六足爬行机器人总体设计方案

本文的设计为六足爬虫机器人，机器人以交流-直流开关电源作为动力源，单片
机为控制元件，伺服电机为执行部件，机器人采用三足着地进行运动，通过单片
机对伺服电机的控制，机器人能够实现前进、后退等运动方式，三足着地运动方
式保证了机器人能够平稳运行。伺服电机具有力量大，扭矩大，体积小，重量轻
等特点。单片机产生20ms 的PWM 波形，通过软件改写脉冲的占空比，从而达到
改变伺服电机角度的目的。

1 机器人运动分析
1.1 六足爬虫式机器人运动方案比较
方案一：六足爬虫式机器人的每条腿都能单独完成抬腿、前进、后退运动。
此方案的特点：
每条腿都能自由活动，每条腿都能单独进行二自由度的运动。每条腿的灵活
性好，更容易进行仿生运动，六足爬虫机器人可以完成除要求外的很多动作，运
动的视觉效果更好。由于每条腿能单独完成二自由度的运动，所以每条腿上要安
装两个舵机，舵机使用数量大，舵机的安装难度加大，机械结构部分的制作相对
复杂，又由于每个舵机都要有单独的信号控制，电路控制部分变得复杂了，控制
程序也相应的变得复杂。
方案二：六足爬虫式机器人采取三腿为一组的运动模式，且同一侧的前腿、
后腿的前后转动由同一侧的中腿进行驱动。采用三腿为一组(一侧的前足、后足
与另一侧的中足为一组)的运动方式，各条腿能够协调的进行运动，机器人的运
动相对平稳。
此方案特点：相比上述方案，个腿能够协调运动，在满足运动要求的情况下，
舵机使用数量少，节约成本。机器人运动平稳，控制、驱动部分都得到相应的简
化，控制简单。选择此方案，机器人还可进行横向运动。
两方案相比，选择方案二更合适。

1.2 六足爬虫式机器人运动状态分析
1.2.1 机器人运动步态分析
六足爬虫式机器人的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轮换。这种行走方式使六足爬虫式机器人
运动相当稳定，任何时刻有三足着地，能够保持良好的平衡，并可以随时随地停
息下来，因为其重心总是落在三角支架之内。
三角步态行走运动原理：
步行时把六条足分为两组，以身体一侧的前足、后足与另一侧的中足作为一
组，形成一个稳定的三角架支撑虫体，因此在同一时间内只有一组的三条足起行
走作用：前足用爪固定物体后拉动虫体前进，中足用以支撑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，行走时虫体向前并稍向外转，三条
足同时行动，然后再与另一组的三条足交替进行，两组足如此交替地摆动和支撑，
从而实现昆虫的快速运动，其行走的轨迹线是一条锯齿状曲线。

图2-1 运动示意图

机器人开始运动时，左侧的 2 号腿和右侧的4、6 号腿抬起准备向前摆动，
另外 3 条腿1、3、5 处于支撑状态，支撑机器人本体确保机器人的原有重心位
置处于 3 条支撑腿所构成的三角形内，使机器人处于稳定状态不至于摔倒（见
图 2-1（a)，摆动腿 2、4、6 向前跨步（见图 2-1（b)，支撑腿 1、3、5 一面
支撑机器人本体，一面在驱动装置作用下驱动机器人本体，使机器人机体向前运
动了半个步长!（见图 2-1（c))。
在机器人机体移动到位时，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 三条支撑腿所构成的三角形稳定区内，原来的支撑
腿 1、3、5 已抬起并准备向前跨步（见图 2-1(d）），摆动腿 1、3、5 向前跨步
（见图 2-1（e）），支撑腿 2、4、6 此时一面支撑机器人本体，一面驱动机器人
本体，使机器人机体又向前运动了半个步长（见图 2-1（f）），如此不断从步态
（a）、（b）、（c）、（d)、（e)、（f）、（a），循环往复，周而复始实现机器人不断向
前运动。这样的六组爬虫机器人每向前跨一步即行走一个步长的距离，也就是三
角步态的的行走原理。
占空系数β又称有荷因数，占空系数(或负载因数)是信号在一个周期内触发
电平以下或以上的时间百分比。步态设计是实现步行的关键之一，为达到较为理
想的步行，本文所研究的六足机器人的步态是β=0.5时的状态；在其中的三条摆
动腿着地的同时，另外三支支撑腿立即抬起，即任意时刻同时只有支撑相或摆动
相。这样能够使机器人的行进过程比较连续，而且比较稳定。
在机器人遇到障碍物时，通过传感器和电路控制装置，可以控制电动机的旋
转方向，使得两侧的电机的旋转方向相反，从而使机器人转向。

图2-2 机器人转弯时的步态图
具体的控制过程如下（向右偏转）：
1）使控制足1、足2和足3的电机反转，如图2-2(a)所示(图2-2中实线代表着地，
虚线代表悬空)；
2）这时足1、足3、足4和足6准备悬空，只有足2、足5是准备抓紧地面的，
3）在这一瞬间只有两个足着地，机器人处于不稳定状态，直到有四只足着地，
使机器人重新回到稳定状态，由于该不稳定状态的时间非常短暂，并不影响
机器人行走稳定的性能。
向左偏转的情况机理也是一样的，只要使控制足4、足5、足6一侧的电机反转
就可以了。

1.3 机器人平衡性分析
由于机器人在运动过程中总有三足着地，其支撑作用的三足构成了一个三角
形支架机构，保证了机器人的重心总是落在三角形支架内。在机器人运动过程中
的重心位置如下图所示：

图2-3 运动过程重心位置示意图
机器人采用三足支撑，在机器人的运行过程中，任何时刻总有三足着地，构
成一个三角形支架，并通过对机器人整体尺寸、足部摆角的设定，可使得机器人
的重心总是落在三角形支架内，保证了机器人的平衡，三足三足交替支撑，保证
了重心在水平面内的平稳运动。

1.4 微型六足仿生机器人的足端运动轨迹曲线的确定
在进行步行机构的运动仿真设计时，如果将腿直接连在轴上则足端轨迹为圆
形。这样机器人的运动将会呈半圆状起伏，如果能够使得足端轨迹在触地的部分
保持平整就可以保持机器人的平稳前进。况且步行机器人要求有很强的环境适应
能力，它必须能够在平面、台阶上稳定地行走，又能够跨越障碍，横沟，不同的
路面对轨迹曲线有不同的要求：对于平地路面要求有一定的速度，对于台阶要求
能够抬起并越过，对障碍物要求顺利跨越，可见足端运动轨迹的选择对于步行机
器人来说显得非常重要。选择足端运动轨迹曲线时应主要考虑以下问题 :
（a）曲线的高宽比：曲线的高宽比直接反应出曲线的运动特性。该比值越
大则足端运动轨迹曲线越高，相应的跨越台阶的能力就越强同时前进特性（运动
速度）就越差。
（b）曲线弧长：在曲线宽度一定的情况下，曲线长度越长，在空中运动的
时间就越长，这将直接影响到摆动腿的速度，进而影响到步行机的运行速度。曲
线弧长越短，运动时间就越短，但相应的跨越能力就越差。
根据步行机的行走要求，初步确定足端运动曲线的高宽比和曲线弧长，采用
半径是6mm弧长的足端。
1.5 腿部力学分析
对六足爬虫机器人的腿部受力进行分析，通过大致计算可估算出机器人足部
运动时所需要的扭矩大小，从而可以确定所需要的舵机的扭矩参数。支撑足上的
舵机2 承受的力通过舵机转轴轴心，支撑足上舵机在承载力时所受扭矩为零，对
于支撑足上的舵机要求，只需抬起支撑足即可，可见一般舵机都能满足工作要求。
由于机器人由支撑足支撑而与地面无滑动摩擦，对舵机1 的要求，只需克服机械
结构间的摩擦即可。
1.6 机器人运动速度计算

下图所示：
图2-4 足部运动范围示意图
机器人足部运动示意图，机器人足部运动由舵机驱动，舵机的转动角度为Ф
=2×18º,在舵机的一个运动周期内，机器人运动的直线距离为4M，舵机运动一个
周期的用时为0.8s。M=L×sin18º=36mm×sin18 º=11.12mm。机器人在0.8s 内的
运行距离为:4M=4×11.12mm=44.48mm
机器人的运行速度为:V=4M/0.8s=44.48mm/0.8s=55.6mm/s。

2 机器人机械结构设计
2.1 机械结构分析与设计
机器人各部分结构，可以较清楚的判别构件所处的位置，机器人由若干部件
组合而成，各部件都是通过螺钉、螺母、螺栓而固定在一起的。机器人各侧三足
的运动原理是相同的，故只需分析一侧的三足即可。以上已对机器人的运动状态
进行了分析，机器人的机械结构、传动机构已经确定。此时，由于机器人部分尺
寸无法确定，所以无法进行机器人的制作。为了方便的确定个机械部分的尺寸，
并避免因试制而造成的成本、工作量的增加。首先通过Pro/E 软件的三维实体功
能，进行机器人的实体设计，通过三维实体的制作可以直观、准确的控制个机械
部分的尺寸，可以使机器人的结构性更加合理。