基于虛擬樣機(jī)的多足行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與步態(tài)規(guī)劃*

張 蔚，喬生紅

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164）

0 引言

與輪式、履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比，采用多足機(jī)構(gòu)作為行走部的仿生機(jī)器人具有更多的自由度，對(duì)復(fù)雜路況路面的強(qiáng)適應(yīng)性，使其尤為適合在復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行對(duì)自主性、可靠性要求比較高的任務(wù)[1-3]。

在多足行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一項(xiàng)重要的工作內(nèi)容是選擇合理的機(jī)構(gòu)方案，并完成整體機(jī)構(gòu)模型設(shè)計(jì)；另一項(xiàng)重要工作是基于開(kāi)發(fā)的步行機(jī)構(gòu)，完成運(yùn)動(dòng)步態(tài)的規(guī)劃，尤其是基礎(chǔ)步態(tài)的控制邏輯設(shè)計(jì)[4-5]。

在一般本科或高職機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程中，由于學(xué)生在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面缺乏較為深入的理論認(rèn)知，在設(shè)計(jì)階段對(duì)方案的設(shè)計(jì)驗(yàn)證開(kāi)展得并不充分，往往是基于實(shí)物樣機(jī)階段在進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)迭代。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以很好地解決上述問(wèn)題。一方面，基于CAD/CAE平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)建模；另一方面，通過(guò)虛擬樣機(jī)模型的仿真，能夠快速發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)目標(biāo)之間存在的偏差并通過(guò)參數(shù)化方式實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整，大大提高了實(shí)物樣機(jī)開(kāi)發(fā)的成功率[6-8]。

本文針對(duì)多足行走機(jī)構(gòu)首先開(kāi)展了整體機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)以及基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)步態(tài)規(guī)劃，隨后借助Solidworks軟件建立了相應(yīng)的虛擬樣機(jī)模型并開(kāi)展了運(yùn)動(dòng)步態(tài)的仿真校驗(yàn)，最終指導(dǎo)完成了實(shí)物樣機(jī)的開(kāi)發(fā)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 多足行走機(jī)構(gòu)足數(shù)

按照行走足的數(shù)量，多足機(jī)器人可分為雙足、四足、六足、八足等形式。理論上看，多足機(jī)器人只需要和地面有3個(gè)獨(dú)立的接觸點(diǎn)，就能夠保持靜平衡?？紤]到在行走中任何時(shí)刻都需要有3個(gè)穩(wěn)定的支點(diǎn)，因此一般多足機(jī)器人需要4個(gè)以上的足。因此，四足和六足機(jī)器人為目前較為主流的設(shè)計(jì)方案[8-9]。

相對(duì)而言，足的數(shù)量越多，穩(wěn)定性越好，六足機(jī)器人在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有一定冗余性，但能夠獲得比四足機(jī)器人更高的穩(wěn)定性。因此，本文選用六足設(shè)計(jì)方案。

1.2 足關(guān)節(jié)自由度

從多足機(jī)器人各足運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)性來(lái)看，一般可分為運(yùn)動(dòng)耦合式和運(yùn)動(dòng)獨(dú)立式。運(yùn)動(dòng)耦合式的多足機(jī)器人將足分為若干組，每組中各足通過(guò)平面連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)耦合，大大減少運(yùn)動(dòng)自由度和設(shè)計(jì)復(fù)雜程度；但其運(yùn)動(dòng)靈活程度大打折扣，且通常無(wú)法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向。運(yùn)動(dòng)獨(dú)立式的多足機(jī)器人每個(gè)足都具有多個(gè)（通常為2或3）運(yùn)動(dòng)自由度，可以實(shí)現(xiàn)各足間的獨(dú)立控制，大大提高了運(yùn)動(dòng)靈活程度，但相應(yīng)的控制策略也更為復(fù)雜。本文選用運(yùn)動(dòng)獨(dú)立式的技術(shù)方案，每足采用3自由度設(shè)計(jì)。

根據(jù)上述機(jī)構(gòu)方案，最終設(shè)計(jì)六足行走機(jī)構(gòu)三維模型如圖1所示。整體機(jī)構(gòu)呈對(duì)稱布置，各足具有3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度（胯關(guān)節(jié)AU、胯關(guān)節(jié)AL和膝關(guān)節(jié)AT），共計(jì)18個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。

圖1 六足行走機(jī)構(gòu)三維模型

2 步態(tài)規(guī)劃

六足行走機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)步態(tài)主要包括直行和轉(zhuǎn)向，各種行動(dòng)策略均可采用直行步態(tài)和轉(zhuǎn)向步態(tài)的組合實(shí)現(xiàn)。

2.1 直行步態(tài)

六足行走機(jī)構(gòu)直行步態(tài)的策略，是將6條足分為2組，其中，1、3、5足為第一組，2、4、6足為第二組，兩組足分時(shí)前進(jìn)。具體動(dòng)作過(guò)程如下。

（1）初始狀態(tài)：6條足均處于相同的初始狀態(tài)，6條足均落地。

（2）第一組足抬起：1、3、5足抬起，可通過(guò)胯關(guān)節(jié)AL或膝關(guān)節(jié)AT的單獨(dú)或耦合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)；此時(shí)整個(gè)多足行走機(jī)構(gòu)依靠2、4、6三足支撐，安裝平臺(tái)中心未產(chǎn)生位移，如圖2所示。

圖2 1、3、5足抬起

（3）第一組足前移：1、3、5足在持續(xù)抬起狀態(tài)下，沿前進(jìn)方向移動(dòng)。當(dāng)前進(jìn)方向?yàn)?足方向時(shí)，1足通過(guò)膝關(guān)節(jié)AT1動(dòng)作繼續(xù)抬起，3足、5足通過(guò)胯關(guān)節(jié)AU動(dòng)作向同步前移動(dòng)，如圖3所示。

圖3 1、3、5足前移

（4）第一組足落地：1、3、5足重新落回地面，通過(guò)胯關(guān)節(jié)AL動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)機(jī)構(gòu)重新回到六足支撐狀態(tài)；同時(shí)，1、3、5足落地點(diǎn)之間的相對(duì)位置與初始狀態(tài)基本一致，但相對(duì)2、4、6足和安裝平面的位置發(fā)生前移，如圖4所示。

圖4 1、3、5足落地

（5）第一足復(fù)位、第二組足抬起：1、3、5足各關(guān)節(jié)動(dòng)作回復(fù)初始狀態(tài)，2、4、6足通過(guò)胯關(guān)節(jié)AL或膝關(guān)節(jié)AT的單獨(dú)或耦合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)抬起；此時(shí)整個(gè)多足行走機(jī)構(gòu)依靠1、3、5三足支撐，并在1、3、5足復(fù)位過(guò)程中，安裝平臺(tái)中心產(chǎn)生位移，如圖5所示。

圖5 1、3、5足復(fù)位，2、4、6足抬起

隨后第二組足重復(fù)上述第一組足的動(dòng)作，兩組足交替動(dòng)作實(shí)現(xiàn)前行。

2.2 轉(zhuǎn)向步態(tài)

六足行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向步態(tài)的策略，同樣是將6條足分為兩組，兩組足分時(shí)前進(jìn)。具體動(dòng)作過(guò)程如下。

（1）第一組足抬起：1、3、5足抬起，可通過(guò)胯關(guān)節(jié)AL或膝關(guān)節(jié)AT的單獨(dú)或耦合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)；此時(shí)整個(gè)多足行走機(jī)構(gòu)依靠2、4、6三足支撐，安裝平臺(tái)中心未產(chǎn)生位移，同圖2所示。

（2）第一組足旋轉(zhuǎn)：1、3、5足在持續(xù)抬起狀態(tài)下，沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)。通過(guò)胯關(guān)節(jié)AU的同步動(dòng)作，3條足旋轉(zhuǎn)過(guò)相同角度，如圖6所示。

圖6 1、3、5足旋轉(zhuǎn)

（3）第一組足落地：1、3、5足重新落回地面，通過(guò)胯關(guān)節(jié)AL動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)機(jī)構(gòu)重新回到六足支撐狀態(tài)；同時(shí)，1、3、5足落地點(diǎn)之間的相對(duì)位置與初始狀態(tài)基本一致，但相對(duì)2、4、6足和安裝平面的位置發(fā)生旋轉(zhuǎn)，如圖7所示。

圖7 1、3、5足落地

（4）第一組足復(fù)位、第二組足抬起：1、3、5足各關(guān)節(jié)動(dòng)作回復(fù)初始狀態(tài)，2、4、6足通過(guò)胯關(guān)節(jié)AL或膝關(guān)節(jié)AT的單獨(dú)或耦合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)抬起；此時(shí)整個(gè)多足行走機(jī)構(gòu)依靠1、3、5三足支撐，并在1、3、5足復(fù)位過(guò)程中，安裝平臺(tái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，如圖8所示。

圖8 1、3、5足復(fù)位，2、4、6足抬起

隨后第二組足重復(fù)上述第一組足的動(dòng)作，經(jīng)過(guò)若干次交替旋轉(zhuǎn)動(dòng)作后，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向。

3 樣機(jī)搭建

3.1 虛擬樣機(jī)仿真

根據(jù)上述直行和轉(zhuǎn)向的步態(tài)規(guī)劃策略，在Solidworks Motion環(huán)境下搭建六足步行機(jī)構(gòu)的多體動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)模型。在各關(guān)節(jié)上設(shè)置旋轉(zhuǎn)馬達(dá)AL1～AL6、AU1～AU6、AT1和AT4共計(jì)14個(gè)驅(qū)動(dòng)，由于采用以1足為前進(jìn)方向的策略，2、3、5、6足上的膝關(guān)節(jié)可不設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)。規(guī)劃多足行走機(jī)構(gòu)先沿直線前進(jìn)4個(gè)周期，然后向左轉(zhuǎn)向，再沿直線前進(jìn)2個(gè)周期，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程共計(jì)24 s。關(guān)節(jié)電機(jī)通過(guò)角位移參數(shù)進(jìn)行控制，單個(gè)直行周期和轉(zhuǎn)向周期內(nèi)各關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表1～2所示。

圖9所示為多足行走機(jī)構(gòu)安裝平臺(tái)質(zhì)心的位置變化，圖10所示為安裝平臺(tái)質(zhì)心角速度變化。從圖中可以看出，前12 s質(zhì)心沿x方向（轉(zhuǎn)向前直行方向）移動(dòng)了-344 mm；12～18 s過(guò)程中質(zhì)心未發(fā)生位移，該過(guò)程中行走機(jī)構(gòu)為轉(zhuǎn)向動(dòng)作，從圖10中角速度變化情況也可以直觀看出這個(gè)過(guò)程；18～24 s過(guò)程中質(zhì)心沿z方向（轉(zhuǎn)向后直行方向）繼續(xù)移動(dòng)了132 mm。此外，從圖中還可以看出，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中，安裝平臺(tái)質(zhì)心在y方向（垂向）上的位移波動(dòng)很小，說(shuō)明在移動(dòng)過(guò)程當(dāng)中安裝平臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)性好。

3.2 實(shí)物樣機(jī)構(gòu)建

虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果驗(yàn)證了上述六足行走機(jī)構(gòu)整體機(jī)構(gòu)方案和基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)步態(tài)的控制策略。根據(jù)驗(yàn)證后的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)學(xué)生利用機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室中“探索者”實(shí)驗(yàn)器材，完成了相應(yīng)的實(shí)物樣機(jī)搭建，如圖11所示。

表1 單個(gè)直行周期內(nèi)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)（°）

表2 單個(gè)轉(zhuǎn)向周期內(nèi)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)（°）

圖9 安裝平臺(tái)質(zhì)心位置變化

圖10 安裝平臺(tái)質(zhì)心角速度變化

圖11 實(shí)物樣機(jī)

根據(jù)虛擬樣機(jī)仿真過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置，編制了實(shí)物樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)程序。最終，實(shí)物樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)基本與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果相同。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種六足18關(guān)節(jié)的行走機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)直行步態(tài)和轉(zhuǎn)向步態(tài)下各足動(dòng)作邏輯的規(guī)劃及組合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)六足行走機(jī)構(gòu)的基本運(yùn)動(dòng)的控制。借助多體動(dòng)力學(xué)仿真手段，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的虛擬樣機(jī)模型，并通過(guò)實(shí)物樣機(jī)對(duì)比驗(yàn)證了行走機(jī)構(gòu)步態(tài)規(guī)劃的合理性，也展示了虛擬樣機(jī)手段應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)中的實(shí)用性與便捷性。