六足型機器人三角步態與底部框架結構的效率性研究

　　摘要：本文通過定義單位能量走過的距離以及單位面積所能夠承載的能量兩個量，研究說明不同的底部框架結構(六點矩形底部框架以及六點六邊形底部框架)對六足機器人三角步態的影響，得到兩種框架結構各自的距離能量比(距離/能量)以及能量面積比(能量/面積)。結果表明六點矩形底部框架結構的六足機器人在水平直行的效率更高，為六足機器人的機械結構開發與設計提供了參考。

　　創新時代【2020年第09期】《創新時代》(月刊)是中央級綜合經濟類刊物。定位于“創新改變世界，創新引領經濟”，深刻解讀經濟全球化背景下的中國“制度創新、科技創新、知識產權、產業創新、教育創新、文化創新、品牌創新”等多領域變革歷程。

　　關鍵詞：六點矩形底部框架;六點六邊形底部框架;距離能量比;能量面積比

　　引言

　　自然界中的大部分多足型昆蟲的行走步態都遵循三角步態，該步態可以使昆蟲的行走效率達到均衡的狀態。在仿生機器人開發過程中，六足型機器人的行走方式循三角步態的規則。

　　六足型機器人利用仿生學原理，通過模擬六足昆蟲的移動步態來達到直行及轉彎的目的，但是伴隨著六足機器人的移動勢必會帶來能量的消耗，而對于機器人來說，能源是最重要的動力來源，如何將能量的利用率提到最高是要考慮的問題。在初期的機器人形狀設計中，更多的能源意味著需要更大的底盤面積去承載，并且前足、中足以及后足的長度也是影響步態的重要因素。在平面直行的場景中，能量利用率越高，體現在相同的能量下，六足機器人行走的距離越長。

　　如今，六足機器人底盤形狀可分為矩形、圓形和六邊形，不同的形狀帶來的效果不同。不論是什么形狀，底部的框架結構可大致分為兩種，一種是呈六點六邊形分布，一種是呈六點矩形分布。其理想模型如下圖1所示。

　　圖1

　　1 定性分析

　　本實驗將采用兩種底部框架結構的理想模型，即不考慮重力、質量、摩擦因數等客觀因素的

　　影響。假設給予兩種底部框架結構的能量E是相同，在水平面上，六足機器人向前行走的距離為D，定義距離能量比：

　　(公式1-1)

　　能量面積比：

　　(公式1-2)

　　定義兩種底盤框架結構，第一種為六點六邊形底部框架結構，第二種為六點矩形底部框架結構，在理想模型中，兩種結構放入等效的能源。

　　在六足等長L的前提下，通過不同底盤框架結構下的三角步態產生的結果(即距離能量比以及能量面積比)，分析這兩種框架結構情況中的最優解。

　　2 距離能量比與能量面積比實驗

　　相同能源的實現采用舵機轉相同的角度來實現，在嚴格按照三角步態的行走法則前提下，舵機轉動60°所消耗的能源為E，轉動120°所消耗的能源為2E。

　　以兩種底部框架結構理想模型的中軸線為準，將形狀分為左右兩部分，左、右側分別平均取三個點，左側為1、2、3點，右側為4、5、6點，足長內側(靠近機體)為a點，足長外側(遠離機體)為b點。如下圖2所示。

　　如圖3與圖4 所示，六足機器人初始狀態為A狀態，1、3、5號足為一組，2、4、6號足為一組，首先1、3、5足的b端作為支撐點與地面接觸，2、4、6號足向前抬起并且移動到B狀態落下，此時，保持1、3、5足的b端支撐點不動，轉動a點的關節，在1、3、5足b端的支撐下，機器人身體向前移動，移動距離為D，即經過半個周期變為C狀態。這里需要強調的是六點六邊形框架結構六足機器人的2號與5號足為了保證其沿著直線前行，這兩只足只能向前轉過60°角，如若不然，機器人便會產生轉角，拐彎前行。

　　分別記錄下移動距離D與六足機器人移動所消耗的能量E，代入公式1-1，計算出距離能量比;然后通過計算兩種底部框架結構的面積S，再計算出能量面積比。

　　3 實驗結果與分析

　　3.1距離能量比參數的計算

　　設六點六邊形框架結構的向前直線移動距離為D六，六點矩形框架結構的向前直線移動距離為D矩。且由圖3及圖4可知，六足機器人向前直線移動的距離實際等效為1號足擺動前后其a點的移動長度。

　　已知六足機器人的足長為L，且每條足轉過60度所消耗的能量為E，則為了滿足六足機器人仿生學的三角步態有：

　　，。

　　在如圖3及圖4的半個前行運動周期內，六只足分別轉過了一定的角度，從而滿足三角步態的行走規律。在六點六邊形的結構框架中，其2號與5號直行前進時足轉動60°，其余足轉動60°;在六點矩形框架結構中，六只足分別都轉過了60°。

　　由此可得: E六=6E;E矩=6E;

　　代入距離能量比公式1–1中可得:

　　即在單位能量內，六點矩形框架結構能夠在三角步態的行走規律下運動更遠的距離。

　　3.2能量面積比參數的計算

　　設兩種結構框架的寬(1號足a點與4號足a點之間的距離)為x，由此可計算出兩種結構框架的面積分別為: ，

　　代入到能量面積比公式1–2中可得:

　　即在相同的單位面積時，六點六邊形結構框架所需的能量更少。

　　3.3實驗結果的分析

　　結合以上兩個論點:通過比較兩組底盤的距離能量比與能量面積比參數值，可以得到六點矩形底盤在能量的利用率上更高，即在相同的電源儲備下，六點矩形框架結構的六足機器人可以行走更遠的距離，工作更長的時間。

　　在相同單位面積內，六點六邊形結構框架所需的能量更少，更有利于能量的裝配，所以在機械設計中，開發者可以根據不同的場景需要選擇最合適的底部框架結構。

　　作者簡介：杜世彥 (1999-)，男，漢族，河北邯鄲人，本科生學歷，電子信息工程方向

　　導師：張海

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