六足机器人行走与运动仿真分析

詹广强 赵基伟 谢磊超

摘要：虚拟仿真设计方法在现代机械设计中占有重要地位，针对目前虚拟仿真软件存在的不足之处，在设计时往往需要选用多个仿真软件组合使用才能达到所需的仿真目的。本文设计了一个六足双斗机器人，应用建模和仿真功能较齐全的Inventor对其进行虚拟分析，检查机器人在行走和爬坡过程中的行走步态，获得机器人在不同工作状态下重心的变化曲线，分析机器人设计的合理性，为更好的设计新型六足机器人提供设计依据。并制造了小型物理样机，检验仿真设计的可靠性，通过物理样机试验，验证Inventor仿真的可靠性和正确性。

关键词：虚拟仿真设计；六足机器人；Inventor；运动仿真Inventor是一种全面的可视化设计工具，用于创建和验证完整的数字样机，可以检验机械产品的外型、结构和功能，也可以对其进行运动仿真和应力分析，设计师应用这种软件可对数字化样机进行优化，并预测机械产品在未来的实际工作情况[1]。

本文设计了六足双斗机器人，机器人采用足式移动方式优点在于控制简单，移动比较迅速，同时可以相对较容易地跨过比较大的障碍，但是当机器人在行走时，整个物体的重心会发生变化，各个关节受到的速度及加速度也不同，在不行走，进行挖掘工作，不同部位受到的力也不一样。本文应用Inventor对六足机器人在平地行走和爬坡过程中重心的位置、速度加速度变化进行仿真分析，Inventor集设计、建模和仿真于一体，且操作简单，这给设计工作带

来了许多方便，节约了研究时间和研制费用，实现了高质量、高速度、高效率、低成本的整体设计。

本文所应用的软件为虚拟设计方法又提供了一个方便可行的办法，同时，设计的六足机器人为足类机器人的设计也提供了一些思路。在Inventor的虚拟仿真下，得到所设计的六足机器人的一些有用信息，为更好的设计新型六足机器人提供了参考依据。小型物理样机试验，行走和利用双斗夹取物体。

1六足机器人整体结构

Inventor非常注重产品外观设计，同时其渲染功能也易于操作，效果良好，应用Inventor对六足机器人进行整体结构造型和渲染，结果如图1所示，其中腿部结构放大图如图2所示。图2(a)图是腿部结构运动简图，输入旋转运动，在滑块和曲柄的作用下转化为腿部摇摆运动[2]，腿部机构的摇摆幅度为[-24°~+24°]，由于该机器人的腿部关节是铰接和滑动副,因而在步行时即使出现失稳现象也具有较强的姿态恢复能力[3]，足部使用减震和缓冲作用的橡胶材料。

2机器人步态分析

在机器人研究领域,支撑相和摆动相随时间变化的顺序集合称为步态。对匀速行走的机器人来说,其足相呈周期变化规律，由于这时步态是周期性变化的,故称为周期步态，在一个周期T内,支撑相的时间为t,则该足的有荷因数β按下式计算[4]:

一个步态周期中,步行机器人机体重心向前移动的距离称为步距s,各足处于支撑相时相对于机体的移动距离称为足的行程R,两者的关系为[4]:

三角步态是六足仿生步行机器人实现步行的典型步态[4]。其核心思想是把机器人的六足分为两组(躯体一侧的前、后足和另一侧的中足构成一组，其余足构成另一组),三足支撑机体并推动机器人前进(称为支撑相),另三足摆动为下一步支撑做准备(称为摆动相),整个机器人的运动过程就是支撑相与摆动相交替、循环的过程。如图3所示，1、5、4为一组（后文称为实心组），2、3、6为另一组（后文称为空心组），实心组和空心组在相位上相差180°。起初实心组作为支撑相，而空心组作为摆动相向前移动；之后空心组作为支撑相，实心组作为摆动相向前移动，这样完成一个交替循环。

六足机器人爬坡行走状态及整体受力分析如图4所示，腿部形成的摩擦力克服重力的一个分力达到向前行走的目的。在爬坡时双斗的位置严重影响机器人的稳定性和爬坡能力，设计双斗的最佳放置位置，有利于机器人的爬坡动作。

3基于Inventor的机器人运动仿真

3.1 重心变化情况分析

六足机器人重心位置、速度、加速度对机器人整体的稳定性有重要影响[5]，通过仿真得到在不同爬坡角度下重心的变化曲线，分析机器人的稳定性。如图5所示，机器人在平面上行走时的重心变化曲线，由前面设计的腿部结构可知，机器人每走一步，在竖直方向上重心都有一个上升和下降的过程，竖直方向波动幅值越大说明机器人步距也越大，太大的步距影响机器人的稳定性。水平方向上的波动越小越好，如图5(b)所示，Y方向上的速度波动非常小，加速度对机器人零部件有一个动载荷的作用，求出行走每一步的加速度后还可以计算出零部件上的动载荷。从图中可以看出，重心在各种情况下的变化曲线有很强的周期性，这与前面的分析一致。

通过虚拟仿真分析，所设计的六足机器人最大爬坡角度为22°，重心变化曲线如图7所示，图6为爬坡角度为15°时的重心变化曲线。

5结论

本文基于Inventor环境设计了六足双斗机器人，机器人的主要功能是行走、爬坡和夹持物体。通过在Inventor环境中的虚拟建模和仿真，得到六足机器人的整体结构，并对机器人进行了运动学仿真与分析。通过仿真分析，得出了不同爬坡角度下机器人重心的变化曲线，同时也验证了所设计的三角步态的稳定性和适用性，得到了所设计的六足机器人的最大爬坡角度为22°。应用Inventor的虚拟仿真设计手段大大缩短了设计周期，提高了六足仿生步行机器人的设计效率、设计可靠性和研制水平，在机器人设计技术领域具有一定的指导意义。

[参考文献]

[1]陈伯雄.Inventor R8应用培训教程：机械设计[M].清华大学出版社，2004.9.

[2]孙恒,陈作模,葛文杰.机械原理[M].高等教育出版社,2006.

[3]闫尚彬,韩宝玲,罗庆生.仿生六足步行机器人步态轨迹的研究与仿真[J].计算机仿真.2007.10.156~160.

[4]许睦旬.Inventor2009三维机械设计应用基础[M].高等教育出版社.2009.7.

[5]陈殿生,黄宇,王田苗.輪式腿型机器人的越障分析与仿真[J].北京航空航天大学学报.2009.3.371~375.