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四足機器人的步態(tài)仿真研究
本文運用Pro/ENGINEER軟件與虛擬樣機軟件MSC.ADAMS相結合的方式對四足仿生步行機器人的樣機模型進行了模擬，經(jīng)過分析驗證了所設計步態(tài)的適用性和可行性，避免了用常規(guī)方法求解四足仿生步行機器人運動學逆解的復雜運算，提高了四足仿生步行機器人的設計效率和研制水平，在機器人技術領域具有一定的參考價值。
該文通過對一種四足機器人進行設計和步態(tài)規(guī)劃后，利用仿真技術分析它的適應環(huán)境與承載能力。首先在四足步行機器人初始結構參數(shù)基礎上，基于三維軟件Pro/ENGINEER建立機器人仿真模型，并將模型導入到仿真軟件中完成行走
2、過程，以穩(wěn)定性為評價指標對機器人進行優(yōu)化和評價;最后在路面上進行一定量的承載和適應環(huán)境方面的分析，為智能化機器人提供一種分析方式。
在自然界或人類社會中，存在人類無法到達的地方和可能危及人類生命的特殊場合，如工地、防災救援等許多領域，對這些復雜環(huán)境不斷的探索和研究往往需要有機器人的介入。腿式系統(tǒng)有很大的優(yōu)越性，較好的機動性、崎嶇路面上乘坐的舒適性及對地形的適應能力強。所以這類機器人在軍事運輸、海底探測、礦山開采、星球探測、殘疾人的輪椅、教育及娛樂等眾多行業(yè)，有非常廣闊的應用前景，多足步行機器人技術一直是國內(nèi)外機器人領域的研究熱點之一。四足步行機器人是機器人的一個重要分支，由于四足機器人
3、比兩足步行機器人承載能力強、穩(wěn)定性好，同時又比六足、八足步行機器人結構簡單，因而更加受到各國研究人員的重視。在四足機器人中，足結構是最重要的機構，選擇得當可使機器人機構簡單、設計方便，大大簡化控制方案。
但由于機器人數(shù)學描述的復雜性，使得在機器人運動學、動力學分析方面顯得較為困難，計算機虛擬仿真技術在該領域的應用為機器人的運動特性分析提供了依據(jù)。本文通過建立一種四足步行機器人模型，在規(guī)劃該機器人的直線爬行步態(tài)后，利用虛擬樣機軟件MSC.ADAMS對機器人的爬行步態(tài)進行了動力學仿真，得到了機器人各個關節(jié)相關物理量的變化曲線。通過仿真驗證了步態(tài)規(guī)劃的合理性，同時將該模型投入到具有一定形狀的
4、模擬路面，分析機器人的穩(wěn)定性等動態(tài)特性，這為機器人分析提供一種良好的途徑。
一、四足機器人步態(tài)規(guī)劃
1.機器人結構的建立
一直以來，人們對四足機器人的各種運動步態(tài)進行了大量的研究和實踐。本文涉及的機器人由一個機身和4條腿組成，整體結構如圖1所示。它是一個對稱的模型，機身尺寸為6780mm2，重心位置為機器人機身的中心，呈對角的腿起到支撐和邁進的作用，這兩個作用交替出現(xiàn)，行走方向為z的正方向。
圖1機器人結構示意圖
機器人腿部為連續(xù)轉(zhuǎn)動式腿機構，如圖2所示。其腿部結構尺寸為：髖關節(jié)長度l1=15mm;大腿關節(jié)長度l2=28mm;小腿關節(jié)長度l3=24m
5、m。其中每一部分都可以一定角度轉(zhuǎn)動或者擺動，髖關節(jié)沿著自身軸心轉(zhuǎn)動，大腿關節(jié)和小腿關節(jié)分別繞O1、O2轉(zhuǎn)動。初始狀態(tài)大腿關節(jié)軸心沿著x方向，小腿關節(jié)平行于y方向垂直于x方向。
3D動力網(wǎng)】本文運用Pro/ENGINEER軟件與虛擬樣機軟件MSC.ADAMS相結合的方式對四足仿生步行機器人的樣機模型進行了模擬，經(jīng)過分析驗證了所設計步態(tài)的適用性和可行性，避免了用常規(guī)方法求解四足仿生步行機器人運動學逆解的復雜運算，提高了四足仿生步行機器人的設計效率和研制水平，在機器人技術領域具有一定的參考價值。
2.機器人步態(tài)分析
通過對步行機器人進行穩(wěn)定性分析，選擇合理的擺動腿順序，可以生
6、成各種各樣的步態(tài)。要實現(xiàn)機器人的行走就要對這些關節(jié)的角度進行協(xié)調(diào)控制，機器人多軸協(xié)調(diào)控制的理論雖然比較成熟，但技術實現(xiàn)起來卻有一定的難度。目前研究步態(tài)及步態(tài)變換的工具均是基于一個跨步周期的支撐狀態(tài)步態(tài)圖。
四足仿生步行機器人實現(xiàn)步行的核心思想就是把機器人的四足分為兩組，兩足支撐機體并推動機器人前進(稱為支撐相)，另兩足擺動為下一步支撐做準備(稱為擺動相)，整個機器人的運動過程就是支撐相與擺動相交替、循環(huán)的過程。在機器人研究領域支撐相和擺動相隨時間變化的順序集合稱為步態(tài)。對勻速行走的機器人來說，其足相呈周期變化規(guī)律。由于這時步態(tài)是周期變化的，故稱為周期步態(tài)。在一個周期T內(nèi)，支撐相的時間為
7、t，則該足的有荷因數(shù)β按β=t/T計算。
一個步態(tài)周期中，步行機器人機體重心向前移動的距離稱為步距s，各足處于支撐相時相對于機體的移動距離稱為足的行程R，兩者的關系為R=sβ。
為了便于描述，本機器人采用如圖3所示的步態(tài)，即初始狀態(tài)4足處于站立狀態(tài)，如圖3(a)所示;接著后腿1和前腿2向前躍進，這個過程中髖關節(jié)轉(zhuǎn)動，大腿關節(jié)繞O1小幅度轉(zhuǎn)動，小腿關節(jié)繞O2向外轉(zhuǎn)動，其余兩腿保持站立狀態(tài);當后腿1和前腿2躍進站穩(wěn)后，前腿1和后腿2開始躍進，如圖3(c)所示，如此往復向前運動。
圖3機器人步態(tài)分析圖
在對機器人進行步態(tài)規(guī)劃時，機器人足端點軌跡的選擇對機器人的運動
8、特性有著重要影響，機器人行走過程中的連貫性、穩(wěn)定性、美觀性以及所需驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的大小均受其牽制。對于四足仿生步行機器人來說，較好的足端點軌跡應具有良好的起落特性、速度和加速度特性。人們多采用初等函數(shù)來描述機器人的末端軌跡，如一次函數(shù)、正弦函數(shù)等。
步態(tài)圖能夠清楚地反映每條腿在某時刻是處于支撐相還是懸空相，但是該方法沒有反映各條腿的先后運動時序，在用于步態(tài)變換以及控制腿部運動時就顯得比較復雜。而理論分析雖然在國內(nèi)取得了一定的發(fā)展，為機器人行走奠定了一定的基礎，但是其可操作性有待于驗證和完善。為此在認真分析四足仿生步行機器人運動特性和仿真特點的基礎上，制定出該機器人的運動學仿真流程，并通過仿真
9、技術來檢測機器人的性能。
二、機器人的運動仿真
1.機器人仿真模型的建立
虛擬樣機軟件MSCADAMS集建模、求解和可視化技術于一體，能有效分析和比較多種參數(shù)方案。機器人的運動學、動力學比較復雜，研究和開發(fā)一種合理的四足機器人仿真模型是非常有意義的，本文接下來利用ADAMS軟件對機器人進行虛擬仿真分析。
為了研究四足步行機器人對角小跑步態(tài)下如何實現(xiàn)穩(wěn)定地高速行走，首先在三維軟件Pro/ENGINEER中創(chuàng)建完成模型后，導入到ADAMS虛擬樣機軟件建立虛擬樣機，如圖4所示。小腿關節(jié)、大腿關節(jié)和髖關節(jié)分別由步進電機控制。機身簡化為一個方塊，中間去除一個小方塊。
10、 在仿真軟件定義好參數(shù)后，例如轉(zhuǎn)動副、鉸鏈等，建立平板模擬平整底面，定義機器人的四個腳與平板接觸，設置完成摩擦、剛度系數(shù)等參數(shù)。最后設置重力參數(shù)。
圖4機器人虛擬樣機模型
1——小腿關節(jié)2——大腿關節(jié)3——髖關節(jié)4——機身
2.機器人腿的運動控制
四足步行機器人是一個多變量、強耦合、非線性和時變的動力學系統(tǒng)，其變姿態(tài)結構的不穩(wěn)定性及產(chǎn)生穩(wěn)定步行所必須的動態(tài)平衡問題，對控制理論的研究及實時控制系統(tǒng)的設計都具有很大的挑性。根據(jù)四足機器人的獨立驅(qū)動參數(shù)能夠計算機體的運動位置和速度。機器人四條腿依次“抬起——擺動——放下”以構成一個步態(tài)周期，而一個步態(tài)周期需要分成若干
11、個階段以對應于每條腿得“抬起——擺動——放下”，這需要合理控制每條腿來保證行走的穩(wěn)定性。經(jīng)過理論分析得到如圖5所示的電機轉(zhuǎn)動曲線(其中橫坐標為時間，縱坐標為位移)，它根據(jù)理論計算結果或反求工程將理論計算得到的公式轉(zhuǎn)變?yōu)榍€，并以step函數(shù)的形式導入到關節(jié)的定義中。小腿關節(jié)曲線跟髖關節(jié)一致，幅值根據(jù)路面情況定義，比如路面凹凸不平，則幅值較大。
圖5機器人關節(jié)轉(zhuǎn)動曲線
3.機器人的仿真分析
分析前設置好步長，由于是動力接觸分析，需要加大步長，減少運動時間，經(jīng)過分析后得到如圖6所示的過程，其中機器人以45左右方向運動。穩(wěn)定性對機器人來說是非常重要的參數(shù)，圖7
12、反映了機器人質(zhì)心上下波動的狀況，可以控制機器人在0.6mm之間小幅振動。圖8為質(zhì)心前進方向的位移變化，從圖8中可以看出它基本上與時間呈線性關系運動。
為了解到該機器人與地面的接觸力，讀取其中一個腿部的受力圖，如圖9所示，可以看出腳底跟地面產(chǎn)生的最大接觸力約為0.5N左右?？傮w來說該機器人在地面上的運動速度平穩(wěn)，穩(wěn)定性較好。
4.機器人性能測試
足式移動機器人對行走路面的要求較低，它可以跨越障礙物，走過沙地、沼澤等特殊路面，用于工程探險勘測、反恐防爆、軍事偵察等人類無法完成或危險的工作。對這些環(huán)境進行不斷的探索和研究，尋求一條解決問題的可行途徑成為科學技術發(fā)展和人類社會進
13、步的需要。不規(guī)則和不平坦的地形是這些環(huán)境的共同特點，使得輪式機器人和履帶式機器人的應用受到限制，而多足步行機器人能夠在復雜崎嶇的路面上穩(wěn)定行走。目前多足機器人的步行運動大多數(shù)是基于步態(tài)的幾何位置軌跡規(guī)劃、關節(jié)位置控制的規(guī)劃和控制策略。而單純幾何位置規(guī)劃與控制在機器人于復雜地形(如崎嶇不平、陡峭、堅硬光滑和松軟)等步行與作業(yè)時，則會由于慣性、腳力失衡及位置控制誤差而導致失穩(wěn)，這種情況也是我們關注的重點。
在分析中需要適應一定的環(huán)境，以及承受一定物體(比如承載重物)的重量。為此建立了一定形狀的沙地，進行機器人的上坡和不平整地面適應性分析。
沙土地面較松軟，可視為均勻彈性體，假設沙土
14、的地面剛度和阻尼系數(shù)與接觸面積呈正比。機器人和地面將構成一個振動系統(tǒng)，在低速振動的情況下，可以將該系統(tǒng)看成單自由度有阻尼的線性系統(tǒng)。那么通過測試該系統(tǒng)的地面剛度和阻尼，就可以換算出著陸腳著陸時的接觸剛度k和接觸阻尼系數(shù)Cmax。經(jīng)過計算得到。其中，m為機器人加上其承載物的質(zhì)量;Td為有阻尼自由振動的周期;n為衰減系數(shù)。另外，，，Ai和Ai+1分別為同方向相鄰的兩個振幅。
將計算得到的值代入ADAMS定義接觸框中，定義一個具有一定形狀的沙土路面，讓機器人經(jīng)歷下坡，跨越不規(guī)則路面和上坡過程。同時讓機器人承載一定重量的物體，本分析所用的承載物體長寬高分別為703045mm3，材料為鋼。分析時
15、提高大腿關節(jié)轉(zhuǎn)動角度。
設置計算時間和步長后得到如圖10所示的過程，在提高大腿關節(jié)轉(zhuǎn)動角度后穩(wěn)定性變差，但越過障礙能力變強，尤其在上坡過程顯得比較重要。承載物的重量對機器人運動也產(chǎn)生了一定影響，尤其體現(xiàn)在越過障礙物和凹凸路面過程中。在行走該過程時速度和穩(wěn)定性也有差別，如圖11所示。在下坡過程中該曲線較陡，說明速度較快，同時穩(wěn)定性較好;在走凹凸不平路面時，曲線斜率較小，速度變慢，同時曲線有波動，說明行走過程中機器人隨著路面變化產(chǎn)生波動;在上坡過程中，由于機器人背著重物克服阻力導致速度變得更加緩慢。
圖11機器人行走過程中位移與時間的關系
1——下坡過程2——走凹凸
16、路面過程3——上坡過程
三、結論
本文運用Pro/ENGINEER軟件與虛擬樣機軟件MSC.ADAMS相結合的方式對四足仿生步行機器人的樣機模型進行了模擬，經(jīng)過分析驗證了所設計步態(tài)的適用性和可行性，避免了用常規(guī)方法求解四足仿生步行機器人運動學逆解的復雜運算，提高了四足仿生步行機器人的設計效率和研制水平，在機器人技術領域具有一定的參考價值。
但是該模型在控制等方面還有待于完善，例如腳的靈活性還有待改進，特別在復雜環(huán)境下讓腳與地面有更多面積的接觸，從而增加摩擦力，減少滑移。同時機器人的智能化程度也有待于提高，以便適應更多特殊環(huán)境和場合的需要。
專心---專注---專業(yè)
仿生四足機器人(共8頁)
