六足机器人动力学仿真研究

陈瑞晓

摘 要：针对在崎岖路面行走的六足机器人，本文利用Adams软件建立其刚体动力学模型，模拟运动过程中的动力学变化，分析不同工况对六足机器人关节驱动力矩的影响，得到前腿、中腿的髋关节、膝关节和踝关节的形状相似性，明确落地等因素对关节的影响，为六足机器人的后续研究提供一定依据。

关键词：六足机器人;动力学;仿真

中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：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

隨着计算机技术水平和自动化制造水平的逐渐提高，人工智能成为当今社会的研究热点，使得机器人技术得到进一步的发展。在不同运动方式中，足式机器人具有多接触点、运动非连续性等特点，增强了其对地面的适应能力，提高了运动范围，因此足式机器人在复杂工作环境中具有广阔的应用前景，对其运动特性和控制系统的研究具有深远意义[1]。尤其是六足机器人的足端具有非连续性运动的特点，即某条腿在出现故障时依然可以完成运动过程，另外可以采用不同的运动步态完成不同路面的行走[2]。因此，对六足机器人动力学的研究可以为机器人运动控制设计提供一定依据。

1 建立六足机器人的Adams模型

六足机器人的三维模型较为复杂，而本文只是研究机器人在行走过程中的动力学问题，因此其实际结构可以做一定简化，保留机器人的几何参数。另外，机器人构型设计采用SolidWorks软件进行建模，在建立SolidWorks三维模型时，要做出关于机器人的相关假设[3]：六足机器人的每个构件都为刚体部件，不考虑弹性变形和柔性形变等影响;六足机器人的支撑腿部足端和地面接触具有足够大的摩擦力，支撑腿部和地面之间不存在相对滑动等现象;六足机器人的驱动系统为理想状态，无延迟现象的发生;在行走过程中，六足机器人关节和液压缸之间的摩擦均忽略。

根据功能需求，建立机器人的三维模型，并在Adams软件中打开，得到仿真模型，如图1所示。六足机器人的运动主要依靠关节的旋转，因此还需要添加约束和驱动，机器人关节的转动约束共有18个转动副，其中有12个转动副在xz平面内，其余6个转动副在xy平面内。通过规划每个关节的转动角度来进行仿真，将变量设定为运动函数，设定机器人的运动规律。机器人足端和地面之间设定一定大小的摩擦力，并且添加相应的接触力，限定地面的刚度等特征参数，通过虚拟仿真分析其物理特性和基本特性，为后期结构参数的优化提供一定帮助。

2 六足机器人动力学仿真

六足机器人的动力学分析是对机器人驱动力进行建模和计算，因此这里通过机器人腿部髋关节、膝关节、踝关节的驱动力矩对机器人的动力学进行分析，调节机器人的关节峰值扭矩，提高六足机器人在运动过程中的稳定性和可靠性。

首先，六足机器人不同腿部髋关节的扭矩关系呈现部分相同的趋势，其分别在支撑腿和摆动腿两个类别中具有相同的变化规律，其中会有不同的波动，因为机器人重心位置的不同会影响腿部关节扭矩。机器人髋关节的扭矩相对较小，最大的尖峰为600 N·mm。进一步分析可以得知，髋关节主要用于完成腿部的摆动功能，在作为支撑腿时，机器人腿部的髋关节主要受到弯矩的作用，对机器人关节的损坏影响不大。

其次，重点对六足机器人腿部的膝关节进行仿真，得到六足机器人腿部膝关节单周期扭矩曲线，如图2所示。

由图2可知，六足机器人不同腿部膝关节的扭矩关系呈现部分相同的趋势，其分别在支撑腿和摆动腿两个类别中具有相同的变化规律，即验证了相同的运动规律。但是，在步态改变的过程中，机器人左、右中腿的扭矩变化时间极短，扭矩曲线呈恒定数值的直线状态，而前腿和后腿的膝关节在步态改变时则逐渐变化，扭矩曲线具有一定的斜率;另外会有不同的波动，原因是机器人重心位置的不同和过程惯性力的变化等因素影响腿部关节的扭矩。对比可以看出，机器人膝关节的扭矩主要支撑机器人的重量，相对髋关节数值较大，最大的尖峰为16 000 N·mm，约为髋关节峰值扭矩的25倍。进一步分析可以看出，机器人腿部的膝关节主要承受的是机器人的重量，在作为摆动腿时，机器人腿部的膝关节扭矩基本为零，而在足端接触地面，将其作为支撑腿时，机器人腿部的膝关节会受到扭矩的冲击，因此扭矩突变的数值大小影响机器人的稳定性。

最后，六足机器人不同腿部踝关节的扭矩关系与膝关节相似，不同的是，机器人踝关节所承受的扭矩约为髋关节峰值扭矩的15倍，同时踝关节的扭矩和膝关节的扭矩方向具有相反特点，满足机器人动力平衡的约束条件。

3 结语

本文在Adams软件中建立六足机器人的仿真模型，添加对应的关节约束和运动驱动函数，分析不同工况对六足机器人关节驱动力矩的影响，阐述前腿、中腿的髋关节、膝关节、踝关节的形状相似性，研究了落地等因素对关节的影响，进一步验证了该步态的可行性和合理性，为机器人结构参数的优化和运动控制设计提供依据。

参考文献：

[1]陈杰.六足机器人非结构化环境下的摆动腿运动规划与控制研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[2]牛永超.基于CPG的六足机器人协调运动控制方法的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

[3]张焕.六自由度机器人结构设计、运动学分析及仿真[D].西安：西安理工大学，2004.