李杰

（南瑞集團公司，南京 210003）

0 引 言

目前，大型平臺機器人應(yīng)用較多，其平臺上面配合不同的設(shè)備即可達到靈活移動、自動控制的目的，如各種挖掘機器人、打樁機器人、救援機器人等。平臺的運動方式也很多，如輪式、履帶式、足式。其中，輪式和履帶式平臺機器人目前的發(fā)展已經(jīng)很成熟，也是大多數(shù)移動設(shè)備所采用的方式。而足式平臺機器人具有像生物一樣行走的特點，能根據(jù)實際環(huán)境的變化，調(diào)整步態(tài)，達到平穩(wěn)行走，跨越障礙的目的，這也是足式機器人所具有的獨特優(yōu)勢［1］。由于平臺機器人可能要面對各種惡劣的環(huán)境，因此，足式移動方式將是以后平臺機器人行進的主要發(fā)展方向。

1 六足機器人機構(gòu)設(shè)計

圖1 哺乳動物（左）及昆蟲（右）腿部結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，為哺乳動物（左）及昆蟲（右）腿部結(jié)構(gòu)，昆蟲的腿部彎曲較大，從力學(xué)的角度來分析，腿部承受較大的彎曲應(yīng)力，因而承受重載的能力有限，無法制作大型及重型設(shè)備的移動平臺機器人；而哺乳動物的腿部基本接近直立狀態(tài)，支撐力主要分解到腿部軸向受力狀態(tài)，因而能承受較大的重載。昆蟲類大多具有六足的特點，六足協(xié)調(diào)運動，能夠保持較高的平衡度，對環(huán)境具有較強的適應(yīng)能力，在行走過程中，始終有三足支撐，身體穩(wěn)定性較高［2］。

本次設(shè)計的平臺機器人綜合了兩種生物的優(yōu)點，設(shè)計了大型仿生六足平臺機器人腿部機構(gòu)，如圖2 所示。為達到機器人能直立行走和轉(zhuǎn)彎的目的，腿部機構(gòu)應(yīng)具有一定的關(guān)節(jié)自由度。本次設(shè)計的機器人腿部機構(gòu)包括4個關(guān)節(jié)，其中為保證機器人能夠行走和轉(zhuǎn)彎，根關(guān)節(jié)需要具有前后轉(zhuǎn)動和左右擺動的自由度；股關(guān)節(jié)具有前后擺動自由度，確保能夠抬腿動作；膝關(guān)節(jié)應(yīng)當具有前后擺動的自由度，以便膝關(guān)節(jié)以下部分能夠伸縮自如；足部關(guān)節(jié)也屬于仿生關(guān)節(jié)，有轉(zhuǎn)動自由度，主要目的是確保平臺機器人足部能夠根據(jù)實際地面環(huán)境及時調(diào)整足部轉(zhuǎn)角，平穩(wěn)落地。

圖2 六足平臺機器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2 六足機器人步態(tài)分析

2.1 行進方式選擇

目前，對六足機器人行走分為直行步態(tài)和轉(zhuǎn)彎步態(tài)。涉及到具體行走時現(xiàn)在典型的分解方式主要有五支撐一抬腿行走、四支撐二抬腿行走及三支撐三抬腿行走3 種主要方式。其中五支撐一抬腿行走顧名思義就是每次都有五只腿支撐平臺，一只腿抬起移動，而后按順序逐個完成所有的6 只腿的移動，已達到平臺移動的目的，因此前進一步需要完成6 個動作；四支撐二抬腿行走是指每次都有四只腿支撐，二只腿抬起移動，而后按順序完成其他兩組腿的移動，達到平臺移動的目的，因此前進一步需要3 個動作；三支撐三抬腿行走是指每次都有3 只腿支撐，3只腿抬起移動，后續(xù)交替完成平臺機器人前行或后退，這樣，每前進一步只需要完成2 個動作。

綜上3 種方式分析，由于三點確定一平面，三支撐能夠達到穩(wěn)定支撐平臺的目的，多于三支撐時，每一步都需要調(diào)整腿部支撐高度，才能達到除三支撐外的另一只腿或者兩只腿能夠接觸地面，做到四支撐或者五支撐，效率較低；此外，三支撐三抬腿移動每一步只需要完成兩個動作，行走速度較快。本次平臺機器人行走選用了三支撐三抬腿方式。

2.2 直行前進步態(tài)分析

選用平臺機器人一側(cè)兩只腿和另一側(cè)一只腿作為一組，前行時，為達到步態(tài)對稱，可以選用1、3、5 為一組，2、4、6 為一組，如圖3 所示：當2、4、6 為一組支撐時，1、3、5三只腿前進一步，接觸地面固定后，1、3、5 三只腿作為平臺機器人支撐，2、4、6 三只腿前行跟進。調(diào)整平臺后恢復(fù)初始六足支撐狀態(tài)，完成一步前行。連續(xù)行走時重復(fù)上述過程即可。

2.3 轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析

圖3 平臺機器人前進步態(tài)分析

轉(zhuǎn)彎步態(tài)相對于直行步態(tài)較為復(fù)雜，根據(jù)實際轉(zhuǎn)彎環(huán)境的不同，可以分為定點轉(zhuǎn)彎和彎道轉(zhuǎn)彎，其中彎道轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析較為簡單，相當于六足機器人在一個具有一定圓弧的軌道上直行前進，平臺平衡性容易滿足，只是每一步需要適當微調(diào)平臺機器人的姿勢。因此本次轉(zhuǎn)彎僅做定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析。如圖4 所示為定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析，同樣按照三支撐三抬腿的行走方式進行。首先由2、4、6一組腿作為支撐，1、3、5 一組腿分別移動到指定的地面，同時平臺重心向右方傾斜調(diào)整，1、3、5 完成動作后固定在地面作為平臺機器人的支撐，2、4、6 一組腿也移動到指定的地面，同時平臺重心隨動調(diào)整，達到轉(zhuǎn)彎角度的目的。該種方式轉(zhuǎn)彎步態(tài)僅需要兩步即可完成一定角度的轉(zhuǎn)彎。

圖4 平臺機器人轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析

3 六足機器人運動仿真

為進一步驗證大型六足平臺機器人直行前進和轉(zhuǎn)彎運動，本文對六足平臺機器人的運動進行了仿真。仿真采用三維軟件NX5.0 進行建模，然后導(dǎo)入到虛擬樣機仿真軟件ADAMS 內(nèi)進行運動仿真。

3.1 直行運動仿真

將建模后的六足機器人導(dǎo)入到ADAMS 軟件后，根據(jù)建模尺寸及材質(zhì)屬性設(shè)定，由ADAMS 軟件計算出平臺機器人的質(zhì)量和重心所在位置［3］，根據(jù)自動計算，平臺機器人的重心高度為1 800 mm，而后根據(jù)需要對模型腿部各個關(guān)節(jié)添加轉(zhuǎn)動副，對機器人足部與地面添加接觸，并對機器人添加驅(qū)動，本次驅(qū)動采用Step 階躍函數(shù)，如圖5 所示為建立后的運動仿真模型。

圖5 六足平臺機器人運動仿真模型

圖6 、圖7、圖8 為平臺機器人重心坐標在直行運動中的位移情況。

圖6 平臺重心（前進）X 方向位移

圖7 平臺重心Y（橫向）方向位移

圖8 平臺重心Z 方向（上下）位移

由上述運動仿真結(jié)果可知，六足機器人三支撐三抬腿方式行走連續(xù)性較好，速度波動較??；平臺重心上下波動比較小（相對于重心的高度），平臺能夠平穩(wěn)前進；平臺在前進過程中雖然存在橫向Y 方向上的波動，但是波動較小，不影響平臺機器人保持平衡與前行。

3.2 轉(zhuǎn)彎運動仿真

圖9、圖10、圖11 所示為平臺機器人轉(zhuǎn)動運動仿真過程中平臺機器人重心坐標移動情況。

從運動仿真結(jié)果可以看出，六足機器人轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析較為合理，轉(zhuǎn)彎整體比較平穩(wěn)，平臺機器人上下波動較小，能夠平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎；在水平方向X 軸和Y 軸雖然有些波動，但是波動較小，分析可能與在轉(zhuǎn)彎過程中機器人足底打滑所致，說明在后續(xù)樣機試制中要設(shè)置機器人足底防滑措施，以便六足機器人能夠更加平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動。

圖9 平臺重心X 方向位移

圖10 平臺重心Y（橫向）方向位移

圖11 平臺重心Z 方向（上下）位移

4 結(jié) 論

本文通過對生物腿部結(jié)構(gòu)及運動功能進行分析，完成了大型六足平臺機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進行了前進和轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析，最后通過NX5.0 和ADAMS 聯(lián)合運動仿真確定了大型六足平臺機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理。之后在運動仿真中模擬了六足機器人直線運動和轉(zhuǎn)彎運動，從仿真結(jié)果可以看出，所設(shè)定的前進和轉(zhuǎn)彎步態(tài)具有速度快、運動平穩(wěn)、對平臺波動影響小等特點，為制作六足平臺機器人真實樣機提供了重要的參考。

［1］ 馬東興.四足機器人步態(tài)規(guī)劃與仿真［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

［2］ 王琛柱.從生理特點淺析昆蟲繁盛原因［J］.昆蟲知識，2001，38（6）：468-472.

［3］ 焦廣發(fā)，周蘭英.ADAMS 柔性體運動仿真分析及運用［J］.現(xiàn)代制造工程，2007（5）：51-53.