王佳佳， 唐雪梅， 何小龍

（西南科技大學(xué)智能機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐班，四川綿陽621010）

基于ADAMS的一種六足移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究

王佳佳， 唐雪梅， 何小龍

（西南科技大學(xué)智能機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐班，四川綿陽621010）

針對(duì)復(fù)雜環(huán)境對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)要求，提出了一種新型六足移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想。設(shè)計(jì)了機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)，對(duì)該機(jī)器人的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，并分析了其越障構(gòu)態(tài)的變化特點(diǎn)。用靜力學(xué)方法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了越障理論分析，建立了六足機(jī)器人參數(shù)化模型，經(jīng)ADAMS對(duì)機(jī)器人進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，獲得了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)特性曲線，為機(jī)器人總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)值計(jì)算提供了參考依據(jù)。

腿式機(jī)構(gòu)；越障；性能分析；ADAMS

0 引言

移動(dòng)機(jī)器人在航天、救災(zāi)、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，常見的移動(dòng)機(jī)器人可分為輪式、腿式和履帶式3種，這3種型式都有各自的特點(diǎn)。輪式機(jī)構(gòu)具有良好的機(jī)動(dòng)性，履帶式機(jī)構(gòu)具有動(dòng)載荷小、地形適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。輪、履式機(jī)器人由于結(jié)構(gòu)簡單、容易控制，并且輪、履驅(qū)動(dòng)方式技術(shù)成熟，一直是機(jī)器人研究的主要方向［1］。但是足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有輪式和履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)所沒有的優(yōu)點(diǎn),足式機(jī)器人的足具有大量的自由度，使機(jī)器人可以相對(duì)容易地跨過較大的障礙，由于足式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活，使其具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。目前國內(nèi)外已經(jīng)研究出了很多腿式機(jī)器人，例如：美國University of Michigan、UC Berkeley和加拿大McGill University共同研制的RHex仿生蟑螂機(jī)器人；俄羅斯研制的六腿探測(cè)機(jī)器人NMIIIA；德國研制的BISAM四足步行機(jī)器人；哈工大研制的復(fù)合運(yùn)動(dòng)模式四足機(jī)器人；上海交通大學(xué)研制的四足機(jī)器人JTUWM-III等。

傳統(tǒng)的足式移動(dòng)機(jī)器人往往存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、車體重量大、移動(dòng)速度慢等缺點(diǎn)，本文提出的一種新型六足移動(dòng)機(jī)器人采用了對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，兼有體積小、移動(dòng)速度快、越障能力強(qiáng)等特點(diǎn)。對(duì)該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，用靜力學(xué)方法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)構(gòu)分析。通過ADAMS進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人前進(jìn)、后退、越障等多種運(yùn)動(dòng)方式，可為提高機(jī)器人的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)和復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力提供了理論依據(jù)，便于機(jī)器人進(jìn)一步地優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析研究。

1 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

新型六足移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械本體如圖1，采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由機(jī)身和兩組結(jié)構(gòu)相同的腿式機(jī)構(gòu)構(gòu)成。腿式機(jī)構(gòu)由一個(gè)曲柄桿、3個(gè)腿桿和3個(gè)連桿組成，各系桿間通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。機(jī)器人單側(cè)腿式機(jī)械部分機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示，由電機(jī)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)步足的往復(fù)起落。按契貝謝夫平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式F=3n-2pl-ph，機(jī)器人單側(cè)腿部機(jī)構(gòu)系統(tǒng)共7個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，10個(gè)平面低副，沒有平面高副，得出腿部起落機(jī)構(gòu)自由度為F=1，所以由一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)器人單側(cè)腿部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)機(jī)器人由兩個(gè)電機(jī)分別帶動(dòng)兩側(cè)腿式機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)。

圖1 六足移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

圖2 機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)簡圖

2 機(jī)器人越障過程的描述

機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中行進(jìn)，會(huì)遇到各式各樣的障礙物。這些障礙物可以抽象地分為斜坡、臺(tái)階、凸臺(tái)、壕溝、樓梯等5種類型，其中臺(tái)階式障礙（即垂直障礙）最為典型［2］。針對(duì)臺(tái)階式障礙進(jìn)行分析，六足機(jī)器人越障過程分為三步，即前足越障、中足越障、后足越障。越障高度由車體和腿式機(jī)構(gòu)協(xié)同作用決定。從本質(zhì)上看，該六足機(jī)器人模仿的是“六足綱”昆蟲，這類昆蟲之所以能在地面上快速行進(jìn)，主要是依靠其采用的三角步態(tài)，即在步行時(shí)把6只足分為呈三角形分布的兩組，一組為支撐相，另一組則為運(yùn)動(dòng)相，兩組交替，始終保證一組支撐蟲體，而另一組使蟲體前移，通過兩組交替地?cái)[動(dòng)和支撐，實(shí)現(xiàn)昆蟲的快速運(yùn)動(dòng)［3］。六足移動(dòng)機(jī)器人正是基于這一仿生運(yùn)動(dòng)原理，依靠腿的協(xié)調(diào)動(dòng)作來保持機(jī)身平穩(wěn)從而適應(yīng)復(fù)雜地形，機(jī)器人越障過程如圖3。

圖3 機(jī)器人翻越臺(tái)階過程分析圖

3 機(jī)器人理論分析

首先，對(duì)機(jī)器人前足越障性能進(jìn)行分析計(jì)算，如圖4所示。

圖4 前足分析圖（足根位于最高處）

前足運(yùn)動(dòng)時(shí)，車板離地面的最小距離 hmin對(duì)應(yīng)足長 c2的關(guān)系為：

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系得各尺寸間的關(guān)系為：

圖5 前足分析圖（足根位于最低處）

圖6 中足分析圖

中足不容易找出極限位置，于是采用解析法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，求解出點(diǎn)S（x，y）的運(yùn)動(dòng)方程，如圖6所示。

根據(jù)各構(gòu)件位移矢量圖，可寫出位移矢量方程的兩種形式為：

圖7 中足矢量圖

應(yīng)用歐拉公式將式（7）的實(shí)部與虛部分離得：

先將l2相關(guān)項(xiàng)移至等號(hào)左邊，等號(hào)兩邊取幅值即可消去φ3而求得φ2，并將a和l2的相關(guān)項(xiàng)作為整體leiφ1-lei0= leiφ看待，先求l和φ，該矢量是由C→D的矢量，則：

原位移矢量方程變?yōu)椋?/p>

等號(hào)兩邊取模得：

以機(jī)構(gòu)實(shí)際工作情況確定此式中的±號(hào)。

機(jī)器人后足越障性能與前足越障性能相同，后足越障分析參照前足越障分析。

4 機(jī)器人ADAMS仿真運(yùn)動(dòng)分析

應(yīng)用Pro/E軟件設(shè)計(jì)了1∶1的實(shí)體模型，導(dǎo)入ADAMS中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，臺(tái)階障礙高度都設(shè)定為50 mm。通過仿真不僅可以真實(shí)模擬機(jī)器人行進(jìn)越障過程，同時(shí)對(duì)模型的參數(shù)化修改也將實(shí)現(xiàn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，從而指導(dǎo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)改進(jìn)的設(shè)計(jì)，仿真越障過程如圖8（a）～（h）。最后進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與優(yōu)化，得到了相對(duì)較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化后的整車模型參數(shù)為：500 mm× 265 mm×140 mm。

六足移動(dòng)機(jī)器人仿真中成功完成了下臺(tái)階、上臺(tái)階越障過程，如圖8所示。并且得到了車體質(zhì)心運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線，如圖9中（a）、（b）、（c）分別為機(jī)器人車體質(zhì)心的位移、速度、加速度曲線，表示在外載荷作用下，機(jī)器人在臺(tái)階障礙且不受任何控制時(shí)，主車體的位姿的變化。

圖8 機(jī)器人跨越臺(tái)階運(yùn)動(dòng)仿真過程圖

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種六足移動(dòng)機(jī)器人，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析計(jì)算。通過虛擬樣機(jī)軟件ADAMS對(duì)機(jī)器人模型進(jìn)行了仿真分析，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人上下臺(tái)階的功能，驗(yàn)證了機(jī)器人較強(qiáng)的越障能力和環(huán)境適應(yīng)能力。通過ADAMS內(nèi)部強(qiáng)大的測(cè)量和曲線分析功能，獲得了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能參數(shù)，為機(jī)器人的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與運(yùn)算控制提供了參考數(shù)據(jù)。上述結(jié)果可為提高機(jī)器人的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力提供理論依據(jù)，為下一步的深入開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

圖9 機(jī)器人車體質(zhì)心運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線

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（編輯立 明）

Design and Research of the Six-legged Adaptive Mobile Robot Based on the ADAMS

WANG Jiajia,TANG Xuemei,HE Xiaolong
（School of Intelligent Robot Innovation Practice Class,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China）

According to the requirement of the motion of mobile robot in complex environment,the design thought of a new six-legged robot is made.The principal structure of the robot was designed and elaborated,and the change characteristics of the obstacle configuration was analyzed.A theoretical analysis of the robot obstacle navigation was presented by static method.The parametric models of the six-legged mobile robots and obstacles were built and the surmounting analysis of mobile robot was carried out,the dynamic characteristic curves of each body and whole body of the robot are eventually acquired,which provide theoretical foundation for design and numerical computation of the robot structure.

leg structure;obstacle crossing;performance analysis;ADAMS

TP 242

A

1002－2333（2014）05－0092－03

王佳佳（1992—），女，在讀本科生，從事機(jī)構(gòu)與虛擬樣機(jī)學(xué)習(xí)研究。

2014-03-06