六足仿生机器人的运动步态研究与控制系统设计

的技术来产生步行，完成全方位运动。

图卜Ｉ为模仿美国蟑螂的仿生机器人，ＦｒｅｄＤｅｌｃｏｍｙｎ的六腿机器人模仿了一种美国蟑螂ＰｅｒｉｐｌａｎｅｔａＡｍｅｒｉｃａｎａ，机器人的尺寸是５８ｃｍＸ１４ｃｍ×２３ｃｍ，当它直立时，距地面１５ｃｍ，机器人身体和腿的尺寸大约是相应蟑螂尺寸的１２到１７倍，而重量却与其身体尺寸不相称，大约是１Ｉｋｇ，主要是控制气动驱动器阀门的重量（图２）。机器人的腿部结构与比例和蟑螂类似：三段式的髋、股节、胫节，长度比是１：１．１：１．５。

图ｌ－Ｉ模仿美国蟑螂的仿生机器人

图Ｉ－２为ＭＩＴ的仿生机器人，图Ｉ－２（ａ）为美国Ｇｅｎｇｈ是１９８９年完成的基于视觉的仿昆虫有腿行走机器人．目的是用于火星不规则表面的探测及其它危险环境。图Ｉ－２（ｂ）（ｃ）为Ｈａｎｎｉｂａｌ和Ａｔｔｉｌａ完成的两个仿昆虫有腿行走机器人．机器人采用模块化设计，腿、头、身体都具有各自的传感器、驱动器和子处理器。考虑到在完成任务时有可能出现的机构或控制失效，机器人的机构设计是冗余的。Ｈａｎｎｉｂａｌ和Ａｔｔｉｌａ有１９个自由度，遍布全身的６Ｑ多个传感器和８个微处理器判断腿部对地面形态的反应以便控制机器人的运动．

（ａ）Ｇｅｎｇｈ机器人（ｂ）Ｈａｎｎｉｂａｌ机器人（ｃ）Ａｔｔｉｌａ机器人

图Ｉ－２ＭＩＴ的仿生机器人

图卜３为德国慧鱼公司的仿生六足步行机器人．机器人以曲柄摇杆机构作为六足，以智能接口板为控制器，由两个小型带减速器直流电机作为驱动元件，由慧鱼公司开发的ＬＬＷＩＮ编程语言来进行编程控制。

图１．３德国慧鱼公司的仿生六足步行机器人

图卜４为北京理工大学机电工程学院所设计的仿生六足爬行机器人，中每只腿的各个肢节上分别安装着Ｍａｘｏｎ直流无刷电机，通过相应关节电机的运动实现机器人各足的足尖点在可达域内任意一点的自由定位。因此，在结构上保证其能够更有效地模拟昆虫的行走方式完成相对复杂的运动垦鲞！

图１－４为北京理工大学机电工程学院所设计的仿生六足爬行机器人

１．４智能移动机器人的发展趋势

目前影响智能移动机器人技术研究的因素主要有：导航与定位、通信、传感技术、控制策略等。步入２ｌ世纪，随着电子技术的飞速发展，机器人用传感器的不断研制、计算机运算速度显著提高和机器人应用领域的进一步扩大，移动机器人技术将逐渐地得到完善和发展。移动机器人技术的研究与发展趋势包括：

１．导航与定位

无论是单个移动机器人还是多个移动机器人系统，导航与定位始终是一项难题。在完全未知或部分未知环境下，基于自然路标导航与定位技术以及视觉导航中路标的识别和图像处理的快速算法的研究，并通过专用数字信号处理器（ＤＳＰ）的开发与研制，可以为导航与定位提供突破性进展。

２．仿生学和类人机器人机构与能源方面的研究

六足仿生机器入实物图如图２－２所示．

图２—２六足仿生机器人实物图

六足仿生机器人机械部分，以腿部结构最为复杂，仿生机器人具有６条腿，每条腿有按照仿生学原理，主要由髋关节、大腿、小腿、踝关节等部分组成。文中涉及的六足仿生机器入省略了踩关节，简化了机器本体的，其腿部由髋关节、大腿和小腿两部分组成。髋关节由水平相和垂直相正交电机以及机械部分组成，实现一个竖直方向和一个水平方向的两个自由度运动，大腿和小腿由机械部分组成，通过髋关节正交电机的驱动，实现竖直方向抬起和水平方向前移运动。腿步向前移动最大角度为４５度，向后移动最大角度为４５度；向上移动最大角度为３０度。

六足仿生机器人腿部实物图如图２－３所示：

图２．３六足仿生机器人腿部实物图

该部件结构简单，采用工字型铝合金制作，重量轻，能较好地满足髋关节电机的驱动要求。

机器人的躯干是一块长边形的铝板，此主体与髋关节舵机的连接是通过一边舵盘一边轴承的方法实现。

该结构设计对称，连接稳固，可以按照控制系统的要求完成相关的步行动作。

２．３本章小结

本章分析了“六足纲”昆虫的运动原理和“六足纲”昆虫的三角步态运动原理；并对作为控制对象的六足机器人机械结构进行了分析。为后续章节的进一步研究做准备工作。