基于ADAMS的一種六足移動機器人的設(shè)計與研究

王佳佳， 唐雪梅， 何小龍

（西南科技大學(xué)智能機器人創(chuàng)新實踐班，四川綿陽621010）

基于ADAMS的一種六足移動機器人的設(shè)計與研究

王佳佳， 唐雪梅， 何小龍

（西南科技大學(xué)智能機器人創(chuàng)新實踐班，四川綿陽621010）

針對復(fù)雜環(huán)境對機器人的移動要求，提出了一種新型六足移動機器人的設(shè)計思想。設(shè)計了機器人的主要結(jié)構(gòu)，對該機器人的設(shè)計進行闡述，并分析了其越障構(gòu)態(tài)的變化特點。用靜力學(xué)方法對機器人進行了越障理論分析，建立了六足機器人參數(shù)化模型，經(jīng)ADAMS對機器人進行機構(gòu)運動仿真，獲得了機器人運動學(xué)特性曲線，為機器人總體系統(tǒng)設(shè)計與數(shù)值計算提供了參考依據(jù)。

腿式機構(gòu)；越障；性能分析；ADAMS

0 引言

移動機器人在航天、救災(zāi)、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，常見的移動機器人可分為輪式、腿式和履帶式3種，這3種型式都有各自的特點。輪式機構(gòu)具有良好的機動性，履帶式機構(gòu)具有動載荷小、地形適應(yīng)能力強的優(yōu)點。輪、履式機器人由于結(jié)構(gòu)簡單、容易控制，并且輪、履驅(qū)動方式技術(shù)成熟，一直是機器人研究的主要方向［1］。但是足式移動機構(gòu)具有輪式和履帶式移動機構(gòu)所沒有的優(yōu)點,足式機器人的足具有大量的自由度，使機器人可以相對容易地跨過較大的障礙，由于足式機器人運動靈活，使其具有較強的環(huán)境適應(yīng)能力。目前國內(nèi)外已經(jīng)研究出了很多腿式機器人，例如：美國University of Michigan、UC Berkeley和加拿大McGill University共同研制的RHex仿生蟑螂機器人；俄羅斯研制的六腿探測機器人NMIIIA；德國研制的BISAM四足步行機器人；哈工大研制的復(fù)合運動模式四足機器人；上海交通大學(xué)研制的四足機器人JTUWM-III等。

傳統(tǒng)的足式移動機器人往往存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、車體重量大、移動速度慢等缺點，本文提出的一種新型六足移動機器人采用了對稱式結(jié)構(gòu)，兼有體積小、移動速度快、越障能力強等特點。對該機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行闡述，用靜力學(xué)方法對機器人進行了機構(gòu)分析。通過ADAMS進行機構(gòu)運動仿真，實現(xiàn)了機器人前進、后退、越障等多種運動方式，可為提高機器人的機構(gòu)系統(tǒng)和復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力提供了理論依據(jù)，便于機器人進一步地優(yōu)化設(shè)計與分析研究。

1 機器人機械結(jié)構(gòu)分析

新型六足移動機器人的機械本體如圖1，采用對稱結(jié)構(gòu)，由機身和兩組結(jié)構(gòu)相同的腿式機構(gòu)構(gòu)成。腿式機構(gòu)由一個曲柄桿、3個腿桿和3個連桿組成，各系桿間通過轉(zhuǎn)動副連接。機器人單側(cè)腿式機械部分機構(gòu)簡圖如圖2所示，由電機帶動曲柄轉(zhuǎn)動實現(xiàn)步足的往復(fù)起落。按契貝謝夫平面機構(gòu)自由度計算公式F=3n-2pl-ph，機器人單側(cè)腿部機構(gòu)系統(tǒng)共7個活動構(gòu)件，10個平面低副，沒有平面高副，得出腿部起落機構(gòu)自由度為F=1，所以由一個電機帶動機器人單側(cè)腿部機構(gòu)運動。整個機器人由兩個電機分別帶動兩側(cè)腿式機構(gòu)，實現(xiàn)機器人的整體運動。

圖1 六足移動機器人結(jié)構(gòu)圖

圖2 機器人腿部機構(gòu)簡圖

2 機器人越障過程的描述

機器人在復(fù)雜環(huán)境中行進，會遇到各式各樣的障礙物。這些障礙物可以抽象地分為斜坡、臺階、凸臺、壕溝、樓梯等5種類型，其中臺階式障礙（即垂直障礙）最為典型［2］。針對臺階式障礙進行分析，六足機器人越障過程分為三步，即前足越障、中足越障、后足越障。越障高度由車體和腿式機構(gòu)協(xié)同作用決定。從本質(zhì)上看，該六足機器人模仿的是“六足綱”昆蟲，這類昆蟲之所以能在地面上快速行進，主要是依靠其采用的三角步態(tài)，即在步行時把6只足分為呈三角形分布的兩組，一組為支撐相，另一組則為運動相，兩組交替，始終保證一組支撐蟲體，而另一組使蟲體前移，通過兩組交替地擺動和支撐，實現(xiàn)昆蟲的快速運動［3］。六足移動機器人正是基于這一仿生運動原理，依靠腿的協(xié)調(diào)動作來保持機身平穩(wěn)從而適應(yīng)復(fù)雜地形，機器人越障過程如圖3。

圖3 機器人翻越臺階過程分析圖

3 機器人理論分析

首先，對機器人前足越障性能進行分析計算，如圖4所示。

圖4 前足分析圖（足根位于最高處）

前足運動時，車板離地面的最小距離 hmin對應(yīng)足長 c2的關(guān)系為：

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系得各尺寸間的關(guān)系為：

圖5 前足分析圖（足根位于最低處）

圖6 中足分析圖

中足不容易找出極限位置，于是采用解析法進行運動分析，求解出點S（x，y）的運動方程，如圖6所示。

根據(jù)各構(gòu)件位移矢量圖，可寫出位移矢量方程的兩種形式為：

圖7 中足矢量圖

應(yīng)用歐拉公式將式（7）的實部與虛部分離得：

先將l2相關(guān)項移至等號左邊，等號兩邊取幅值即可消去φ3而求得φ2，并將a和l2的相關(guān)項作為整體leiφ1-lei0= leiφ看待，先求l和φ，該矢量是由C→D的矢量，則：

原位移矢量方程變?yōu)椋?/p>

等號兩邊取模得：

以機構(gòu)實際工作情況確定此式中的±號。

機器人后足越障性能與前足越障性能相同，后足越障分析參照前足越障分析。

4 機器人ADAMS仿真運動分析

應(yīng)用Pro/E軟件設(shè)計了1∶1的實體模型，導(dǎo)入ADAMS中對機器人進行機構(gòu)運動仿真，臺階障礙高度都設(shè)定為50 mm。通過仿真不僅可以真實模擬機器人行進越障過程，同時對模型的參數(shù)化修改也將實現(xiàn)機器人結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，從而指導(dǎo)機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)改進的設(shè)計，仿真越障過程如圖8（a）～（h）。最后進行綜合評價與優(yōu)化，得到了相對較優(yōu)的設(shè)計方案，優(yōu)化后的整車模型參數(shù)為：500 mm× 265 mm×140 mm。

六足移動機器人仿真中成功完成了下臺階、上臺階越障過程，如圖8所示。并且得到了車體質(zhì)心運動學(xué)曲線，如圖9中（a）、（b）、（c）分別為機器人車體質(zhì)心的位移、速度、加速度曲線，表示在外載荷作用下，機器人在臺階障礙且不受任何控制時，主車體的位姿的變化。

圖8 機器人跨越臺階運動仿真過程圖

5 結(jié)論

設(shè)計了一種六足移動機器人，對機器人進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析計算。通過虛擬樣機軟件ADAMS對機器人模型進行了仿真分析，實現(xiàn)了機器人上下臺階的功能，驗證了機器人較強的越障能力和環(huán)境適應(yīng)能力。通過ADAMS內(nèi)部強大的測量和曲線分析功能，獲得了機器人的運動學(xué)性能參數(shù)，為機器人的設(shè)計、優(yōu)化與運算控制提供了參考數(shù)據(jù)。上述結(jié)果可為提高機器人的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力提供理論依據(jù)，為下一步的深入開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

圖9 機器人車體質(zhì)心運動學(xué)曲線

［1］ 崔星，許耀鵬，李思齊.四腿機器人步態(tài)控制與仿真研究［J］.微計算機信息，2007，7（20）：205－206.

［2］ 田海波，方宗德，古玉鋒.輪腿式機器人越障動力學(xué)建模與影響因素分析［J］.機器人，2010，5（3）：390-397.

［3］ 羅慶生，韓寶玲，毛新，等.新型仿生六足機器人運動控制技術(shù)的研究與探索［J］.機械設(shè)計與研究，2006，22（2）：17-21.

［4］ 喬鳳斌，楊汝清.六輪移動機器人爬樓梯能力分析［J］.機器人，2004，26（4）：289-294.

［5］ 黃博，王鵬飛，孫立寧.復(fù)合運動模式四足機器人機構(gòu)設(shè)計及分析［J］.機械設(shè)計與研究，2006，22（5）：49-53.

［6］ 鄭建榮.ADAMS虛擬樣機技術(shù)入門與提高［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002：1-3.

［7］ Siegwart R，Lamon P，Estier T，et al.Innovative Design for Wheeled Locomotion in Rough Te Rrain［J］.Journal of Robotics and Autonomous Systems，2002，40：151-162.

［8］ Tunstel E，Huntsberger T，Aghazarian H，et al.Fido Rover Field Trials as Rehearsal for the Nasa 2003 Mars Exploration Rovers Mission［C］//Proceeding of 5th Biannual World Automation Congress，2002：320-327.

［9］ VNIITRANMASH.Specimens of Space TechNology，Earthbased Demonstrators of Planetary Rover，Running Mock-ups［R］.Russian Mobile Vechicle Engineering Institute Research Research Report，2002：10-31.

（編輯立 明）

Design and Research of the Six-legged Adaptive Mobile Robot Based on the ADAMS

WANG Jiajia,TANG Xuemei,HE Xiaolong
（School of Intelligent Robot Innovation Practice Class,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China）

According to the requirement of the motion of mobile robot in complex environment,the design thought of a new six-legged robot is made.The principal structure of the robot was designed and elaborated,and the change characteristics of the obstacle configuration was analyzed.A theoretical analysis of the robot obstacle navigation was presented by static method.The parametric models of the six-legged mobile robots and obstacles were built and the surmounting analysis of mobile robot was carried out,the dynamic characteristic curves of each body and whole body of the robot are eventually acquired,which provide theoretical foundation for design and numerical computation of the robot structure.

leg structure;obstacle crossing;performance analysis;ADAMS

TP 242

A

1002－2333（2014）05－0092－03

王佳佳（1992—），女，在讀本科生，從事機構(gòu)與虛擬樣機學(xué)習(xí)研究。

2014-03-06