六足機器人

在自然界和人類社會中存在一些人類無法到達的地方和可能危及人類生命的特殊場合。如行星表面、災難發生礦井、防災救援和反恐鬥爭等，對這些危險環境進行不斷地探索和研究，尋求一條解決問題的可行途徑成為科學技術發展和人類社會進步的需要。地形不規則和崎嶇不平是這些環境的共同特點。從而使輪式機器人和履帶式機器人的應用受到限制。以往的研究表明輪式移動方式在相對平坦的地形上行駛時，具有相當的優勢運動速度迅速、平穩，結構和控制也較簡單，但在不平地面上行駛時，能耗將大大增加，而在鬆軟地面或嚴重崎嶇不平的地形上，車輪的作用也將嚴重喪失移動效率大大降低。為了改善輪子對鬆軟地面和不平地面的適應能力，履帶式移動方式應運而生但履帶式機器人在不平地面上的機動性仍然很差行駛時機身晃動嚴重。與輪式、履帶式移動機器人相比在崎嶇不平的路面步行機器人具有獨特優越性能在這種背景下多足步行機器人的研究蓬勃發展起來。而仿生步行機器人的出現更加顯示出步行機器人的優勢。

多足步行機器人的運動軌跡是一系列離散的足印運動時只需要離散的點接觸地面對環境的破壞程度也較小可以在可能到達的地面上選擇最優的支撐點對崎嶇地形的適應性強。正因為如此多足步行機器人對環境的破壞程度也較小。輪式和履帶式機器人的則是一條條連續的轍跡。崎嶇地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障礙物可以穩定支撐機器人的連續路徑十分有限，這意味著輪式和履帶式機器人在這種地形中已經不適用。多足步行機器人的腿部具有多個自由度使運動的靈活性大大增強。它可以通過調節腿的長度保持身體水平也可以通過調節腿的伸展程度調整重心的位置因此不易翻倒穩定性更高。當然多足步行機器人也存在一些不足之處。比如為使腿部協調穩定運動從機械結構設計到控制系統演演算法都比較複雜相比自然界的節肢動物仿生多足步行機器人的機動性還有很大差距。

昆蟲的運動原理。足是昆蟲的運動器官。昆蟲有3對足，在前胸、中胸和后胸各有 一對，我們相應地稱為前足、中足和後足。每個足由基節、轉節、腿節、脛節、跗節和前跗節幾部分組成。基節是足最基部的一節，多粗短。轉節常與腿節緊密相連而不活動。腿節是最長最粗的一節。第四節叫脛節，一般比較細長，長著成排的刺。第五節叫跗節，一般由2-5個亞節組成﹔為的是便於行走。在最末節的端部還長著兩個又硬又尖的爪，可以用它們來抓住物體。行走是以三條腿為一組進行的，即一側的前、後足與另一側的中足為一組。這樣就形成了一個三角形支架結構，當這三條腿放在地面並向後蹬時，另外三條腿立即抬起向前準備替換。前足用爪固定物體后拉動蟲體向前，中足用來支持並舉起所屬一側的身體，後足則推動蟲體前進，同時使蟲體轉向。這種行走方式使昆蟲可以隨時隨地停息下來，因為重心總是落在三角支架之內。並不是所有成蟲都用六條腿來行走，有些昆蟲由於前足發生了特化，有了其他功用或退化，行走就主要靠中、後足來完成了。大家最為熟悉的要算螳螂了，我們常可看到螳螂一對鉗子般的前足高舉在胸前，而由後面四條足支撐地面行走。

六足步行機器人的步態是多樣的，其中三角步態是六足步行機器人實現步行的典型步態。 “六足綱”昆蟲步行時，一般不是六足同時直線前進，而是將三對足分成兩組，以三角形支架結構交替前行。目前，大部分六足機器人採用了仿昆蟲的結構，6條腿分佈在身體的兩側，身體左側的前、後足及右側的中足為一 組，右側的前、後足和左側的中足為另一組，分別組成兩個三角形支架，依靠大腿前後划動實現支撐和擺動過程，這就是典型的三角步態行走法，如圖所示。圖中機器人的髖關節在水平和垂直方向上運動。此時，B、D、F 腳為擺動腳，A、C、E腳原地不動，只是支撐身體向前。由於身體重心低，不用協調Z向運動，容易穩定，所以這種行走方案能得到廣泛運用。

以用舵機作為自由度關節的機器人為例：

1.18個舵機（機器人關節）；

2.全身肢體結構；

3.動力（大電流放電電池如航模電池）；

4.航模電池平衡充和充電器一個；

5.舵機控制板一個（至少18路）；

6.還有一個作為自主控制或外部擴展的主控板（也就是各種單片機最小系統板和開發板）和配套下載模塊。

簡單來說，舵機控制板就是機器人的中樞神經，負責動作協調，另外的機器人主控就是大腦，負責處理外界信息，統一指揮，機器人擴展的感測器就是感官系統，負責接收外界信息。舵機控制板並不是機器人的核心，它只是負責控制舵機的模塊而已，功能再多也只能讓機器人跳跳舞啥的，想實現機器人智能化必須要添加另外的主控，也就是給機器人裝個大腦，什麼樣的主控呢：大家學的51，AVR，ARM單片機都可以作為機器人的主控，再在主控上添加各種感測器模塊就相當於給機器人安上了口鼻眼耳等等，這樣便初步形成了機器人的智能化框架

科學家最新研製的ATHLETE(全地形六足地外探測器)機器人對於未來月球基地建設和發展充當著至關重要的角色。

美國宇航局指出，ATHLETE 機器人頂部可放置15噸重的月球基地裝置，它可以在月球上任意移動，能夠抵達任何目的地。當在水平表面上時，ATHLETE機器人的車輪可加快行進速度；當遇到複雜的地形時，其靈活的6個爪子可以應付各種地形。

基於ATHLETE機器人的月球基地可直接由宇航員控制，也可由地球上的任務控制中心對其指揮。它更適合於成為一個自治型機器人月球基地，目前它正在接受測試。ATHLETE機器人採用了設計火星“勇氣號”和“機遇號”的編程軟體。

這個機器人移動的能量來源於太陽能電池板，最大行進速度可達到10公里/小時。雖然它的行進速度似乎有些慢，但能夠完全勝任周長僅11000公里的月球表面勘測(地球的周長為40000公里)。宇航員能夠生活在這種“游牧”型月球基地，隨意到達月球任意表面。

有望變身月球“移動堡壘”

目前，美國宇航局工程正在加州帕薩迪納( Pasadena)對兩個ATHLETE機器人原型進行測試。這項奇特的月球基地是美國宇航局勘測月球的一個重大技術變革，宇航員將控制這種“游牧”型機器人，在更廣闊的月球表面上進行勘測探索。據稱，ATHLETE機器人對月球勘測帶來更大的便利，在其爪子上安裝攝像儀可以拍攝視頻。

ATHLETE機器人不由地讓人們聯想起了科幻小說中的兩種新奇裝置，傑克·萬斯在1964年所著的《殺人機器》中描述了一種步行堡壘：這種步行堡壘的外型是一個蜈蚣狀怪物，76英尺長、12英尺高，這個機械裝置由18段構成，每段裝配著兩隻腿。

一旦美國宇航局將ATHLETE機器人部署在月球，並在未來的月球建設任務中投入使用，或許這種移動型月球基地將像一個“螃蟹堡壘”。這款機器人的移動方式，不由得聯想到羅伯特·海因萊因1940年所寫中篇小說《考文垂》(Coventry)中緩慢穩定移動的鋼鐵龜，它是由太陽能作為動力，爬行最高速度可達到6英里/小時