多足仿生机器人的设计和分析本科毕业论文.doc

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1、江苏科技大学本科毕业设计 江苏科技大学本科毕业论文 多足仿生机器人的设计和分析The design of More than enough bionic robot and analysis摘要 人类社会的发展，各种各样的机器人正渐渐的走进我们的视野，有很多的地方都用到了机器人，在机器人的领域里越来越多的人开始爱好上了机器人。能更好的适应环境和地形是多足仿生机器人的优点，很多人的工作可以由机器人代替完成，科学价值和实际应用价值是很重要的。复杂的多足机器人机构是不易制造的，机器人六条腿的运动也难以有效地调控，能让机器人选择最优秀的路径到达目的地是一个很让人思考的问题。以昆虫活动时选用的三角步态行

2、动为基础策划六足机器人，他的腿部有18个自由度，这是一个很好的行走机构，剖析他的道理，能安稳的的运转和走路，布局简单，容易设计制造，这个也是很重要的，本文还对舵机的设计进行了简易的讨论，本论文设计的六足仿生机器人，舵机类似是机器人肌肉机构，舵机角度控制精度高，机器人行走时稳定性高。单片机和PLC是主要手段，负责逻辑的运算主要的是PLC，把输入信号然后处理再转换为脉冲发送给单片机，收到的PLC信号被单片机接受再驱动各舵机运行，使六足仿生机器人动作。但本文不重点软件设计，主要是结构建模，步态规划分析。关键词：六足机器人；仿生；步态规划。 Abstract Development of human

3、society , various robots are gradually into our field of vision , there are many places that are used in the robot , in the field of robotics in more and more people started loving on the robot . Better able to adapt to the environment and terrain are the advantages of multi- bionic robot , a lot of

4、 people s work can be replaced by a robot to complete , scientific value and practical value is very important. Complex multi-legged robot mechanism is easy to manufacture , six-legged robot movement is difficult to effectively control, allowing the robot to select the best route to a destination is

5、 a very people thought. In multi-legged insect movement when using the tripod gait motion based design hexapod robot , his leg has 18 degrees of freedom , which is a good running gear, analyze his principles , can smooth running and walking , simple structure, easy to design and manufacture, this is

6、 very important, this paper also designed a simple steering the discussion , the paper design of biomimetic hexapod robot , steering muscles like a robot body , steering angle control and high accuracy high stability when walking robot . System uses a single chip plus PLC, which is primarily respons

7、ible for PLC logic operation , PLC based on the input signal after signal processing and converted to pulses sent to the microcontroller, the microcontroller is responsible for each servo drive will receive a run to complete the action to be performed . However, this article does not focus on softwa

8、re design , mainly structural modeling , gait analysis .Keywords : Hexapod robot; bionic; gait planning目录第一章 绪论111.1多足机器人的背景与目的111.2仿生机器人的研究现状和发展趋势111.3仿生原理的分析131. 4六足仿生机器人的研究方面14第二章 六足仿生机器人的机构分析152.1 Solidworks软件介绍152.2 六足仿生机器人结构模型162.3六足仿生机器人主体设计172.4六足仿生机器人舵机的选择182.4 舵机驱动原理212.4.1驱动原理212.5六足仿生机器人

9、的腿部设计232.5.1足242.5.2小腿252.5.3大腿262.5.4支撑杆272.5.5舵机架282.5.6舵机架连接板29第三章 六足仿生机器人的步态规划303.1步态分类303.2步态规划概述313.3六足仿生机器人的坐标含义333.4三角步态的稳定性分析353.4.1稳定性分析353.4.2三角步态行走步态设计373.4.3六足机器人的步长设计423.4.4六足机器人着地点的优化42第四章 总结与展望444.1总结444.2展望44参考文献45致谢47 5第一章绪论.多足机器人的背景与目的 一个国家科技发展水平一定程度上在机器人上可以看出，电脑的迅速发展使信息的发展日益加速，人们

10、已经广泛熟知了机器人的潜力，机器人逐渐地向欣欣的方向发展。机器人是很多国家机构、团体、个人的讨论的重点。社会的发展和科技的进步使越来越多的机器人进入了我们这个21世纪，这是一个崭新的纪元，机器人使这个社会的生产能力得到了很大的提高，我们的生活会变得越来越美好，科技的发展是推进国家的前进的动力，特别是这几年智能机器人的发展，科技已经代表了一个国家的工业化的进程和综合的实力，然而生物是最神秘的动物，生物作为各种技术的思想，技术的原理，创造的理论源泉，都不自觉的被科学家运用到数学模型和物理模型，使科学家对生物体内的功能机理研究取得了迅速的发展，人类在生物技术和工程技术的合成中形成了一门新生的科学，仿

11、生学的研究真正的开发了机器人的能力，使机器人能更好的适应环境，做出最合理最准确的判断，多足机器人能更好的适应环境满足人们的需求，使人们在生活，生产等各个方面都长足的发展，像军事侦察，排险扫雷，化学污染严重的区域有着广泛的应用的前景，还有就是生产机构可以更好地节约生产力，仿生机器人适应性强，这已是科学和生命之间相交叉的一个很有道理的科学对象。模仿多足机器人被人们又称之为特种机器人，科学研究发现如今整个世界的地面一半是不能通过轮带类的机器人所到达的，但是多足类的机器人可以再上面运动，这是他不同于其他的机器人的重要方面也是一个巨大的优点，机动性高，适应能力强是机器人最好的赞扬，而且他需要的能量小。六

12、足仿生机器有很多的优点的，它可以造福人类，给人们的生活生产带来便利，我们要加大他的研究，在人类的社会发展中体现他的价值。.仿生机器人的研究现状和发展趋势 国内外研究的一个热点就是仿生机器人的设计，各国的研究人员和学者都设计出了各种各样的具有感知、决策、行动的智能机器人和各种多足仿生机器人。当代的人工智能和电子信息学科的深入发展，种种学科的相互融合，神经网络，遗传算法等被引入其中，目前的仿生机器人有二足、四足、六足、八足、等等。他们的特点是自由度多，需要的驱动电机也相对较多，因此控制比较复杂功率较大。最早的是美国设计的两足机器人，是美国的洛克威尔公司在他人的资助下完成的，它是根据螃蟹的外形来设计

13、的，相当的逼真和生动。推出了在复杂环境下的规划和控制机器人系统。1985年RObertMcGHee开发的一个先进的式样适应性主动隔震的步行机的发展。后来Irobot公司和美国的一个国防研究中心一起做成了六足的机器人Ariel，这是一个开发性的设计，；类似螃蟹的移动，六条腿前后均匀分布，构思精巧。在2002年的时候，美国的宇宙航行局（NASA)z制作了很精致的小型机器人，很像是蜘蛛类的小型昆虫，这是当时最小巧的的全能步行机器人，可以适应不同的工作环境，而且可以增加腿的数量和大小，是当时那个时代比较先进的技术之一。2005年的时候，美国宇宙航行局下面的一个实验室成功的研发出了一个外空机器人Lemu

14、r，它可以自由的在真空环境下运作，当时他们还改进了一种八足的机器人，在那同一年里，美国的一所大学里一种四足仿生机器人被研发出来了，还有龙虾机器人，仿生蟑螂机器人都被研发了出来。这是国外机器人的发展历史，我国对机器人的研究起步比较晚，但是也有很大的成果，1980的时候八足的螃蟹机器人被中国科学院研制出来，其机构精巧。1993年研究院又完善了六足全方位的机器人，在最近的2003年里，国家自然科学基金项目支持下，两栖仿生螃蟹也被哈尔滨工程大学研制出来。 在多足仿生机器人中，有许多的题目需要继续去了解，高度的灵活性是仿生机器人一个重点，适应性也是仿生机器人研究的一个重点，但是其一般都是结构烦杂，统一性

15、不足，建立很困难的要数运动学。机器人的自由度多了那么的多的结构，越复杂，使得控制越发的困难，如何有效地控制各个部分而不混乱有待思量。还有就是必需有感应系统，把各个多种传感器所提供的信息进行整合利用，从而使信息更好的融合，当然结构的设计问题也是很重要的，要考虑到动物肌体结构和运动性的基础的联系性，多足仿生机器人涉及到电磁、机械、光、化学、生物、等很多的科目的整合。 物竞天择适者生存这是大自然的根本的规律，所以六足的昆虫能够活下来说明了六足生物的优势，他反应了自然地本能，它是自然给人类的最宝贵的财富，六足生物的运动控制，各种信息的融合，方位的辨别，因此现在的机器人在向着仿生的方向发展是必然的趋势，

16、把机器人像人类靠拢，从而代替人的工作，这也7是未来机器人的发展方向和目标。仿生机器人的控制系统体系采用的是分层递阶式，自上而下可分为融合决策层，运动规划层和控制实现层。从仿生的角度来说主线的控制器相当于昆虫的大脑，而驱动器则相当于昆虫的神经，而电机伺服系统则相当于昆虫的肌肉。因为仿生六足机器人有18个关节，所以各个关节需要之间的不断地协调，关节和关节之间，关节和下位机之间，关节和传感器之间的通信必需要满足实用可靠地要求，所以之间的通信方案可采用CAN总线式的，能更好的协调之间的关系。.仿生原理的分析很多不同凡响的设计思想、工作原理和系统都是依据生物身体上的独有的构造和特性开发研制出来的。（）。

17、仿生学研究生物的机构和原理，然后创造出新的工具材料，就像现在的迷彩服，原来最初是二战时的巧妙应用，到后来的迷彩服大大的减轻了战士在战斗的伤亡人数，还有苍蝇，这是多数人都讨厌的但是又有谁能想到，科学研究者竟然根据这么小的苍蝇仿造出来一种类似苍蝇的复眼，在印刷制版行业上有了贡献，还有在烦杂电子计算机的微小电路有了许多的应用，极大的提升了产品的质量和工艺的水准。 仿生学主要研究内容有：机械仿生，力学仿生，分子仿生，化学仿生等等，仿生机械是建立在对模仿生物体结构解剖后的基础上，了解具体结构，然后分析其运动情况，把物理，化学，生物等等各个学科的知识整合和应用，再用机械学的方法运用到其中。本文的仿生原理是

18、仿照六足昆虫的身体结构，来建造模型的。采用的是三角交替步态。 足是昆虫的运动器官。六足昆虫有前胸一双、中胸一双，和后胸一双，我们与之相对应的又叫做前足，中足，后足。基节，股节，胫节和跟关节髋关节，膝关节组成了昆虫的腿，仿生六足机器人行走都是以三条腿为一组支架，当三条腿落地后另外的三条腿在抬起，交替互换，使机器人的六条腿分为两种，一种悬空相另一种支撑相，当机体要向前时，通过足传递转矩使物体能向前运动，中足能够支撑起身体的重量，后足还可以使机身转向。 保持重心在三角架的范围之间是使六足仿生机器人能稳定步行的重要的前提。1.六足仿生机器人的研究方面 仿生机器人是融合了生物科学，机构学，电学，和传感学

19、信息处理等很多的学科的技术学科。在现在的这个时代，机器人的发展技术有了很大的提高，国内外开发了很多的项目，但是很多的问题还没有被根本的解决，目前现阶段的主要研究任务有：（1） 机器人的动力学的分析：目前对机器人的动力的建模和计算问题解决了很多，高效的动力学算法不断的被提出，但是机器人的实时控制仍然不能尽如人意。（2） 机器人步态的研究，规则步态是早期的规则，他不适合复杂的地形环境，后来的自由步态却是不易控制，这是很多的机器人爱好者正在解决掉问题之一。（3） 机器人机构的研究：现在很多的人对机械的机构进行了思考，长方形，圆形，框架式，是仿生机器人的几种研究对象，新的腿部机构是一个研究重点，仿生

20、机器人需要注意很多方面，我主要总结为下面几个方面。 1.因为仿生机器人的灵活性，所以它的自由度多结构复杂系统不统一，很多时候动力学与运动学建模就比较困难，目前也是很多爱好者共同的问题。 2.仿生机器人需要传感器，类似于人的神经系统，需要把外界的情况反馈给处理系统，对于传感器的选择又有很多的方案，我们需要仔细的考虑到他的实际的环境情况。以及其本身的特点。 3.其次就是信息的融合，大量的信息需要处理和筛选，然后在通过电机传递给每个身体的结构，各种各样的信息组合在一起比较复杂。 4.最重要的就是结构的设计，必须要符合机体的结构特点，以及运动特性。总而言之这要涉及到光学，声学，化学，物理学，等等各个方

21、面的内容，当然了我在这里也只是简单学会并简单地应用很少的仿生知识。本文的六足仿生机器人的主要任务就是机构设计，是六足仿生机器人的根本，影响机构运动性能的因素有机构特点，自由度数，它的驱动方法，机构传动装置等等。当然了要用材合理，材料简单易找，可靠性也要高些。 躯体和腿部是仿生六足机器人的两个主要部分，目前的三足，四足。六足等等，如果需要机器人能运载更多的东西就需要更多的足，当然了足少了那么就很灵活了，如果要仔细的考虑那么像腿的形状大小质量尺寸都要考虑到了。 综合足数等因素，本设计的行走步态采用三角步态，这也是六足机器人步行方式通常采用的。三角步态中，六足机器人身体的一侧的前足和后足与另一侧的中

22、足共同组成一组。其他三条足组成另外一组。形成了两个三角支撑架。在下文会讲解有关的步态。 第二章 六足仿生机器人的机构分析首先建立六足机器人的模型，我采用的是soidwords软件，来建立三维实体，这很方便我的计算和修改，然后再通过装配关系把各个零件图组成一个装配体。2.1 Solidworks软件介绍 Soidwords是一个三维机械设计软件系统由美国soidwords公司推出的，其强大的功能，从1995年初开始，因为他的种类多样，性能好，使得机械设计工程师的设计效率得到了大大的提升，让他成为了很多三维软件的爱好者的最爱，在激烈的竞争中占据了很大的市场地位，成为三维设计软件的龙头老大，各行各业

23、都广泛的应用了这种软件，电子领域等很多的范围都够应用。Soidwords采用图形化用户界面，具有表现优异的几何造型能力和分析功能，设计过程简单，便捷，是当之无愧的领先者，受到很多人的喜爱。利用它可以有效地为产品的建模和模拟整个工程系统，加速了产品的设计和生产周期，从而完成产品的制造，例如美国国家宇航局“勇气号”飞行器的机器人的手臂就是利用其和集成软件COSMOSWorks来设计完成的。他可以准确的分析和优化结构，极大的满足了应用的需要，还提高了产品的开发速度。中国空间技术研究院也是选择了这种软件作为主要的三维设计软件。2.2 六足仿生机器人结构模型 根据类似蜘蛛的观察和分析，蚂蚁昆虫的行走，行

24、走能力和负载能力是昆虫的突出的优点，所以六足仿生机器人采用的是中心对称线型，并且采用的昆虫型的，本文采用的的是soidwords软件来作图，例如所示装配图1： 图1 仿生机器人 在平常的行走过程当中，每一个支撑腿与地面简化为点接触，我们叫3个自由度球面副，踝关节，膝关节和髋关节，各个关节为单自由度转动副，每条腿都有6个自由度运动副，如果步行机器人任意时刻处于支撑相的腿数为n（n6），我们暂时称之为n个分支的空间多环并联结构，其自由度可由下计算： (2-1) 公式中P为运动副，P=4，fi是第i个运动副所具备的自由度，fi=1（i=13），fi=3（i=3+14）；L为独立封闭环数，为第个封闭约

25、束条件数（单独的封闭的环），；为消耗自由度数，和分别为局部的自由度数和重复的自由度数，所以获得的（）.所以仿生六足机器人可以通过控制它腿上的舵机来控制机身在空间的位置和方向。2.六足仿生机器人主体设计 通过大多数的昆虫的外形观察，可以发现大多数的生物机体大小类似于一个椭圆，通过查阅一些资料可以发现采用近似菱形的机体的多足机器人可以减少腿部之间的碰撞，另一方面还使机体更加的稳定，因此仿生六足机器人机体采用近似椭圆的变六边形框架结构，机体的材料选择铝合金以减轻机器人重量。如二维图所示：图2 机身主板 为了使得设计的简单和方便，所以把机身设计成两个如上图的板加上四个具有内螺纹的金属六边的柱子支撑，再

26、通过上下的螺钉来将其固定。当然为了稳定性就加了8个垫片来增大他的接触面积，使其更稳定的固定住。在主板上打出六组空洞，每组两个来固定六足仿生机器人的腿，通孔的直径为M8，边缘通过螺钉连接，它的直径为M2。2.六足仿生机器人舵机的选择 舵机的选择需要考虑到机器人的质量和最大扭矩。所以初步估算出腿的质量和尺寸，大腿的有效长度为84mm，而小腿的有效长度为160mm，大腿重400克。小腿重800克。所以对腿部受力分析，做出受力简图如下。 图3 腿部受力图 仿生六足机器人义地面为XOY平面，仿生六足机器人的重心在平面的投影为原点O，Z轴与机身垂直。 仿生六足机器人的每条腿都由大腿，小腿通过舵机链接而成，

27、本设计中大腿的长度为84mm，小腿的长度为160mm机体和大腿的链接通过舵机相连，两个舵机组合而成的组合舵机一个舵机实现Y方向的180度的旋转，当然是理论方面的，还有一个靠近机身的舵机是实现围绕中间轴Z轴的旋转060度，从而推动机身的前进，因为有六条腿所以为了防止腿与腿会碰到，腿摆动时需要选择合适的角度，本设计的运动控制选择的摆动角度为30度。从受力的角度和大小来看，可以得出以下分析结论：首先用q1,q2,q3,q4,表示广义的坐标，所以有 （2-2），则仿生六组机器人步行足的广义平衡方程为： 其中 M2、M3 为膝关节和踝关节所需扭矩，l2、l3、 m2、 m3 为胫节小腿的长度和质量。如果

28、仿生六足机器人按“三角步态”行走，三个脚是受三个力那就取其三分之一，所以足的反力为： （2-4） 仿生六足机器人在实际运动中，存在 的情况。据此，可推算出各关节所需的扭矩为：当q2=90度，q2-q3=30度时，由上式子得，关节需扭矩最大值为： （2-5） （2-6）计算得出，电机的最大输出扭矩要大于1.58Nm。其主要技术参数如下： 转速：0.3 秒30 度。 力矩：1.58Nm。 尺寸：38mm35mm20mm。 重量：49.2g。5V 电源供电。如图4 舵机 舵机的cad图纸如下所示： 图5 舵机cad图 通过整体设计确定六足机器人的基本结构，通过电机的选择确定仿生六足机器人的质量和腿的

29、尺寸，为后面的零件设计做了准备。 2.4 舵机驱动原理2.4.1驱动原理 仿生六足机器人利用的是电动驱动的方法，舵机是经常选用的驱动器，它选用的是微型直流角位移伺服电动机。直流电机，减速齿轮，电位计以及控制电路是舵机的重要组成部分，驱动信号利用的是脉冲，具体的脉冲的规律图如下所示，当然了转角和其宽度之间是线性关系，为了使电机能向各个方向运动就要保持舵机的初始位置时候为90度，这样就可以控制腿部的前进和后退。 2.4.2 舵机控制方法 电源线、地线、控制线是标准舵机的三个重要组成部分。输出转轴电源线Vcc地线GND控制线图6 舵机标准结构 舵机内部的电机与线路靠电源线和地线维持，电压的大小大约为

30、5V，当输入可调的周期性信号（方波脉冲）是，舵机的转角就会和信号相关联，同时变大变小。舵机需要一个可调宽度的方波信号，这也是舵机的控制信号，可以以此来控制舵机。（当然随着FPGA成本高，模拟电路，实现电路复杂，不适合输出）舵机的控制器常常都用单片机。这里主要对机构进行设计，单片机电子部分就暂不过多研究了。2.5六足仿生机器人的腿部设计 腿部结构是机器人身体里主要的部分，设计的部分主要归纳为以下的一些内容：1、腿部的舵机和舵盘，舵机和舵机架的装配 2、关节和大腿的装配 3、舵机与小腿部分的装配。 根据仿生学的知识，自然界的昆虫的腿部结构大致为：基节，股节，胫节，三个部分，而围绕着跟关节，髋关节，

31、和膝关节，还有踝关节和脚。每一个单腿具有三个自由度的运动副，而本文图中加的三个舵机则就是保持三个旋转自由度。当然啦首先从机器人的行走性能来看，第一机机器人走出直线运动轨迹或平面曲线轨迹，第二机器人能灵活的运动转向就需要3个自由度的结构。三角架交替的变换使机身能向前运动，他们每组都支撑机体的重量，并在负重的状态下使机体的前行，所以适应的刚性和承载能力是非常重要的。所以对承载能力有着限制，当然了腿部的结构不能太复杂，影响传动的效果，为了机器人能够到达空间的任意一个地点，在结构上保证其能够像六足的生物一样能完成复杂的运动，其中的类似生物肌肉的是仿生机器人的舵机机构，而舵机连接的主要是仿生机器人的的腿

32、部，他的结构如下图7所示： 图7 腿部装配图这是本文所画的腿图，下面把里面的主要的零件具体的描述分析如下。2.5.1足 机器人的足部要安装压力传感器，所以脚步结构需要突起的一部分，如三维图8所示：图 8足 因为中间需要放置传感器所以需要突起一部分来使得压力传感器能更好的传递压力信息，具体的零件尺寸看其cad图纸。当然了在脚的中间要挖了一块来放传感器，能更好的传递外界的压力，反应环境的特点。如图9所示：图 10足 基本的尺寸如图10所示：图11 足的尺寸图 脚通过直径为4的螺钉螺母来连接小腿。2.5.2小腿 为了简化舵机架在小腿的作用所以把舵机架简化到小腿上去，小腿的作用一方面来连接脚，另一个就

33、是来安装固定住膝盖部分的舵机，从而使其更好的转动，小腿的基本尺寸如图12所示：图12 小腿图13 小腿尺寸图 为了减轻他的重量所以采用铝合金制作，和舵机相连接部分是采用螺栓连接。2.5.3大腿 大腿部分的作用是作为连接小腿和机身两者之间的关键点，他们两两之间是通过舵盘和螺钉连接，当跟关节的舵机转动时，（从机身舵机角度看过去），舵机带动大腿的转动从而带动小腿和足的运动，当足落地后，接触到地面，产生了力，然后力矩通过小腿到大腿向上传递，传递上去的扭矩使机器人的躯体运动。大腿的设计图主要如下图8：通过两段弧连接两个圆使其成为大腿。两个圆的直径为M24，圆上打上4个螺纹孔来连接舵机机构。图14 大腿图

34、15 大腿尺寸腿2.5.4支撑杆 为了能够将上底板和下底板零件装配起来，需要加入支撑物。体积和质量小的杆状连接件成了设计的首选。首先作为构成六足机器人躯干的机身主板，两板之间的距离需按装在跟关节上的舵机的尺寸来确定。由舵机的结构可知舵机的宽度尺寸作为机身主板的间距的基础，经计算可知躯干上的连杆需 98mm 长。通过两头的螺钉紧固。图即躯干上的连接杆，在连接杆的两端钻孔攻丝加工内螺纹以便与螺钉配合。同时两端加上垫片和螺钉使其上下板能更好的固定住。 图16 支撑杆2.5.5舵机架 舵机架是用来固定住舵机的，每条腿上两个舵机架，舵机架的三维图如图所示：图17 舵机架 如图舵机架在底边的两个大孔是为了

35、放置连接板，而两边的孔洞为了方便电线的固定放置。具体的cad图如图显示：图18 舵机架尺寸图2.5.6舵机架连接板 在大腿和机身相连接的地方是两个舵机连接在一起的，一个舵机是保证在z轴的方向上旋转，而另一个舵机是保证在Y轴上旋转，但两个舵机之间是相连在一起的，所以设计了舵机架之间的链接板，如图所示直径为M24，在上面焊接四个螺柱和一个大的固定圆柱。 然后通过螺栓连接，从而使两个舵机架能更好的连接在一起。图19 舵机架连接板图20 舵机架连接板尺寸图 第三章 六足仿生机器人的步态规划3.步态分类 一般来说，六足仿生机器人两组三角腿架的交替互换的一个顺序，在1899年的时候通过连续摄影的方法，研究

36、了动物的步态行走，科学研究者做了好多的实验和研究，最近的一些年里各种成果和实验的重要结论不断地出现。如下是目前好多种中讨论的多数中几种。3.1.1 三角步态 交替三角步态也被称为三角步态，六足纲是很多人熟知的一种步态，三角步态也可以称之为最为快速最为有效的一种静态稳定步态结构，这种步态非常的方便和快捷，能最简单化的模拟出昆虫的移动方式和方法，而且速度迅速快捷。论文里也是讲诉的是这种步态方式，本文还就这种步态方式进行了简单的讨论，得出了三角步态是最适合步行机器人直线的行走。3.1.2跟导步态 很多人都是采用的三角步态，但是三角步态也是有局限性的，三角步态被应用在平常不凸起的的地面，在1974年s

37、un提出 的跟导步态，这个是跟导步态最原先的鼻祖，他是以后跟导步态的一个基础，在为后人的研究中做出了很大 的贡献。选择前两足的坐标是跟导步态的重点，当前前足和中足的坐标决定了一对中足和一对后足的下一步的坐标点，这种方式控制简单，而且还有很好的稳定性，当然了一切的前提是在不平面的地面上行走时，我们平时在平面上运动的概率相对来说还是比他要大得多。3.1.3交替步态 复杂地形的行走是很多研究所在的重要环境特征，如何充分发挥六足机器人的特点，交替步态（也被称之为五角交替步态）这是很多研究院和研究机构的重点研究对象，这是一种单腿交替行走的步态。 抬升和前进是五角步态的两个重要的部分，相邻的腿之间信号要顺

38、序传递，一个靠地，另一个抬起，当这种状态能够持续的开始时，那么六足机器人就可以行走了。但是你可以想象一下因为地形的原因，那么各个腿的到地面的时间不同，位置不同，这样的话就不可以预测出他的时间和转换的规律，所以对于凹凸不平的地面来讲是不可用的，当然了对于平整的地面来说就都一样了，时间规律都是有了固定值，这可以在试验中得到验证。3.2步态规划概述3.2步态的介绍 昆虫大多是采用的六足纲的原理来行走，可以看作两个状态，当腿抬离地面的时候就叫作悬空相和当腿接触到地面推动机体前行的时候就叫做支撑相，悬空时的状态记作1，支撑时候状态就记住0.一个腿运动完一个完整的周期循环所需要的时间就叫作一个运动周期。腿

39、的运动周期相同，当周期变换的时候，腿就不同运动。有荷因素的定义为整个循环的运动周期中腿在地面的时间比例： 如果i为1、2、，2K（2k为总的足数）也就是为偶数的时候，这种步态就称之为规则步态。 步距x：指的是一个完整 的腿循环中机身重心的移动的位置。 平均速度，指的是机身的平均运动的速度。 所以由此可以看出行程L，步距x，和有荷因数三者之间的关系为。根据上述所说的，有荷因数大小可以分为3种情况， （1） 当时；在一组腿着地时候处于支撑相时，另外的三条腿立刻抬起处于悬空相，使他能在任意时刻同时具备支撑相和摆动相，这就是三角步态所处的时刻。 （2） 当时；机身的前行移动慢的时候，当摆动相和支撑相有

40、很少的时间重叠过程，也就是说六条腿同时着地的时候。 （3）当时；机身运动相对很快时候，六条腿同时在飞跃在空中时，各个脚都是处于悬空相时候。 三角步态（也或者称之为交替三角步态或者33步态），这是运动是六条腿成为两组三角步态交替支撑前进迈步，一般来说像(蚂蚁，蟑螂）步行的时候都不是六条腿同事直线前进的，而是把两边分为两组以三角形支架的形式交替前行的，身体一边的前后足和另一边的中足组成一对三角架，稳定身体的状态，两组脚在一边抬起时，另一边的三角脚架不动，使身体的重量都集中在不动的三角架上，当前面的腿上的肌肉收缩时候，也就是舵机动作，把脚部的力矩传递个机身，使机身的重心移动，当然了机身的重心的投影在

41、三角架内部。就是通过重心的转移来使机身移动，然后再重复上一组的动作，相互互换周而复始，这种方式是很便捷的，因为重心一直在两对三角架的重心位置，使其能更稳定的行走，这充分的体现了三角步态的行走方式，但是这不是直线，我们可以理解为一种类似呈锯齿形的曲线前进方式。最初的时候研究昆虫的运动规律时候是根据的日本的弓背蚂蚁来作为研究对象，因为它的体积相对来讲比较大，其体长约为12mm，只是身体的长度，步长为11mm，行走的速度为80mm每秒，通过多次的整理和分析，得出了蚂蚁是利用的三角步态的方法来行走的，而且身体的重心一直在同一条直线上，当然在蚂蚁转向时速度是大幅度下降的，而且因为在低速条件下，实验发现，

42、后足在地面上滑动时不易区分滑动和摆动。根据实验可以知道，自然界的昆虫一般都是用的三角步态来达到疾走的目的，如下图说的一般来讲三个A为一组腿，三个B为一组腿，每三个构成一个三角形，当其中一组处于支撑相的时候，另一组要迅速的处于悬空相，这两者之间是交替互换的，前足固定产生摩擦力带动重心移动，后足有转变方向的作用，他们是交替支撑身体的，所以总的来说三角步态还是相当稳定的步态，相比较其他的方式有很大的优越点，下面用图来简单表示下：1、仿生六组机器人六条腿都在地面上也就是处于支撑相，看到机器人的重心在c1的地方，B组的支撑机身重量，A腿摆动。2、仿生六足机器人再次同时在地面上，发现重心到了C2的位置，组

43、都支撑机身体重，机身向前移动了长度。3、仿生机器人组靠地面时候，组开始动作，重心仍然不变，所有的状态回到初始，这就是一个周期，运动起来这就是一个循环往复的过程。 图1 机器人步态规律图 3.3六足仿生机器人的坐标含义 六足仿生机器人的简图以下图是X0Y与机身平行，z轴与机身相互垂直，机身的质心在坐标原点上。腿的顺序定义如图所示，定义腿间距为n，机身的体宽为1m。A1、A2、A3、B1、B2、B3、分别是腿的站立点，A11，A21、A31、B11、B21、B31、分别是腿与髋关节的连接处。图2 机器人的坐标定义 六足仿生机器人腿机械图如下图所示：X轴投影定义的腿长为L，腿高度为H，大腿与小腿之间

44、角度为，髋关节在z轴旋转角度为，髋关节在Y轴旋转角度为。 图3 腿变化示意图图4 髋关节在XOY平面旋转示意图 由上面的两幅图可以看出，六足仿生机器人髋关节的电机向上旋转了角度的时候，其中一条腿在Z轴方向提升高度H，六足步行机器人腿部Z方向提升高度可以通过图计算如图；根据图中所示：得到h计算的表达式子： （3-1） （3-2）所以可以确定的是髋关节电机旋转角度时候与立足的位置点Ai在Z轴的方向上提升高度h的函数关系。 由图5可见六足仿生机器人髋关节电机向着前面转动的时候立足位置点Ai在Y轴的方向上前进了半步长为S/2，六足仿生机器人腿部Y方向前进的步长计算如下：图5 腿在Y方向上前进的示意图 所以说可以得出来S/2=L sin，由表达可以确定髋关节电机向前转动角度的时候，立足位置点Ai在Y方向的前进的步长为一半S/2的相确定的关系。当较小的时候，可以设旋转角度后腿在X轴上的投影长度近视为L。3.4三角步态的稳定性分析 3.41 稳定性分析步行机器人任一时刻的图所示： 六足仿生机器人的两足腿Ai、Bi及质心c在地面坐标系XOY平面内投影为点Ai，、Bi，和c，落在三角架支撑腿构成阴影内，当然了这样的话机器人的稳定性就可以得到很好的保证，选择合适的转角和跨步可以保证重心的位置在我们需要的区