一、概述
1.研究意义
随着人类对在复杂环境中既具备高移动能力，又具备可靠性，且易于扩展的移动平台日益迫切的需求，步行机器人作为一种拥有全方位移动能力的移动运载平台，具有非常广阔的应用前景。从仿生学角度来讲，多足机器人分为仿人、仿四足哺乳动物、仿昆虫行走机器人。在众多步行机器人中，模仿昆虫以及其他节肢动物的肢体结构和运动控制策略而创造出的六足机器人具有代表性。
一般来说，仿人机器人重点研究人机交互、语音识别、图像识别技术，行走重点为动态平衡；仿四足机器人多为中小型机器人，兼顾负重能力与灵活性，行走方面既有静态步行稳定性也有动态运动研究；仿昆虫机器人从尺寸上分为重载大型六足机器人和小型六足机器人，重点研究仿生腿的优化设计、行走稳定、足端精确控制、足端脚力分配、步态规划等。
六足机器人较二足、四足机器人，具有控制结构相对简单、行走平稳、肢体荣誉等特点，故而拥有较好的机动性，最容易实现稳定行走，可适应于复杂地形，多用于军事勘察、矿山开采、核能工业、星球探测、消防及营救、建筑业等领域。
2.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，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。
图1 昆虫运动原理腿部示意图
3.腿部机构类型
一般来说，腿的构造形式可分为昆虫类和哺乳动物类两种不同形式。昆虫类生物其腿的数目较多， 一般在四足以上 ;其腿分布于身体的两侧， 身体重心低，稳定性好，且运动灵活，但过低的重心不利于昆虫的越障能力 ;喃乳动物的行走腿则通常为两足或四足，且腿多分布于身体下方，重心高，便于快速奔跑和越障，但在转向等需要灵活性的场合不如昆虫类有优势。
通常腿部结构可以分为转动关节和平动关节。转动关节即通过电机转动，带动腿部直接旋转，关节转角即为电机转角；平动关节即通过执行缸伸缩，从而带动腿部旋转，关节转角需要通过平动距离进行转化。
4.六足机器人步态
通俗地说，步态是行走系统抬腿和放腿的顺序。
（1）相关定义
a.步态：是指机器人的每条腿按一定的顺序和轨迹的运动过程，正是因为这一运动过程实现了机器人的步行运动
b.步态周期：：步态周期是指多足机器人完成一个步态所需的时间，也就是所有腿轮番完成一次“提起 -摆动-放下”的动作共花费的时间，在此过程中机器人机体也完成过渡过程
c.占地系数：占地系数是指每条腿接触地面的时间和整个步态周期的比值。
当占地系数等于 0.5时，机器人是用两组腿交替摆动，这种步态称为小跑步态；
当占地系数小于 0.5时，机器人任何瞬间只有不足三条腿支撑地面，称为跳跃步态，
当占地系数大于 0.5时，机器人轮番有三条腿以上支撑地面，这种步态俗称慢爬行步态
d.步幅：机器人的重心在一个步态周期中的平移为步幅。本系统中步幅为6cm。系统步幅参数也是可调的。
e.静态稳定性：步态的生成策略则取决于机器人的步行稳定性，即在步态生成时必须进行稳定性分析。对于多足机器人，在任何时候都要有足够多的腿立足于地面支撑机器人机体，才能确保它静态稳定地步行。通常，至少需要三条这样的腿，并且由这三条腿的立足点构成的三角形必须包围机器人的重心垂直投影，机器人步行时，虽然这个三角形区域是不停变化的，但只要机器人重心投影始终在这个交替变化的区域内，则机器人的步行就是稳定的.
（2）常见的步态
a.三角步态
三角步态也称交替三角步态，是“六足纲”昆虫最常使用的一种步态，也被誉为最快速有效的静态稳定步态。大部分六足机器人都是从仿生学的角度出发使用这一步态。昆虫三角步态的移动模式较简单，非常适合步行架构的机器人的直线行走，行进速度也比较快。
b.跟导步态
对于六足机器人来说，跟导步态的重点是选择前两足下一步的落点，而一对中足和一对后足的下一步落点由当前前足和中足的立足点决定。跟导步态每次只需要选择前两足的立足点，因而具有控制简单，稳定性较好，越沟能力强等特点，所以特别适合多足步行机在不平地面行走时采用。
c.交替步态
单腿交替行走步态，也被称为五角步态。在交替步态中，各腿的运动可分为抬升和前进两个部分。当某腿的相邻各腿均已触地时，该腿开始运动，并给其相邻各腿发出信号。同样，在该腿触地时，也会给相邻各腿发出触地信号。这样，一旦整个六足系统进入行走状态，这种顺次的步态运行状态就可以一直维持下去。由于各腿等待其相邻腿触地的时间取决于其相邻腿的动作及其触地位置，因而，对于崎岖不平的地面而言，这种步态本身是不可预测的。然而，对于理想的平整地面而言，各腿的运动周期应该是一致的，故而此时的交替步态实质上等同于三角步态。
二、设计内容及实现目标
1.步态模拟：利用生物步态模拟“螃蟹步”和“节肢昆虫”两种步态
2.动作设计：前进、后退、左转、右转等动作
3.无线视频及实时传输、GPS模块定位
4.红外避障、循迹
5.平台搭载功能模块，如机械臂实现夹取物等功能。
三、机械结构设计
设计内容：根据仿生学原理，建立机体和腿部结构，对机身底板的外形及腿部安放角度、单腿节段长度比例进行设计计算 ，并设计确定机器人足端形状和结构；对运动过程中的极限状态进行负载计算，校核舵机的额定转矩是否能够满足工况；
六足机器人行走方式与轮式、履带式车辆行进方式有明显区别，其行走轨迹为非连续的离散点，而轮式和履带式车辆行走轨迹为连续接触面。六足机器人落足点的离散性为六足机器人在不规则地形行走提供了卓越的越障能力，每个落足点之间的跨越方式和运动轨迹的变化都为六足机器人提供了不同的步态，不同的步态决定了不同的受力形式，同样制约着机械结构的设计原则。反之，不同的机械结构也决定了机器人整机应对不同工况的能力。作为六足机器人的执行机构单腿刚度对整机性能影响较大，单腿受力后足端位移变形决定着机器人足端能否完成预定的轨迹。 下面为详细设计。
1. 机器人底板布局设计
对于摆动腿的仿昆虫式六足机器人，六条腿的布置方位对机身稳定性和运动性能有很大影响，通常有三种布局：矩形、椭圆形和圆形布局。建立图示三种布局，当每条腿摆动相同角度，即腿部扫过的扇形面积一致的情况下：
（1）腿部在行进时的干涉情况：矩形布局的腿部摆动范围重合度最高，圆形布局的重合度最小，即在保证相邻腿部不干涉的情况下，圆形布局腿部摆动空间最大，椭圆布局次之，矩形布局最差；
（2）直线行走的有效行进距离：设定单腿迈步可以完成的最大迈步距离为λ，标出每种布局的迈步距离，可见圆型布局的迈步距离最小，椭圆较大，矩形最大。
综合考虑上述因素，椭圆形布局的灵活性最佳，拟用椭圆布局，且自然界中六足昆虫腿部分布也均为椭圆形。
图2 三种底板布局示意图
六足机器人的稳定性由重心投影位置和支撑平面关系来确定，即相对固定的机器人重心位置不仅要保证时刻在变化的支撑平面内，更要预留出一定量的安全距离d。建立椭圆形机架连杆模型俯视图，其中 L 为单腿俯视投影长度，a 为机架前端和末端宽度，b 为机架中间宽度的一半，c 为机架长度的一半。
图3 稳定性分析示意图
稳定裕度为：d=(b+L)siny
其中，中间变量：
y=arctan(c/((2b-a)/2)+2L+a)
根据计算结果可见，当设定c值和 L为固定长度时，a 值越小，b 值越大可使整机在一定范围内稳定裕度 d 越高,当 a 充分小，b 充分大时整机重心将与支撑三角形最左侧边距离最近，但此种比例极不协调，通常设计时不做考虑。可见实际上圆形布局下的稳定裕度最大，考虑到机器人直线行走性能优选椭圆形布局作为本文的整机布局方案。
底板最终设计的三维模型如下：
图4 三维模型和二维尺寸图
2. 机器人腿部结构设计
主流腿部结构有两种，一种是哺乳动物单腿结构，即直立腿结构，运动形式类似于在竖直平面内做钟摆运动；一种是仿昆虫单腿结构，即摆动腿结构，如图所示。
图5 两种腿部结构
在本设计中，考虑到大腿承受较大弯矩，且大腿宽度受限，因而将大腿上下腹板设计为板材形式，大腿侧向和小腿均采用连杆形式，关节处连接舵机；另外在腿板上开设减重孔，且大腿和小腿均采用矩形截面，抗弯能力强，结构加工性好，且承载力强，方便搭载功能模块。小腿采用变截面设计，无多余负重，质量小，有效减少了腿部结构末端的惯量，控制更容易，节约了驱动能量。
整体来说，腿部结构方案主要由基节连杆、大腿连杆、小腿连杆组成，大腿连杆根部与基节连杆连接舵机旋转端，大腿连杆末端与小腿连杆同样的方式连接，足端设计为
弧形结构，足端底部安装有较厚的橡胶垫，用于足端落地缓冲。
关于尺寸：基节连杆的存在实际上是使足端运动范围远离机器人本体，虽然足端运动扇形区域更广，但距离机体太远的足端扇形触地面会导致前后腿的接触地面干涉大，因而基节连杆加长并无明显优势。在实际布置中，基节连杆越短越有利于提高机器人的通过性，缩小宽度。因而基节的长度仅能满足舵机的安装即可。大腿与小腿的长度尺寸暂定比例为1：1.5，外形根据仿生学按照昆虫腿型进行设计。
三维结构如图所示。
图6 三维结构图
3.机器人足端结构
在足端设计方面，足式机器人足端结构可分为两类：一类是有足端被动关节的机构。另一类是固定式足端，即足端无被动关节而仅有缓冲材料组成的固定形状的足端。无被动关节的足端在触地和运动时有极小的惯量，能量消耗低，活动更为灵活。但足端在触地过程中随着机体结构的移动，小腿相对于地面的夹角发生变化，因而在运动控制上如果仅仅控制足端上的某一点的轨迹会导致足端与地面打滑，在大型足式机器人结构中这种打滑会产生极大的作用力。此种无被动关节的足端多应用在小型足式机器人上，且机器人多可跑步前进或以小碎步前进，通过这种行进方式可避免固定式足端的弊端。
相比之下，有被动关节的足端在支撑移动的过程中，小腿与地面的夹角虽有变化，但可通过被动关节抵消这一影响。此外，在控制中只需控制此被动关节中心的轨迹即可。在大型足式机器人中，为节约能量消耗，通常单步步长都较长，足端在一次触地过程中相对机体运动较远，被动关节可抵消这一影响，因而在大型足式机器人足端设计中均采用被动关节。而对于小型六足机器人，六条腿的末端只要大致运动形式正确机器人便可行进，腿末端与支撑面产生滑动甚至个别腿末端未与支撑面接触也不影响机器人工作，因而小型六足机器人在设计中各个驱动关节只要按照预定转角运行即可，对地面的高低起伏可不做具体调整或进行姿态运算，也不必要设计为被动关节式，故本设计中采用固定式足端。下图为两种固定式足端结构的机器人。
图 六足机器人
四、运动学分析
五、控制系统搭建
六、实物制作
七、步态算法分析
1.六足机器人常见步态
（1）二步态
二步态也叫三足步态、三角步态。支撑状态为 L1、L3、L5 和 L2、L4、L6腿 交替支撑。行走示意图和步态相图如图所示，示意图中红色连杆表示支撑腿，步态相图中黑色实心部分表示支撑相。
图4 三足步态示意图
（2）三步态
三步态情况下始终有四条腿作为支撑相。通常将 L1、 L5 分为一组，L2、 L4 分为一组，L3、 L6 分为一组，也可按照其它方式两两分组。移动时每组腿依次抬起摆动。因支撑平面为四边形，因而又称之为四足步态或四角步态。其行走示意图如下：
图5 四足步态示意图
（3）六步态
六步态情况下每条腿各自为一个分组，依次抬起进行摆动。其抬起顺序变化相比于三步态更多，可以为 L1 -L6 -L2 -L5 -L3 -L4 也可以是 L1 -L4 -L2 -L6 -L3 -L5不同的迈步方式使得机器人在整个运动周期内的支撑平面以不同的方式变化，以便适应不同的越障或爬坡需求。其行走示意图如下：
图6 六步态示意图
2.六足机器人工况分析
平路二步态工况指的是六足机器人在水平地面上以二步态方式行走的工况。此种工况处于支撑相的腿数目最少，因而单腿和整机受垂向力最大。对于机架来说支撑点最少，最不稳定。对于单腿来说，尤其是单独在一侧支撑的单腿，其一条腿就支撑了整机约为一半的重量，加上冲击等因素此条腿承受的竖直力还要更多。暂设其受力系数为 1.5 倍,考虑到整机质量约为 3 t，得到单侧支撑相足端冲击约为 22500 N。
纵坡二步态足端受沿机体方向的最大纵向力。受纵向力数值与坡面角度有关。当纵向力最大时机体与坡面平行且足端支撑形式与平路二步态相同，即不采取姿态补偿措施。按照设计要求，最大纵坡角度为 30°。整机全重 3 t，单侧腿受力约为 1.5 t，分解成沿坡面力 7500 N，垂直坡面力 12990 N。
