六足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真研究

陳瑞曉

摘 要：針對(duì)在崎嶇路面行走的六足機(jī)器人，本文利用Adams軟件建立其剛體動(dòng)力學(xué)模型，模擬運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)力學(xué)變化，分析不同工況對(duì)六足機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的影響，得到前腿、中腿的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的形狀相似性，明確落地等因素對(duì)關(guān)節(jié)的影響，為六足機(jī)器人的后續(xù)研究提供一定依據(jù)。

關(guān)鍵詞：六足機(jī)器人;動(dòng)力學(xué);仿真

中圖分類號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）17-0011-02

Study on Dynamics Simulation Hexapod Robot

CHEN Ruixiao

（Pingdingshan Technician College，Pingdingshan Henan 467000）

Abstract： Aiming at the hexapod robot walking on the rough road， this paper used Adams software to establish its rigid body dynamics model， simulated the dynamic changes during the motion， and analyzed the influence of different working conditions on the hexapod robot joint driving torque， and obtained the shape similarity of the hip， knee and ankle joints of the front legs and middle legs， and clarified the impact of the landing and other factors on the joints， which provided a certain basis for the subsequent research of the hexapod robot.

Keywords： hexapod robot;dynamics;simulation

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)水平和自動(dòng)化制造水平的逐漸提高，人工智能成為當(dāng)今社會(huì)的研究熱點(diǎn)，使得機(jī)器人技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展。在不同運(yùn)動(dòng)方式中，足式機(jī)器人具有多接觸點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)非連續(xù)性等特點(diǎn)，增強(qiáng)了其對(duì)地面的適應(yīng)能力，提高了運(yùn)動(dòng)范圍，因此足式機(jī)器人在復(fù)雜工作環(huán)境中具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性和控制系統(tǒng)的研究具有深遠(yuǎn)意義[1]。尤其是六足機(jī)器人的足端具有非連續(xù)性運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，即某條腿在出現(xiàn)故障時(shí)依然可以完成運(yùn)動(dòng)過程，另外可以采用不同的運(yùn)動(dòng)步態(tài)完成不同路面的行走[2]。因此，對(duì)六足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的研究可以為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)。

1 建立六足機(jī)器人的Adams模型

六足機(jī)器人的三維模型較為復(fù)雜，而本文只是研究機(jī)器人在行走過程中的動(dòng)力學(xué)問題，因此其實(shí)際結(jié)構(gòu)可以做一定簡(jiǎn)化，保留機(jī)器人的幾何參數(shù)。另外，機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)采用SolidWorks軟件進(jìn)行建模，在建立SolidWorks三維模型時(shí)，要做出關(guān)于機(jī)器人的相關(guān)假設(shè)[3]：六足機(jī)器人的每個(gè)構(gòu)件都為剛體部件，不考慮彈性變形和柔性形變等影響;六足機(jī)器人的支撐腿部足端和地面接觸具有足夠大的摩擦力，支撐腿部和地面之間不存在相對(duì)滑動(dòng)等現(xiàn)象;六足機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為理想狀態(tài)，無延遲現(xiàn)象的發(fā)生;在行走過程中，六足機(jī)器人關(guān)節(jié)和液壓缸之間的摩擦均忽略。

根據(jù)功能需求，建立機(jī)器人的三維模型，并在Adams軟件中打開，得到仿真模型，如圖1所示。六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)主要依靠關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，因此還需要添加約束和驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)約束共有18個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，其中有12個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副在xz平面內(nèi)，其余6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副在xy平面內(nèi)。通過規(guī)劃每個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度來進(jìn)行仿真，將變量設(shè)定為運(yùn)動(dòng)函數(shù)，設(shè)定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。機(jī)器人足端和地面之間設(shè)定一定大小的摩擦力，并且添加相應(yīng)的接觸力，限定地面的剛度等特征參數(shù)，通過虛擬仿真分析其物理特性和基本特性，為后期結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化提供一定幫助。

2 六足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真

六足機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析是對(duì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行建模和計(jì)算，因此這里通過機(jī)器人腿部髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩對(duì)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，調(diào)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)峰值扭矩，提高六足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

首先，六足機(jī)器人不同腿部髖關(guān)節(jié)的扭矩關(guān)系呈現(xiàn)部分相同的趨勢(shì)，其分別在支撐腿和擺動(dòng)腿兩個(gè)類別中具有相同的變化規(guī)律，其中會(huì)有不同的波動(dòng)，因?yàn)闄C(jī)器人重心位置的不同會(huì)影響腿部關(guān)節(jié)扭矩。機(jī)器人髖關(guān)節(jié)的扭矩相對(duì)較小，最大的尖峰為600 N·mm。進(jìn)一步分析可以得知，髖關(guān)節(jié)主要用于完成腿部的擺動(dòng)功能，在作為支撐腿時(shí)，機(jī)器人腿部的髖關(guān)節(jié)主要受到彎矩的作用，對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)的損壞影響不大。

其次，重點(diǎn)對(duì)六足機(jī)器人腿部的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行仿真，得到六足機(jī)器人腿部膝關(guān)節(jié)單周期扭矩曲線，如圖2所示。

由圖2可知，六足機(jī)器人不同腿部膝關(guān)節(jié)的扭矩關(guān)系呈現(xiàn)部分相同的趨勢(shì)，其分別在支撐腿和擺動(dòng)腿兩個(gè)類別中具有相同的變化規(guī)律，即驗(yàn)證了相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但是，在步態(tài)改變的過程中，機(jī)器人左、右中腿的扭矩變化時(shí)間極短，扭矩曲線呈恒定數(shù)值的直線狀態(tài)，而前腿和后腿的膝關(guān)節(jié)在步態(tài)改變時(shí)則逐漸變化，扭矩曲線具有一定的斜率;另外會(huì)有不同的波動(dòng)，原因是機(jī)器人重心位置的不同和過程慣性力的變化等因素影響腿部關(guān)節(jié)的扭矩。對(duì)比可以看出，機(jī)器人膝關(guān)節(jié)的扭矩主要支撐機(jī)器人的重量，相對(duì)髖關(guān)節(jié)數(shù)值較大，最大的尖峰為16 000 N·mm，約為髖關(guān)節(jié)峰值扭矩的25倍。進(jìn)一步分析可以看出，機(jī)器人腿部的膝關(guān)節(jié)主要承受的是機(jī)器人的重量，在作為擺動(dòng)腿時(shí)，機(jī)器人腿部的膝關(guān)節(jié)扭矩基本為零，而在足端接觸地面，將其作為支撐腿時(shí)，機(jī)器人腿部的膝關(guān)節(jié)會(huì)受到扭矩的沖擊，因此扭矩突變的數(shù)值大小影響機(jī)器人的穩(wěn)定性。

最后，六足機(jī)器人不同腿部踝關(guān)節(jié)的扭矩關(guān)系與膝關(guān)節(jié)相似，不同的是，機(jī)器人踝關(guān)節(jié)所承受的扭矩約為髖關(guān)節(jié)峰值扭矩的15倍，同時(shí)踝關(guān)節(jié)的扭矩和膝關(guān)節(jié)的扭矩方向具有相反特點(diǎn)，滿足機(jī)器人動(dòng)力平衡的約束條件。

3 結(jié)語

本文在Adams軟件中建立六足機(jī)器人的仿真模型，添加對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)約束和運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，分析不同工況對(duì)六足機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的影響，闡述前腿、中腿的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的形狀相似性，研究了落地等因素對(duì)關(guān)節(jié)的影響，進(jìn)一步驗(yàn)證了該步態(tài)的可行性和合理性，為機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳杰.六足機(jī)器人非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的擺動(dòng)腿運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[2]牛永超.基于CPG的六足機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制方法的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

[3]張煥.六自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真[D].西安：西安理工大學(xué)，2004.