户外六足监测机器人的运动控制
摘要本文针对户外监测需要，设计了一种在自然地形上运动行走的六足机器人作为监测设备的移动载体。介绍了硬件和软件设计，规划机器人的直行和定点转弯步态。最后在平地和自然草坪上进行试验，机器人运行稳定，表明具有在户外执行任务的实际能力。
【关键词】六足机器人 户外 步态 定点转弯
六足机器人由于其落地点离散的特性，更适合在自然地形上运动，比如美国新型的火星探险车也设计成六足的形式。六足机器人的开发可以追溯到1976年俄亥俄州立大学的“Hexapod”，它能按照规划的步态行走。但是由于其自由度多，控制复杂，转弯角度也是离散的，难以做到连续，这成为了机器人灵活运动的掣肘。针对以上两点不足，本文设计了一种每足单自由度的六足机器人，然后规划直行、转弯步态，对机器人在户外环境中的实际应用进行了有效的探索。
1 机器人系统简介
根据机器人用于户外监测的特点，所有设备都包括在机器人内部，因此整体设计成扁平的盒状，尽量降低重心。六条腿由弹性材料制成，分别由六个独立的髋关节驱动。这样一方面带来了控制的灵活性，另一方面增大了机器人的功率质量比，有助于在户外环境中跨越障碍爬坡过坎。
整个系统由本体和控制端两部分组成，控制端通过网络下达命令，获取监测数据，本体执行命令，采集数据并回传。本体上的传感器系统用于获取机器人自身的状态信息和监测信息；供能系统通过对电池的监测管理，为所有设备提供稳定的电力；运动控制系统直接驱动电机完成指定动作。
2 运动学分析及步态规划
六条腿的运动速度、顺序不同可以组合出不同的步态，但是以每一条腿为研究对象来看，只有顺时针、逆时针两个运动方向。坐标系如图1所示，假设髋关节驱动腿顺时针旋转，以髋关节所在位置近似为机器人质心在YZ平面上的投影。
旋转角速度为ω；圆环空缺的弧度称为切除角α；相对的，比半圆多的那段弧度称为剩余角β；旋转运动的时间为Δt；腿部结构半径为r。从图中原点位置开始到离地这段时间内，我们可以得到机器人在水平方向（Y方向）和竖直方向上（Z方向）位移的表达式：
ΔY=r•ωΔt+r•sinωΔt ；
ΔZ=r-r•cosωΔt（1）
因此机器人在水平方向上前进的速度以及在垂直方向上起伏的幅度直接与腿转动的角速度相关。前人观察弓背蚁及蟑螂的运动方式得出结论，昆虫在爬行时的典型步态为波形步态。当占空比为50%时昆虫具有静态稳定条件下最快的速度。
其中 表示支撑相的角速度，表示摆动相的角速度。
要使机器人能够左右旋转，需要一个如图2所示的恒定转矩。该转矩的力由摩擦力提供： =r(1+cos t)(+2)-rsin t（2）
自然环境中更多的是带有坡度的地形，假设支撑相时，机器人身体产生的倾斜角为γ，这时摩擦力和支持力相应变化为：
f=(-rsin t) （3）
进一步可以得到机器人的转向角速度ω和支撑相角速度 的关系。
综合以上分析，适合本机器人的步态可由图3、4表示，黑色代表支撑相，白色代表摆动相，灰色表示处于支撑相，但电机转向和同组另外两条腿相反。
3 实验结果和分析
机器人自身重量为12.5kg，实验选用的介质有室内光滑地板和室外自然草坪两种，草坪局部有不规则起伏，总体地势为斜坡。由电机特性决定了不能大于π rad/s，占空比50%时，t=0.25s。
表1记录了在不同介质下实际和Θ的对应关系。数据采集方式是连续旋转10步，获得每一步的平均旋转角度。误差产生的原因除了上述实验中提到的两点以外，还有接触面打滑的因素，在草地上有时候摩擦力更大，所以测量值会更接近理论值。
表2记录了不同介质下前进速度和理论值的差别，在光滑地面上由于打滑的影响，速度会略小于理论值，在草地上摩擦力会大一些，但是地面的起伏一方面会带来更大的阻力减小速度，另一方面起伏也会引入测量误差。
4 结束语
本文设计了适合在户外运动的六足机器人系统，包括机构、电气设备和上位机软件设计，然后根据分析提出适合本机器人的直行转弯步态，最终通过不同地形的实验，证明该机器人运行有效、可靠，有一定的实用价值。
参考文献
[1]Haynes G C,Koditschek D E.On the comparative analysis of locomotory systems with vertical travel[C]//International Symposium on Experimental Robotics,Delhi,India. 2010.
[2]Wilcox B H.Athlete:An option for mobile lunar landers[C]//Aerospace Conference,2008 IEEE.IEEE,2008:1-8.
[3]HuangLin.HanBao]ing.LuoQingsheng,XuJia.Experimental study on hexapod biomimet-icrobot's gait planning[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology,2007,35(12):72-75.
[4]黄麟,韩宝玲,罗庆生等.仿生六足机器人步态规划策略实验研究[J].华中科技大学学报:自然科学版,2007(12).
作者单位
上海交通大学自动化系系统控制与信息处理教育部重点实验室上海市200240
