淺析足式機器人的構造原理

魏益洲

（煙臺市中英文學校高三（4）班，山東 煙臺 264100）

1 足式機器人簡介

機器人的運用原理在于通過對人類行為的模范來代替人類完成一些不需要人類或人類無法完成的工作。就當前而言，大體可以將機器人分為足式、履帶式和輪式機器人。而足式機器人有著與自然界生物極為相似的形態，較履帶式和輪式機器人更具靈活性，因此受到機器人研究領域的高度重視。就足式機器人分類而言，可以根據其不同形態將其分為雙足、四足、六足和八足等四種形態的機器人，對于類似于蜈蚣式的機器人則具有更高的復雜性。本文重點圍繞六足機器人進行研究探討。

2 足式機器人系統設計

足式機器人由兩個部分構成，一部分為六足機器人本體，另一部分為遠程控制上位機，這兩個部分的功能各不相同。下文將詳細介紹機器人本體的結構以及其三個子系統功能的設計內容。

2.1 機構設計

足式機器人設計為六足結構，是根據六足結構的穩定性來設計的，可以實現對機器人的穩定控制。機器人體型盡量設計為扁平結構，可以使其重心降低，移動更為穩固。機械設計首要目標為可靠耐用，主要為抗腐蝕性和抗疲勞性。此外，機器人作為移動平臺，既要求強度高，又要求輕巧。體積小的機器人靈活性高，而且可以節省驅動動力，機器人的設計要盡量減少本體的消耗。在設計其框架的時候，要在高強度和輕量化之間找到一個平衡點，既能實現對內部設備的保護，又能支撐起整個機身，因此，采用了“日”字形的框架設計。

2.2 機身設備控制系統設計

機器人機身的控制系統是為了可以接受上位機發出的人機交互指令，并且對機器人的運動狀態和傳感器信息進行獲取和處理。運動控制分為兩級，控制器在接收到指令后，對電動機發出指令完成運動。在控制傳感器方面，主控制器的作用是確定信息獲取時間和內容，并確定是否需要回傳信息。主控制器通過RS485總線構成的串行網絡來連接電機驅動器，通過RS232總線構成的星形網絡來連接傳感器。

主控制器是上層控制系統，主要控制電氣子系統以及上位機的通信控制。主控制器屬于下位機，通常采用PC 104工控機系統作為設計方案，其優勢在于接口豐富，外圍電路完善，并且自帶供電和通信模塊，具有與PC機相同的功能。

電機驅動器是機器人的驅動中樞，接收到主控制器的指令以后，可以進行電機底層控制，實現驅動效果。驅動器的選擇必須要滿足驅動需求，但是同時要考慮集成原則，通常采用AMC的裸板驅動產品為電機驅動器。這種驅動器開放性極佳，可以非常方便地接入外設，擁有良好的散熱性能。驅動器本身包含電流模式、速度模式以及位置模式等多種控制模式。該驅動器通過對輸出電流的限制、控制電機轉速并帶有高溫自動停機設計等保護機制。

2.3 能源管理系統設計

機器人的能源管理系統有電源管理板、鋰電池構成。其電源模塊種類很多。供電系統的設計直接影響到機器人的移動性能和其他設備的正常使用。

電源系統的首要目標是實現強電流供電，第二是要具備滿足系統運行的電池容量，第三要求體積盡量縮小，第四要保證供電的持續性和電壓的穩定性以及充電安全性等。基于此，本款機器人設計采用磷酸鐵鋰電池。該鋰電池是所有鋰電池中安全性最高的，通過多種破壞性試驗以后仍然保持穩定，該鋰電池的能量密度也很高，比鋰聚合物電池稍差；再者，這種鋰電池的電芯可以達到3.7V的滿電電壓，在實現總電壓時可以減少鋰電池的串聯數量。

選擇供電電池時，電池電壓非常關鍵，一般供電電壓需要滿足系統中電量需求最大的設備，本款機器人的電機動力系統的電量需求是最大的，所以要選擇與電機額定電壓相匹配的電池，其他設備可以通過DC-DC電源模塊進行升壓和降壓后進行供電。

2.4 傳感系統集成設計

機器人的控制效果以及監測任務是通過傳感器來實現的。這個系統對可靠性的要求更高，同時，也希望能夠方便地增添和改變各項功能，于是設計思路跟之前的電源管理和電機驅動器不同，采用更加保守的策略，集成商用成品，而不是在芯片或者裸板上進行開發。對于這個子系統只進行簡潔的概括性介紹。

IMU，直接獲得六軸線加速度和角加速度信息，估算機器人當前的姿態，進而獲得三軸角加速度、線加速度和歐拉角。機器人的中心位置慣導集成可以實現通過慣導輸出來分析機器人的運行姿態。主控制器會通過RS232串口獲取相關信息。

機器人內部裝有GPS模塊，可以通過外置天線接收定位信號。通過GPS模塊可以對當前的地理位置、海拔高度以及UTC時間進行獲取。根據這些數據可以計算從機器人開始運動到當前時刻經過的時間以及機器人當前位置和運動。

機器人裝備的平面激光掃描儀只有4米有效距離，用于判斷周圍的障礙物。機器人前部的實驗專用激光掃描儀可以實現180度廣角掃描，性能非常優越。

3 足式機器人技術創新

3.1 仿生足模擬技術

當前常見的機器人自由度更廣，行走時會出現上下起伏的姿態，與傳統輪式機器人或者履帶式機器人相比，需要其機械關節克服更大的阻力矩，步態變化中關鍵的因素就是負載變化；而且由于行走時為了達到穩定效果，保持在合理的穩定裕度范圍內，這種六足機器人的行走速度相對緩慢，很難做到連續轉彎，嚴重影響了機器人的靈活性。同時，由于上坡時會產生重心偏移，穩定裕量也會相應減小，這就需要解決如何提高穩定裕量使其在坡道上行走更為穩定的問題。針對目前遇到的問題，需要在仿生足模擬技術的基礎上結合機器人本身的情況，采用周期性三角步態以及定點轉彎技術來提高機器人的靈活性，而且這樣可以使得機器人在松軟地面的行走能力更強，通過負載能力定量調整，實現對機器人的更好控制，通過穩定裕量分析對機器人的步態進行優化，提高其自然環境條件下的控制能力。

3.2 神經網絡控制技術

傳統生物在進行步態控制的時候，需要通過神經中樞來獲取非常繁雜的信息，也就是將感官信息轉換為中樞命令，這是一個非常復雜的過程。目前，我們仍然無法完全獲取動物神經中樞的全部控制信息。在機器人設計方面，我們可以通過人工神經網絡來構造一個模擬動物神經中樞控制身體關節的系統，實現中樞指令與機械關節運動的轉換，并讓它自動學習這個轉換過程。因為人工神經網絡具有很強的適應能力和學習能力，在機器人步態控制系統中應用人工神經網絡，對提高機器人的環境適應能力非常有效。機器人步態多變的問題也因此得到了很好的解決，取得了非常好的仿真效果。但是人工神經網絡的實時局限性，在仿真機器人平臺應用的時候還需要進一步實驗和調整。

4 機器人的未來展望

（1）機器人用于電子商務。預計到2018年，全球將有超過200家大型物流公司和電子商務公司在其訂單處理和倉儲配送系統中應用仿真機器人，應用率有望達到45%。

（2）智能協作機器人。同樣預計在2018年，全球部署的機器人中有超過三分之一為智能機器人，可以實現更快的運行速度，并實現與人類同時同地有效協作。

（3）應用范圍突破制造業。預計到2019年，全球將會在超過三分之一的領域實現機器人自動控制和運行。

（4）軟件定義的機器人。預計到2020年，全球超過60%的機器人將實現云計算遠程控制，其性能將得到大幅度提升，并逐步推動機器人應用軟件市場的發展。（5）智能機器人網絡。到2020年，商用機器人中將會有超過四成的機器人通過智能網絡進行協作，其運轉效率至少翻一番。

5 結語

目前，很多領域都已經開始應用機器人技術，如水下勘測、極限救援以及在生活領域替代人工，機器人技術已經逐步表現出其超強的發展潛力。在未來隨著科學技術發展越發迅速，機器人也將應用于更多的場合，為人們帶來更多的便利。

[1]金波，陳誠，李偉.基于能耗優化的六足步行機器人力矩分配[J].浙江大學學報(工學版)，2012, 46(7): 004-007.

[2]毛明艷，何嶺松.六足機器甲蟲定點轉彎步態研究田[J].計算機與數字工程，2011, 39(5): 1-6.

[3]王國富，高峰，徐國艷.轉向盤式全方位六足機器人運動分析及控制[J].吉林大學學報:工學版，2012, 42(004): 1008-1014.