六足机器人设计研究

陈文棋 罗吴欣 杜翰墨 刘波

摘要：随着人类探索自然界步伐的不断加速，各应用领域对具有复杂环境自主移动能力机器人的需求，日趋广泛而深入。理论上，足式机器人具有比轮式机器人更加卓越的应对复杂地形的能力，因而被给予了巨大的关注，但到目前为止，由于自适应步行控制算法匮乏等原因，足式移动方式在许多实际应用中还无法付诸实践。另一方面，作为地球上最成功的运动生物，多足昆虫则以其复杂精妙的肢体结构和简易灵巧的运动控制策略，轻易地穿越了各种复杂的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。因此，将多足昆虫的行为学研究成果，融入到步行机器人的结构设计与控制中，开发具有单越移动能力的仿生机器人，对于足式移动机器人技术的研究与应用具有重要的理论和现实意义。本作品将通过与传统的六足机器人不一样的运动结构为切入点，为六足机器人的应用提供一定的参考。

关键词：六足机器人;运动结构;仿生

引言

多足行走机器人，具有运动稳定好，适应性强，控制方便的优点。它可以较易地跨过比较大的陴碍（如沟、坎等），并且机器人足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形的适应能力更强;足式机器人的立足点是离散的，跟地面的接触面积较小，因而可以在可达到的地面上选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。所以在未来的科技发展以及生活中六足机器人的实用性和功能性愈发强。

1设计原理

本小组设计的六足机器人，为一个平台上面安装一个电池盒。平台下方安装一个电机和齿轮组构成的传动装置。电机轴两端连着两个曲柄摇臂机构，曲柄摇臂机构与机械足相连接。外加一些发射器、接收器、天线等元件，如图1所示。

本产品采用了多杆机构，一个四杆机构维持主运动，还有三杠机构（不包括机架）作为辅助运动使运动在一定范围内。这样能有效规避运动死点。两者通过一个电机来运动。外加接收板和发射器，可以实现远程控制。同时通过控制电机正反转，改变运动方向。

2六足机器人的应用方向

随着人类探索自然界步伐的不断加速，各应用领域对具有复杂环境自主移动能力机器人的需求，日趋广泛而深入。作为地球上被运用最成功的生物，多足昆虫以其复杂精妙的肢体结构和简易灵巧的运动控制方略，能够轻易地穿越各种复杂的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。用于在人类不宜、不便或不能进入的地域进行探测。因此多足机器人有广阔的应用前景，如军事侦察、矿山开采、核能工业、星球探测、消防及营救、建筑业等领域。与轮式机器人相比，多足机器人比较容易实现稳定行走。在多足机器人中模仿昆虫以及其他节肢动物们的肢体结构和运动控制策略而创造出的六足机器人是极具代表性的一种。六足机器人与两足和四足步行机器人相比，具有控制结构相对简单、行走平稳、肢体冗余等特点，这些特点使六足机器人更能胜任野外侦查、水下搜寻以及太空探测等对独立性、可靠性要求比较高的工作。

3产品功能特点和主要新颖处

3.1功能特点：

该产品的功能特点包括三方面，第一方面是结构简单，操作方便另外经过一定的改装能实现运载和勘察。第二方面是所用电机数量较少，从成本和资源节约角度来看符合绿色比较环保。第三方面是控制起来很方便。通过外接发射器与接收器，可以实现远程控制。还可以通过控制电机的正反转改变机器人运动路径。

3.2主要新颖处：

1、利用结构相对简单的多杆机构原理实现运动。

2、机构利用机构原动件等于机构自由度就有确定运动这一特点实现运动

3、结合仿生学知识，通过多杆机构机构实现不同脚之间的同步运动。

4、可以通过控制电机正反转来改变机器人的运动路径。

本作品有与传统的六足机器人不一样的运动结构，传统的六足机器人尽管运动比较全面。但其使用的电机较多，在有些方面是对资源的一种浪费。本作品可以当作救援机器人搭载一定的物资，也可当作考古机器人。若对电机给与一定的防水保护也可进行水下勘察。成本相对于传统六足机器人来说较低，结构简单。通过控制电机的转向来实现不同方向的运动。也可以实现远程控制。

4设计工艺和安装分析

4.1设计工艺

首先，对整体的自由度进行计算。整个机构要想有确定的运动，必须满足机构原动件数等于自由度。根据自由度需求，合理设计杠的数量和位置。平台的设计根据需求可以自行设计大小尺寸。机械足的设计需要考虑杆的长短对行走效果的影响这是设计的一个难点。此外，各杠件之间的配合也是一个难点。配合不恰当可能会导致运动死点的出现。可以通过加垫片（本产品主要使用的是螺帽）使各杠处于平行平面内。加工工艺方面，主要使用的是激光切割（本产品为切割亚克力板）。通过已建立好的三维模型，首先转换成dwg格式的CAD对其进行一定的圆角处理。然后，另存为DXF格式导入进RDWorksV8切割软件中，调参数就可以进行加工了。

4.2安装分析

安装时应该尽量使两边的曲柄摇臂，机械足对称安装。这样才能够使运动同步。辅助运动杠部分位置也要调试合理，不然可能会影响主运动。

4.3自由度计算

已知7根杆，其中有个三杆的复合铰链，其转动副数为（3-1）个。7个活动杆件就是有3*7个自由度。除复合铰链外，还有10个转动副。沒有高副。由自由度公式：F=3n-2Pl-Ph，经计算自由度为1。（F为机构自由度，n为平面构件的数目，Pl为低副的数目，Ph为高副的数目。）

5结束语

六足机器人在野外侦查、水下搜寻以及太空探测等方面具有广泛的运用范围。仿生技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向研究，而六足机器人作为仿生机器人的一种，正以不可逆之势进入各个领域，为人类服务，方便人们的生活。

参考文献

[1]孙桓，机械原理第八版，高等教育出版社。

[2]陈国定，机械设计第十版，高等教育出版社。

[3]张春林，仿生机械学，机械工业出版社。

注：本课题来自沈阳城市建设学院2021年校级大学生机械创新设计项目。指导教师为于联周。