心位置，使其能更稳定的行走，这充分的体现了三角步态的行走方式，但是这不是直线，我们可以理解为一种类似呈锯齿形的曲线前进方式。
自然界的昆虫一般都是用的三角步态来达到疾走的目的，如下图说的一般来讲三个A为一组腿，三个B为一组腿，每三个构成一个三角形，当其中一组处于支撑相的时候，另一组要迅速的处于悬空相，这两者之间是交替互换的，前足固定产生摩擦力带动重心移动，后足有转变方向的作用，他们是交替支撑身体的，所以总的来说三角步态还是相当稳定的步态，相比较其他的方式有很大的优越点，下面用图来简单表示下：
1、仿生六组机器人六条腿都在地面上也就是处于支撑相，看到机器人的重心在C1的地方，B组的支撑机身重量，A腿摆动。
2、仿生六足机器人再次同时在地面上，发现重心到了C2的位置，Ａ、Ｂ组都支撑机身体重，机身向前移动了Ｌ长度。
3、仿生六足机器人Ａ组靠地面时候，Ｂ组开始动作，重心仍然不变，所有的状态回到初始，这就是一个周期，运动起来这就是一个循环往复的过程。
图2-1 机器人步态规律图
2.3六足仿生机器人的坐标含义
六足仿生机器人的简图以下图是X0Y与机身平行，Z轴与机身相互垂直，机身的质心在坐标原点上。
腿的顺序定义如图所示，定义腿间距为n，机身的体宽为1m。A1、A2、A3、B1、
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B2、B3、分别是腿的站立点，A11，A21、A31、B11、B21、B31、分别是腿与髋关节的连接处。
图2-2 机器人的坐标定义
六足仿生机器人腿机械图如下图所示：X轴投影定义的腿长为L，腿的高度为H，大腿与小腿之间角度为?i，髋关节在Z轴旋转角度为?i，髋关节在Y轴旋转角度为?i。
图2-3 腿变化示意图
图2-4 髋关节在XOY平面旋转示意图
由上面的两幅图可以看出，六足仿生机器人髋关节的电机向上旋转了?i角度的时候，
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其中一条腿在Z轴方向提升高度h，六足步行机器人腿部Z方向提升高度可以通过图计算如图:
根据图中所示，得到h计算的表达式子：
?i?H?ih=2L2?H2sinsin（-arctan+） （2-2）
2?i2LH2?icos(arctan?) （2-3） h?2L2?H2sin2L2所以可以确定的是髋关节电机旋转?i角度时候与立足的位置点Ai在Z轴的方向上提升高度h的函数关系。
由图2-5可见六足仿生机器人髋关节电机向着前面转动?i的时候立足位置点Ai在Y轴的方向上前进了半步长为S/2，六足仿生机器人腿部Y方向前进的步长计算如下：
图2-5 腿在Y方向上前进的示意图
所以说可以得出来S/2=Lsin?i，由表达可以确定髋关节电机向前转动?i角度的时候，立足位置点Ai在Y方向的前进的步长为一半S/2的相确定的关系。当?i较小的时候，可以设旋转?i角度后腿在X轴上的投影长度近视为L。
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