在过去的十年里，多轴无人机已经成为研究机构和消费者的宠儿。无人机可以提供很多特殊的效用，被广泛应用于搜索救援、灾区援助、环境保护和监测等领域。在这些领域中，无人机通过人工或者自动的形式获取航拍图像。但是作为空中飞行器，无人机通常不具备地面的机动能力。而在某些特殊情况下需要这种能力，比如经过烟雾浓郁或灰尘密度高的区域，不利于飞行的封闭空间，以及需要在坠机后保持移动。多足无人机可以飞到较远的区域，比如大型仪器及设备的顶部，在那里它可以完成着陆，并通过步行进行近距离的检查任务。多足无人机能够像机器人一样在地面进行全方位的移动，六只脚同时着地可以保持机器人稳定，通过步态选择来提高运动速度和稳定性，腿部可以进行独立的控制进行周期性运动。六足机器人非常适合在不平坦的户外环境中穿越有障碍物的地形。
随着科技的发展，对无人机及多足机器人的研究越来越多[1-2]，但是结合步行飞行两种功能的机器人研究较少。本文对六足飞行机器人整体结构进行设计。为使机器人结构最优化，通过将飞行硬件嵌入具有三个关节的腿部，以最小的结构复杂性使机器人具备飞行及行走能力。
1 伺服电机及基本结构设计
伺服系统可以提供有效的诊断信息，包括伺服速度、温度、轴位置、电压和负载转矩，这将有助于机器人在行走和飞行时自动监控状态。六足机器人通常使用MX-28电机，与之相比， AX-12A电机价格较低，重量也比之轻17g，因此对于飞行机器人来说，AX-12A可以有效减小飞行重量，性价比更为理想。AX-12A可以提供15.3kg·cm的失速扭矩，虽然比MX-28和其他Dynamixel系列中的伺服电机要小，但这也足以满足本设计中机器人的需求。
机器人的六条机械腿分别设计三个自由度，使其具有全方位的行走能力。由于腿部自由度的增加会造成不必要的复杂性，而且也会增加机器人的重量，降低续航时间，因此三个自由度是最佳选择。腿部关节方向相同，身体尺寸和腿的跨度通过其他特征进行设计。腿的长度根据螺旋桨的选择进行设计，保证螺旋桨与机身及螺旋桨之间不会干涉。
螺旋桨的长度和螺距主要取决于抬升机器人所需的推力及飞行器的轴数，根据顺时针和逆时针螺旋桨对转矩的抵消效应，飞行器的轴数在四轴和六轴两个之间进行选择，四轴或六轴的设计符合最简单的飞行力学和软件控制。考虑到18个AX-12A腿部伺服电机以及6个升力电机，2组电池，以及硬件框架，机器人的最终重量控制在4.8kg左右。如果采用四翼飞行器需要最小推力为1.2kg/轴，采用六翼飞行器则需要最小推力为0.8kg/轴。完整的推进装置包括螺旋桨、推力电机和用于驱动电机的电子速度控制器（ESC）。对于小型飞行器来说，通常采用长度较短的固定式螺旋桨，而对于大型飞行器，则需要采用更大间距的螺旋桨。
除了抬升装置外，螺旋桨尺寸和步行时进行折叠隐藏的是制约机器人硬件系统的最关键因素。将每轴的推力估计数与现有推进装置的推力能力相比较，可以采用能够购买到的六轴式330mm螺旋桨和四轴式430mm螺旋桨。为了防止干涉和失去推力，飞行硬件必须嵌在机械腿上，且距离机身不超过螺旋桨一半的长度。四轴式430mm螺旋桨能更好的的符合不干涉的设计条件，因此采用四轴的结构。
机器人的设计重点是将推升电机安装在胫骨内侧，螺旋桨可以折叠和限制在股骨段，股骨和胫骨的部分需设计为可以让机器人在不撞击螺旋桨的情况下行走。通用四轴飞行器以“X”形设计，使用前两条腿和后两条腿（摆动腿）作为螺旋桨的结合腿，中间两条腿（支撑腿）作为起飞和降落的支柱。
2 螺旋桨及腿设计
为了保证行走及飞行的灵活性，把螺旋桨与摆动腿结构设计为一体式的可折叠结构，由于将飞行硬件与摆动腿合并是本设计关键一环。
为了使机器人在行走和飞行模式之间进行转换，将股骨设计为中空分叉结构，使胫骨能够在其之间旋转。股骨中空区域的间隙要能够使摆动腿电机和传感器通过，不影响其在股骨间自由旋转。股骨另一端直接连接伺服电机。
六足四翼机器人的两个中间支撑腿没有嵌入飞行硬件，支撑腿在飞行模式下可变换为平行地面姿态，支撑机器人的起飞及平稳着路。由于没有飞行硬件，因此股骨段设计为一节式结构，提高扭转性。
3 机身设计及组装
机器人的结构既要满足强度要求，又要考虑机身的重量及耐久性，因此对机器人的结构件采用ABS材料制造。同时，采用三维制图软件对机器人的整体结构进行详细设计，以保证在满足强度的条件下获得最轻质的结构。
设置六个连接机械腿的连接体，用于安装伺服机构，连接相机等其他硬件装置。设计六个上下贯通的结构以方便腿部及框架的线路通过。两个孔用于放置电源开关，框架中心用于放置锂电池，两个串联电池为22.2V。
将机械腿安装到框架，腿部伺服电线和ESC电线布置在机身下面，红外传感器线和ESC数据线由机身预留的通道连接到机身的上部。其他由通道连接到框架上部的电线还包括激光距离传感器线、配电板I2C连接线、伺服数据线和提供给ODROIDC1+的5V电压的电源线。将逻辑级电路安装于机身上部。
4 结论
从机器人本体出发，对机器人基本结构进行设计，包括伺服电机的选择，考虑机器人可折叠性，将飞行硬件嵌入摆动腿中，将支撑腿设计飞行状态下可转变为起落架的结构，最大限度的减小了机器人的结构复杂度，保证机器人的最大灵活性。此外，为了使机器人的外形更加美观，还进行了大量的后期设计工作，包括采用了设计圆角边缘，以及实现腿部的智能布线和保护装置的简易性。
参考文献
[1] 郑波, 汤文仙. 全球无人机产业发展现状与趋势[J].军民两用技术与产品, 2014, 08: 8-11.
[2] Vincross. 全地形六足机器人HEXA将亮相CES 2017.电脑与电信[J],2016(12):1.
