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项目研究报告

北京理工大学机电学院吴帆

——小型仿生六足探测机器人

一、课题背景：

仿生运动模式的多足步行机器人具有优越的越障能力，它集仿生学原理、机构学理

论、自动控制原理与技术、计算机软件开发技术、传感器检测技术和电机驱动技术于一

体。

不论在何种地面上行走，仿生六足机器人的运动都具有灵活性与变化性，但其精确

控制的难度很大，需要有良好的控制策略与精密的轨迹规划，这些都是很好的研究题材。

二、项目创新点：

作为简单的关节型伺服机构，仿生六足机器人能够实现实时避障，合理规划行走路

线。

简单的关节型机器人伺服系统不仅具有可批量制造的条件，作为今后机器人群系统

的基本组成，也可以作为探索复杂伺服机构的研究对象。

三、研究内容：

1.仿生学原理分析：

仿生式六足机器人，顾名思义，六足机器人在我们理想架构中，我们借鉴了自然界

昆虫的运动原理。

足是昆虫的运动器官。昆虫有3对足，在前胸、中胸和后胸各有一对，我们相应地

称为前足、中足和后足。每个足由基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节几部分组成。

基节是足最基部的一节，多粗短。转节常与腿节紧密相连而不活动。腿节是最长最粗的

一节。第四节叫胫节，一般比较细长，长着成排的刺。第五节叫跗节，一般由2-5个亚

节组成﹔为的是便于行走。在最末节的端部还长着两个又硬又尖的爪，可以用它们来抓

住物体。

行走是以三条腿为一组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。这样就

形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面并向后蹬时，另外三条腿即抬起向前

准备替换。

前足用爪固定物体后拉动虫体向前，中足用来支持并举起所属一侧的身体，后足则

推动虫体前进，同时使虫体转向。

这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。并

不是所有成虫都用六条腿来行走，有些昆虫由于前足发生了特化，有了其他功用或退化，

行走就主要靠中、后足来完成了。

大家最为熟悉的要算螳螂了，我们常可看到螳螂一对钳子般的前足高举在胸前，而

由后面四条足支撑地面行走。

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参考以上的昆虫足部结构，我们想出了较简单的方式来表达。一支脚共有两个关节

(假设没有爪的情况下)，一个关节采左右式移摆；另一个关节则是采偏摆式，使脚可提

高，当做上下运动的一种，结构设计图如下。

2.运动学分析：

六足步行机器人的步态是多样的，其中三角步态是六足步行机器人实现步行的

典型步态。

（1）三角步态介绍：

“六足纲”昆虫步行时，一般不是六足同时直线前进，而是将三对足分成两组，以

三角形支架结构交替前行。目前，大部分六足机器人采用了仿昆虫的结构，6条腿分布在

身体的两侧，身体左侧的前、后足及右侧的中足为一组，右侧的前、后足和左侧的中足

为另一组，分别组成两个三角形支架，依靠大腿前后划动实现支撑和摆动过程，这就是

典型的三角步态行走法，如下图所示。图中机器人的髋关节在水平和垂直方向上运动。

此时，B、D、F脚为摆动脚，A、C、E脚原地不动，只是支撑身体向前。由于身体重心低，

不用协调Z向运动，容易稳定，所以这种行走方案能得到广泛运用。

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（2）机器人行走步态分析：

项目设计共使用12个舵机用于步态实现。每条腿上有两个舵机，分别控制髋关节和

膝关节的运动，舵机安装呈正交，构成垂直和水平方向的自由度。由于腿只有水平和垂

直平面的运动自由度，所以只考虑利用三角步态实现直线行走。分别给12个舵机编号(