李沛轩

摘 要：本文通过模拟足形昆虫腿结构，并且结合轮式机器人的特点，设计了一种多功能轮腿式六足机器人。该机器人具有足式行走和轮式行走两种方式，提高了机器人的运动效率；机器人两个足可以转换为操作臂，并设计了操作臂末端夹持器，实现对物体的夹取。对机器人电子控制系统进行了设计，并通过增添多种外围设备丰富机器人的功能。

关键词：机器人；轮腿式；电子控制

中图分类号：TP242 文献标识码：A

0.引言

机器人是给人提供方便或拓展人活动范围的工具：提供方便，诸如扫地机器人；拓展人的活动范围，诸如科考类机器人。在自然和人类社会中，存在一些人类无法到达的地方及不适合人类达到的场合，如灾难发生的矿井、防灾救援和反恐等。

与双足和四足机器人相比，六足和八足机器人具有独特的非连续支撑行走方式，即在某条腿失稳情况下机器人仍具有良好的运动稳定性，同时具有不同的步态以应对不同的地形环境；与八足机器人相比，六足具有相对简单的机械结构，同时也使得控制算法生成较方便可以预见，这些优点将使六足机器人成为在复杂环境下机器人作业的最佳选择。同时，采用六足在需要时可将其中的两足转化成操作臂，进行手臂操作。因此，对六足机器人的研究具有深远的理论价值和工程应用意义。

因此课题进行研究的是一款陆地移动机器人——多功能六足轮腿式机器人。所述多功能六足轮腿式机器人，轮腿融合并且腿臂可转换，将在救援行动和探测活动中得到广泛应用；如果在机器人上搭载更多的模块，其将具有更多的功能并可以被应用在更多的领域中。

1.机器人机械本体设计

1.1 六足轮腿设计

根据对昆虫生理结构的分析，根据仿生学的知识设计了如图1中左图所示六足机器人。该机器人由6条腿和机器人本体构成，6条腿分别分布在机器人本体两侧，每侧三条腿。现在以编号为②的腿进行腿部结构的详细介绍。腿部由连杆CE、CB、AB组成，在C、B、A处分别通过转动副连接，腿在A处通过转动副与主体相连。在这一腿部机构中CE最长、CB长度中等、BA长度最短，以此模拟六足类昆虫腿部的真实情况，便于模拟昆虫实际运动方式。

对机器人腿的自由度进行分析，以腿②为例，该腿部机构中，活动构件数为3，运动副中低副的个数为3，高副的个数为0，因此该机构的自度为：

F=3n-2Pl-Ph=3×3-2×3-1×0=3

因此该腿部机构的自由度为3，要使连杆AB、BC、CE获得确定的运动，需要增添3个驱动。因此在A、B、C三个转动副处添加电机作为驱动，即通過控制3个电动机即可使整个机构如昆虫的足一样前后移动，同理剩余的5条腿也是如此运动。至此，基于模拟昆虫运动，完成了六足机器人机械本体的设计。

由于机器人执行任务的需求，需要在到达指定位置时进行一些抓取操作。但为了进行抓取操作再增添操作臂则显得太过于复杂，因此将机器人腿与操作臂进行结合设计，机器人前部的腿①与腿⑥可以转换成机械臂，后部的4条腿用于支撑，将前部的腿转换成操作臂进行抓取操作。

设计的机器人通过机械腿和轮式结构进行移动，前部的两条腿可以转换成机械臂进行夹持操作。在平缓的公路上机器人可以通过轮式结构移动，在崎岖的路面上可以通过机械足进行移动，这样的设计大大提高了移动效率。

1.2 操作臂设计

如2.1所述，腿①与腿⑥可以从腿部结构转换为操作臂，在腿部结构的末端F处可以增添夹持手。设计该夹持机构时以结构简单、能进行简单操作为原则，在设计时模拟螃蟹的夹持手。

根据仿生学知识设计如图2所示的夹持手，该夹持手由上下两部分对称的夹持指组成，下面以上部夹持指为例进行详细的说明。该夹持手由连杆OJ、JL、NK组成在O、J、K、N处分别通过转动副连接，O、N处转动副与夹持手基座相连。下部夹持指的结构与上部夹持手完全一样。上下两个夹持指通过两个齿轮连接，两个齿轮分别与连杆OJ、PH固连，即齿轮转动时两个连杆也随之一起运动。

对该夹持机构的自由度进行分析，以便确定原动件数目，以及需要多少电机驱动。该机构中，活动构件数为6，运动副中低副的个数为8，高副的个数为1，因此该机构的自度为：

F=3n-2Pl-Ph=3×6-2×8-1×1=1

因此该机构的自由度为1，需要一个电机进行驱动。在转动副O处增添电机，使齿轮转动，进而带动连杆OJ转动；通过啮合的齿轮使得下部连杆PH也转动，最终即可实现夹持指末端LM的张开和夹紧，即可实现对物体的抓取操作。夹持手通过灰色框线表示的夹持手基座与机器人足末端相连。当LM接触，即夹持指并拢时作为机器人足可以行走；当腿①、⑥抬起时，即可进行抓取操作。至此，完成了六足机器人操作臂夹持手的设计。

2.机器人电子控制系统设计

2.1 电子系统整体设计

为了能够让机器人有运动的能量，需要在机器人本体上布置电池功能模块；为了控制各个电机按照指定指令运动，需要布置电机控制器模块；为了对机器人进行远程控制、与外部环境进行交互，需要在机器人上增添一些外围交互设备。

机器人电子系统整体如图3所示，驱动电机布置在各个驱动关节处，通过线缆与电机控制器相连；其他电子设备均集中安放在机器人本体处。机器人本体分为上中下3层，分别为外围设备、控制器和电池。

2.2 控制及交互设计

对电机控制、外围设备等各部分进行详细地设计说明。

电机控制模块：电机安装在各个驱动关节处。机器人运动有自主和远程控制两种运动模式，自主运动模式是不需要外界实时给机器人运动指令，机器人可以自行运动；远程控制是通过远程控制软件实时给机器人发送运动指令。同时还可以控制机器人前部的两个腿变换为操作臂，并通过末端的夹持器实现对物体的夹取。

语音与图像交互模块：麦克风与摄像头安装在机器人本体最上层，通过麦克风、摄像头可进行语音和图像的交流。灾害发生需要救援被困人员时，可以让机器人进入一些人无法进入的狭小空间。

手势识别及地图重建模块：增添现有的一些3D体感摄像机，通过摄像机捕捉并分析得到人手的手势动作，将捕捉到的手势与之前程序中预设的进行比对，再让机器人进行相应的操作。无线模块：在机器人本体最上层安装天线，通过此天线实现机器人各种外围设备、电机控制器与远程控制软件之间的通信；远程控制可以通过电脑控制程序实现。

结论

本文运用仿生学的知识，通过模拟足形昆虫腿式结构，并且结合轮式机器人的特点，设计了一种多功能轮腿式六足机器人。该机器人可采用足式与和轮式两种行走方式在两个足末端安装有夹持手可进行抓取操作。通过安装3D体感摄像机等外围设备，实现与外部的语音图像交互以及手势操控、地图重建等功能。所设计的机器人结构新颖、功能丰富，具有很强的实用价值。

参考文献

[1]王颖，孙翠磊，于淳，等.移动机器人综述[J].科学导报， 2014（15）：12-13.

[2]李满宏，张明路，张建华，等.六足机器人关键技术综述[J].机械设计，2015（10）：1-8.

[3]聂澄辉，刘莉，陈恳.模块化可重构足式仿生机器人设计[J].机械设计与制造，2009（2）：7-9.

[4]沈世德，徐学忠.机械原理（第2版）[M].机械工业出版社，2009.

[5]李开生，张慧慧，费仁元，等.机器人控制器体系结构研究的现状和发展[J].机器人，2000，22（3）：235-240.