基于ADAMS的雙足機(jī)器人建模仿真方法

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(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，地震、火災(zāi)等自然災(zāi)害救援受到越來(lái)越多人的關(guān)注，而現(xiàn)有的交通工具受應(yīng)用場(chǎng)合限制，在救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)很難發(fā)揮更大的作用，人類對(duì)交通工具有了更高的要求。此外，隨著機(jī)器化大生產(chǎn)的出現(xiàn)，機(jī)器人在提高生產(chǎn)力方面也發(fā)揮著不可替代的作用[1]。

首先結(jié)合對(duì)人的腿部關(guān)節(jié)及肌肉運(yùn)動(dòng)的生理分析，設(shè)計(jì)了十六自由度小型雙足機(jī)器人?；贒-H方法和ZMP穩(wěn)定約束構(gòu)建數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，進(jìn)而求得機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解。其次，在SolidWorks中建立雙足機(jī)器人的三維幾何模型，并導(dǎo)入到ADAMS中，建立機(jī)器人的虛擬原理樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。

1 雙足機(jī)器人三維模型繪制

SolidWorks是專業(yè)的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，擅長(zhǎng)建立精確的三維幾何模型，并可以編輯材料、測(cè)量質(zhì)量[2-4]。自1995年問(wèn)世以來(lái)，以其優(yōu)越的性能極大地提高了機(jī)械工程師的設(shè)計(jì)效率，成為三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的典范。建立雙足機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型的過(guò)程如下：

(1)首先繪制每個(gè)零件的草圖，再通過(guò)拉伸、切除等操作繪制出三維模型，零件模型如圖1所示，分別為U型支架、舵機(jī)、舵盤、腳板、手和云臺(tái)支架。

圖1 零件模型

(2)設(shè)置各零件間的位置配合關(guān)系，組裝成機(jī)器人三維模型，使其為站立姿勢(shì)，即雙足機(jī)器人的初始位姿，如圖2所示。

2 建立ADAMS機(jī)器人虛擬樣機(jī)

ADAMS即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析，是美國(guó)機(jī)械動(dòng)力公司開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。它提供直接面向用戶的基本操作對(duì)話環(huán)境和虛擬樣機(jī)分析的前處理功能，可實(shí)現(xiàn)樣機(jī)建模、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行函數(shù)、程序接口和其它輔助功能等。虛擬樣機(jī)建立過(guò)程如下：

(1)利用SolidWorks和ADAMS的接口模塊Mechanical/pro將模型導(dǎo)入ADAMS；

(2)在ADAMS中繪制地板和樓梯；

(3)對(duì)各零件添加運(yùn)動(dòng)副；

(4)添加各關(guān)節(jié)間的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)；

(5)設(shè)置材料密度、重力、摩擦因數(shù)等參數(shù)；

(6)建立機(jī)器人雙腳和地面之間的接觸模型，添加摩擦力。ADAMS虛擬樣機(jī)如圖3所示。此虛擬樣機(jī)模型共包括74個(gè)零件、38個(gè)固定副、17個(gè)旋轉(zhuǎn)副和左右腳與樓梯及地面間的接觸。

圖2 組裝機(jī)器人三維模型

圖3 ADAMS機(jī)器人虛擬樣機(jī)

圖4 ADAMS虛擬樣機(jī)在Simulink中的模型

3 建立雙足機(jī)器人虛擬樣機(jī)控制系統(tǒng)

利用ADAMS/Controls模塊把Matlab控制系統(tǒng)連接到ADAMS機(jī)器人虛擬樣機(jī)驅(qū)動(dòng)中，如圖4所示為ADAMS虛擬樣機(jī)在Matlab/Simulink中的模型。在Matlab中根據(jù)ZMP經(jīng)典理論、D-H算法及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5-6]，計(jì)算出機(jī)器人上樓梯過(guò)程中各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角與機(jī)器人位姿的關(guān)系，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊NN Predictive Controller模塊建立機(jī)器人控制系統(tǒng),如圖5，以機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角為輸入變量、軀干傾斜角為輸出變量，實(shí)現(xiàn)ADAMS與Matlab的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換并進(jìn)行仿真[7-8]，仿真結(jié)果如圖6。

圖5 機(jī)器人控制系統(tǒng)

圖6 機(jī)器人虛擬樣機(jī)上樓梯仿真圖

4 仿真結(jié)果分析

利用ADAMS/PostProcessor模塊分別繪制軀干和兩腳踝的運(yùn)行軌跡，結(jié)果如圖7，兩腳踝呈規(guī)律性前進(jìn)，軀干前后波動(dòng)以保持平衡。兩腳踝X、Y、Z3個(gè)方向的位移-時(shí)間圖像，如圖8～圖10。由此可見(jiàn)，機(jī)器人行走過(guò)程中有輕微抖動(dòng)，但整體較平穩(wěn)，此控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人上樓梯步態(tài)規(guī)劃，可以應(yīng)用在工程實(shí)踐中，有利于實(shí)際生產(chǎn)中降低成本、優(yōu)化樣機(jī)。

圖7 虛擬樣機(jī)軀干和腳踝運(yùn)動(dòng)軌跡

圖8 機(jī)器人腳踝X方向位移

圖9 機(jī)器人腳踝Y方向位移

圖10 機(jī)器人腳踝Z方向位移

5 結(jié)語(yǔ)

該方法首先用三維制圖軟件SolidWorks建立機(jī)器人的三維幾何模型，然后導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，建立機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)虛擬原理樣機(jī)。再應(yīng)用專業(yè)控制仿真軟件Matlab進(jìn)行機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真，通過(guò)ADAMS/Controls接口模塊，建立起與機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信管道，實(shí)現(xiàn)高精度的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。同時(shí)，無(wú)需在物理樣機(jī)上反復(fù)試驗(yàn)，大大提高了工作效率，節(jié)約了成本。

參 考 文 獻(xiàn)

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