六足爬行机器人设计--第2章 六足爬行机器人的方案设计

第2章六足爬行机器人的方案设计
2.1 总体设计要求
技术参数：
自由度数：每条腿有3个，共有16个；
本体体重：≤6kg；
行走速度：≥20mm/s；
设计要求：
能够完成前进、倒退、转弯、摆头、避障等任务，并且便于人工控制。

工作要求：
1)机器人的重量控制在6公斤左右，但是这是设计的爬行机器人，为适应不同地形，
它的最大负重加20%。

为1.2公斤；
2)机器人机体运动时离地最低为100mm；
3)机器人机步长不低于50mm；
4)为保证电机良好工作和不至于使电机在重负重下工作，机器人小腿和地的夹角不小
于10度，不大于40度，小腿往内倾斜；
多足爬行机器人的一般设计准则：
1) 能够实现机器人多种姿态间的灵活调整；
2) 机器人机体结构简单、紧凑，重量轻；
3) 机器人整体结构强度高、刚度好、负载能力达到要求；
4) 在满足功能要求的情况下，尽量减少驱动及配套装置数量，简化控制的复杂性。

2.2六足爬行机器人的步态规划
步态设计是实现爬行的关键之一，也是系统控制难易的标志，为达到较为理想的爬行，考虑下列要求：
1)步行平稳、协调，进退自如，无明显的左右摇晃和前后冲击；
2)机体和关节间没有较大的冲击，特别是当摆动腿着地时，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，没有太大的上下波动；
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：
1)β=0.5，在摆动腿着地的同时，支撑腿立即抬起，即任意时刻同时只有支撑相
或摆动相；
2)β>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
有所有腿同时着地的状态；
3)β<0.5，机器人移动较快时，所有腿有同时为摆动相的时刻，即所有腿同时在
空中，处于腾空状态，因此在交替过程中要求机器人机构具有弹性和较快的速
度，否则难以实现。

通过以上分析，我们设计出β>0.5（β=0.55）的六足机器人步态为满足其平稳性的要求，六足机器人采用占空系数为0.55（即在运动过程中有六条腿同时着地）的三角步态。

如图2.1(a)所示，机器人开始运动时，六条腿先同时着地，然后2、4、6三条腿抬起进行向前摆动的姿态准备，另外三条腿1、3、5处于支撑状态，支撑起机器人本体以确保机器人的重心位置始终处于三条支腿所构成的三角形内，使机器人处于稳定状态而不至于摔倒，摆动腿2、4、6抬起向前跨步(如图2.1(b)所示)，支撑腿1、3、5
一面支撑机器人本体，一面在动力的作用下驱动机器人机体向前运动半步长s(如图
2.1(c)所示)。

在机器人机体移动结束后，摆动腿2、4、6立即放下，呈支撑态，使机器人的重心位置处于2、4、6三腿支撑所构成的三角形稳定区内，同时原来的支撑腿1、3、5经短暂停留后抬起并准备向前跨步(如图2.1(d)所示)，当摆动腿1、3、5向前跨步时(如图2.1(e)所示)，支撑腿2、4、6此时一面支撑机器人，一面驱动机器人本体，使机器人机体向前行进半步长s(如图2-1(f)所示)，如此不断循环往复，以实现机器人的向前运动，由于设计速度并不是非常精确，所以其行进轨迹并不是一条笔直的直线。

图2.1 直线行走时的步态
六足爬行机器人步态除了三角步态以外还有一种少见的六足步态，六足步态和三角步态的主要区别是在三角步态中六个足都有竖直和水平两个自由度，而六足步态中仅有前腿和后腿能前后移动，中间腿只有竖直方向一个自由度，所以当机器人采用这种步态行走时躯体很难稳定，有较大幅度的摇摆。

所以这种步态只有少数自由度数较少的机器人才会采用。

本文还设计了一种机器人转弯步态，见图2.2。

以机体中心为旋转中心的旋转方式即中心转轴步态主要是这样的：机器人在静止状态下六个足端点的分布（俯视图）如图2.5 所示。

把左面三足分别命名为L1、L2、L3，右面三足分别命名为R1、R2、R3。

采用中心转轴步态原地右转弯，首先L1、R2、L3三条腿抬起并向右旋转，而R1、L2、R3三条腿支撑地面；待L1、R2、L3 落地后，R1、L2、R3再抬起回到中位，然后落地，如此循环。

每个动作周期机器人在原地旋转一定度数，重复多次后，就完成了右转弯的动作。

L1 足端将最终落在（L1）位置处，其余足端类似。

图2.2 中心轴步态示意图
2.3六足爬行机器人的控制系统方案设计
机器人的控制系统是机器人的大脑，是实现机器人运动的最重要的保障。

此次爬行机器人的关键部件主要包括机身和若干个足，每一个足拥有若干个自由度，每个自由度由一个关节驱动。

但是机器人不仅只有运动，还必须对周围环境进行处理，当遇到障碍物时必须转弯，遇到不能走的地方时是停止运动还是以其他的方式通过。

目前，控制系统的实现方法主要有以下几种：以模拟电路硬接线方式建立的运动控
制系统、以微控制器为核心的运动控制系统、在通用计算机上用软件实现运动控制策略和可编程逻辑器件为核心的运动控制系统，各个控制系统的优缺点如表2.1。

由于此次的六足爬行机器人要完成的功能较为简单，且控制不是很复杂，并且自己所学的对单片机比较熟悉，并且考虑到通用性的问题，所以选择以微控制器为核心的运动控制系统作为本次设计的控制系统。

此次设计的控制系统结构框图如图2.3。

图2.3六足爬行机器人控制系统的结构框图
2.4六足爬行机器人腿部结构的方案设计
爬行机器人的腿部结构是机器人运动活动最多的部位，也是主要的执行机构，机构型式的好坏，将直接影响到整个系统的整体性能。

多足爬行机器人的腿有多种形式。

常见的有缩放式、伸缩式及关节式等，不同的腿部结构形式又具有不同的特点。

图2.4 不同的腿机构形式
不同形式的腿结构适用于不同的环境和设计要求，各腿的优缺点如表2.2。