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摘要：多足仿生机器人拥有的出色的地形适应能力使其在特种机器人领域闪耀夺目，成为近年来机器人领域的一颗无法忽视的新星。本课题所研制六足仿生机器人由18个舵机组成6条腿，每条腿有1个水平旋转及2个垂直升降共3个自由度。该六足仿生机器人由ATmega16单片机精确控制到每个舵机，可实现机器人模仿昆虫三三足行走。本文将从六足仿生机器人的设计、六足仿生机器人的功能实现、六足仿生机器人的功能扩展三大方面展示研究成果。
关键词：六足仿生机器人、昆虫行走、地形适应能力、跨障
一、六足仿生机器人的设计
六足仿生机器人集仿生学原理、机构学理论、计算机软件开发技术、自动控制原理与技术、传感器检测技术和电机驱动技术于一体。对于传统的行动结构，其优势在于其具有的优越的跨障碍能力，以及在复杂地形条件下的地形适应能力。本课题基于六足仿生机器人的行走方式、行动机构结构设计、伺服器的驱动进行研究。
1. 仿生学原理分析
该六足仿生机器人基于模仿昆虫的运动原理设计而成，故本课题首先对昆虫如何运动进行了研究。
昆虫有3对共6条足，分别分布于前、中、后胸，由所处位置相应被称为前足、中足、后足，每条足可分为六节，由基部向末端依次为基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节。昆虫的足的主要自由度可视为3个，分别由转节、胫节、跗节完成，实现足的自由活动。
昆虫行走时每次以三条足为一组，两组足交替运动。在昆虫的实际运动过程中，昆虫前进、后退、转向时其足皆按此方法三三足行走，只是由每条足移动的位置不同而实现不同的动作。
2.六足仿生机器人运动学分析
(1)三角步态行走法
昆虫运动时，它的三对足分为两组交替运动，每三足构成一个三角形支架结构 ,这便是三角步态行走法。在六足仿生机器人的实际运动中，其步态多种多样，而三角步态行走法为六足仿生机器人实现行走的典型步态。
(2)六足仿生机器人的行走分析
①昆虫的足主要有3个自由度，因此在机器人的每条足上我们安装了3个可实现角度精确控制的舵机来实现3个自由度，其中1个水平旋转自由度、2个垂直升降自由度。舵机安装位置分别为躯干与足连接处（水平旋转）、大腿与中腿连接处（垂直升降）、小腿与中腿连接处（垂直升降）。
②按需要设计为每足3个舵机，六足仿生机器人的舵机放置情况为：
机器人在行走时采用三角步态行走法，具体为：
a．3、9、15号舵机工作，足一、2、三小腿抬升；
b．1、7、13号舵机工作，足一、2、三同向水平转动；
c．3、9、15号舵机工作，足一、2、三小腿压低；
d．6、12、18号舵机工作，足1、二、3小腿抬升。1、7、13号舵机工作，足一、2、三往b动作中转动方向的相反方向转动；
e．4、10、16号舵机工作，足1、二、3按足一、2、三转动方向水平转动；
f．6、12、18号舵机工作，足1、二、3小腿压低；
g．3、9、15号舵机工作，足一、2、三小腿抬升。4、10、16号舵机工作，足1、二、3往e动作中转动方向的相反方向转动；
b→c→d→e→f→g→b••••••
二、六足仿生机器人的功能实现
1.舵机简介
舵机是由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的一套自动控制系统。舵机一般而言都有最大旋转角度，其与普通直流电机的区别主要在于舵机只能在一定角度内转动，而其通过接收PWM信号来确定旋转角度。因为舵机能实现在最大旋转角度范围内转动到特定的角度后精准的停下，故舵机在关节型机器人领域内应用广泛，以达到使机器人某一部位精确移动的目的。
2.舵机的驱动及控制
舵机的伺服系统由可变宽度的脉冲来进行控制，脉冲的参数有最小值、最大值、频率。一般而言，舵机的基准信号都是周期为20ms，宽度为1.5ms。这个基准信号定义的位置为中间位置。舵机有最大转动角度，中间位置的定义就是从这个位置到最大角度与最小角度的量完全一样。最重要的一点是，不同舵机的最大转动
角度可能不相同，但是其中间位置的脉冲宽度是一定的，那就是1.5ms。
本课题所使用舵机为三线控制舵机，三线分别为VCC线、GND线、信号线。舵机的旋转角度是由来自控制线的持续的脉冲所产生，这种控制方法叫做脉冲调制。脉冲的长短决定舵机转动多大角度，例如：1.5毫秒脉冲会到转动到中间位置。当控制系统发出指令，让舵机移动到某一位置，并让他保持这个角度，这时外力的影响不会让他角度产生变化，但是这个是由上限的，上限就是他的最大扭力。除非控制系统不停的发出脉冲稳定舵机的角度，舵机的角度不会一直不变。
3.控制电路
（1）电源模块
舵机内部是直流电机驱动，在带载时启停的瞬间会产生较大的峰值电流，而如果使用一个电源为控制模块及舵机供电，则这个电流会影响到控制模块的稳定工作。为使整个电路稳定工作，特采用双线供电将舵机供电电源与控制模块电源分开，保证控制电路不受舵机启停产生的不稳定脉冲的干扰。
驱动舵机采用电压4.5-6V的直流电源，本课题使用的是7.4V镍氢电池，用LM2596 DC-DC降压模块将电压从7.4V降为5V。
控制电路采用5V的直流电源，本课题使用7805稳压电路将电流稳定在5V。
（2）控制模块
六足仿生机器人能否动起来，取决于机器人的控制模块，所以说控制模块是机器人的大脑所在。本课题使用ATmega16单片机控制舵机，可以实现18个舵机的单独、精确控制。
三、六足仿生机器人的功能扩展
本课题研究深度较浅，所制作六足仿生机器人可完成前进、后退、转向、转圈等动作，而其它功能尚不具备。对于该六足仿生机器人的其它功能的完备，本课题组做出了以下展望：
1. 适应能力的强化
六足仿生机器人所突出的能力为地形适应能力和跨障碍的能力，但是，在机器人没有安装传感器的情况下，它只能按照程序设定完成足的移动。在这种情况下，当其行走在凹凸不平的地面时，机器人的足并不能全部着地。当机器人的足有2足及以上无法着地时，或者有多足陷入小坑时，机器人无法继续前进而被困在原地。
针对这个问题，我们课题组的解决方案是在每条足上安装压力传感器，通过分析压力传感器是否受力来辨别足是否接触到了地面。当机器人行走时，若某一足完成了预定的动作，而压力传感器未检测到受力情况时，舵机会继续转动，直到压力传感器检测到足部受力，然后反馈给控制模块，再停止该条足上的舵机的运动。
2. 无线视频传输
六足仿生机器人除了实现自动控制达到某些目的以外，遥控控制也是不能被忽视的发展方向。因为机器人身体低矮、体积较小，故控制人员只能在近距离内才能有效的分辨机器人进行控制，而加装无线视频传输模块便能很好的解决这个问题，控制人员可通过六足仿生机器人上的摄像头观察机器人周围的环境，从而实现超视距控制，让控制不再受距离的限制。
关键词：六足仿生机器人、昆虫行走、地形适应能力、跨障
一、六足仿生机器人的设计
六足仿生机器人集仿生学原理、机构学理论、计算机软件开发技术、自动控制原理与技术、传感器检测技术和电机驱动技术于一体。对于传统的行动结构，其优势在于其具有的优越的跨障碍能力，以及在复杂地形条件下的地形适应能力。本课题基于六足仿生机器人的行走方式、行动机构结构设计、伺服器的驱动进行研究。
1. 仿生学原理分析
该六足仿生机器人基于模仿昆虫的运动原理设计而成，故本课题首先对昆虫如何运动进行了研究。
昆虫有3对共6条足，分别分布于前、中、后胸，由所处位置相应被称为前足、中足、后足，每条足可分为六节，由基部向末端依次为基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节。昆虫的足的主要自由度可视为3个，分别由转节、胫节、跗节完成，实现足的自由活动。
昆虫行走时每次以三条足为一组，两组足交替运动。在昆虫的实际运动过程中，昆虫前进、后退、转向时其足皆按此方法三三足行走，只是由每条足移动的位置不同而实现不同的动作。
2.六足仿生机器人运动学分析
(1)三角步态行走法
昆虫运动时，它的三对足分为两组交替运动，每三足构成一个三角形支架结构 ,这便是三角步态行走法。在六足仿生机器人的实际运动中，其步态多种多样，而三角步态行走法为六足仿生机器人实现行走的典型步态。
(2)六足仿生机器人的行走分析
①昆虫的足主要有3个自由度，因此在机器人的每条足上我们安装了3个可实现角度精确控制的舵机来实现3个自由度，其中1个水平旋转自由度、2个垂直升降自由度。舵机安装位置分别为躯干与足连接处（水平旋转）、大腿与中腿连接处（垂直升降）、小腿与中腿连接处（垂直升降）。
②按需要设计为每足3个舵机，六足仿生机器人的舵机放置情况为：
机器人在行走时采用三角步态行走法，具体为：
a．3、9、15号舵机工作，足一、2、三小腿抬升；
b．1、7、13号舵机工作，足一、2、三同向水平转动；
c．3、9、15号舵机工作，足一、2、三小腿压低；
d．6、12、18号舵机工作，足1、二、3小腿抬升。1、7、13号舵机工作，足一、2、三往b动作中转动方向的相反方向转动；
e．4、10、16号舵机工作，足1、二、3按足一、2、三转动方向水平转动；
f．6、12、18号舵机工作，足1、二、3小腿压低；
g．3、9、15号舵机工作，足一、2、三小腿抬升。4、10、16号舵机工作，足1、二、3往e动作中转动方向的相反方向转动；
b→c→d→e→f→g→b••••••
二、六足仿生机器人的功能实现
1.舵机简介
舵机是由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的一套自动控制系统。舵机一般而言都有最大旋转角度，其与普通直流电机的区别主要在于舵机只能在一定角度内转动，而其通过接收PWM信号来确定旋转角度。因为舵机能实现在最大旋转角度范围内转动到特定的角度后精准的停下，故舵机在关节型机器人领域内应用广泛，以达到使机器人某一部位精确移动的目的。
2.舵机的驱动及控制
舵机的伺服系统由可变宽度的脉冲来进行控制，脉冲的参数有最小值、最大值、频率。一般而言，舵机的基准信号都是周期为20ms，宽度为1.5ms。这个基准信号定义的位置为中间位置。舵机有最大转动角度，中间位置的定义就是从这个位置到最大角度与最小角度的量完全一样。最重要的一点是，不同舵机的最大转动
角度可能不相同，但是其中间位置的脉冲宽度是一定的，那就是1.5ms。
本课题所使用舵机为三线控制舵机，三线分别为VCC线、GND线、信号线。舵机的旋转角度是由来自控制线的持续的脉冲所产生，这种控制方法叫做脉冲调制。脉冲的长短决定舵机转动多大角度，例如：1.5毫秒脉冲会到转动到中间位置。当控制系统发出指令，让舵机移动到某一位置，并让他保持这个角度，这时外力的影响不会让他角度产生变化，但是这个是由上限的，上限就是他的最大扭力。除非控制系统不停的发出脉冲稳定舵机的角度，舵机的角度不会一直不变。
3.控制电路
（1）电源模块
舵机内部是直流电机驱动，在带载时启停的瞬间会产生较大的峰值电流，而如果使用一个电源为控制模块及舵机供电，则这个电流会影响到控制模块的稳定工作。为使整个电路稳定工作，特采用双线供电将舵机供电电源与控制模块电源分开，保证控制电路不受舵机启停产生的不稳定脉冲的干扰。
驱动舵机采用电压4.5-6V的直流电源，本课题使用的是7.4V镍氢电池，用LM2596 DC-DC降压模块将电压从7.4V降为5V。
控制电路采用5V的直流电源，本课题使用7805稳压电路将电流稳定在5V。
（2）控制模块
六足仿生机器人能否动起来，取决于机器人的控制模块，所以说控制模块是机器人的大脑所在。本课题使用ATmega16单片机控制舵机，可以实现18个舵机的单独、精确控制。
三、六足仿生机器人的功能扩展
本课题研究深度较浅，所制作六足仿生机器人可完成前进、后退、转向、转圈等动作，而其它功能尚不具备。对于该六足仿生机器人的其它功能的完备，本课题组做出了以下展望：
1. 适应能力的强化
六足仿生机器人所突出的能力为地形适应能力和跨障碍的能力，但是，在机器人没有安装传感器的情况下，它只能按照程序设定完成足的移动。在这种情况下，当其行走在凹凸不平的地面时，机器人的足并不能全部着地。当机器人的足有2足及以上无法着地时，或者有多足陷入小坑时，机器人无法继续前进而被困在原地。
针对这个问题，我们课题组的解决方案是在每条足上安装压力传感器，通过分析压力传感器是否受力来辨别足是否接触到了地面。当机器人行走时，若某一足完成了预定的动作，而压力传感器未检测到受力情况时，舵机会继续转动，直到压力传感器检测到足部受力，然后反馈给控制模块，再停止该条足上的舵机的运动。
2. 无线视频传输
六足仿生机器人除了实现自动控制达到某些目的以外，遥控控制也是不能被忽视的发展方向。因为机器人身体低矮、体积较小，故控制人员只能在近距离内才能有效的分辨机器人进行控制，而加装无线视频传输模块便能很好的解决这个问题，控制人员可通过六足仿生机器人上的摄像头观察机器人周围的环境，从而实现超视距控制，让控制不再受距离的限制。