詹廣強(qiáng) 趙基偉 謝磊超

摘要：虛擬仿真設(shè)計(jì)方法在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中占有重要地位，針對(duì)目前虛擬仿真軟件存在的不足之處，在設(shè)計(jì)時(shí)往往需要選用多個(gè)仿真軟件組合使用才能達(dá)到所需的仿真目的。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)六足雙斗機(jī)器人，應(yīng)用建模和仿真功能較齊全的Inventor對(duì)其進(jìn)行虛擬分析，檢查機(jī)器人在行走和爬坡過程中的行走步態(tài)，獲得機(jī)器人在不同工作狀態(tài)下重心的變化曲線，分析機(jī)器人設(shè)計(jì)的合理性，為更好的設(shè)計(jì)新型六足機(jī)器人提供設(shè)計(jì)依據(jù)。并制造了小型物理樣機(jī)，檢驗(yàn)仿真設(shè)計(jì)的可靠性，通過物理樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證Inventor仿真的可靠性和正確性。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真設(shè)計(jì)；六足機(jī)器人；Inventor；運(yùn)動(dòng)仿真Inventor是一種全面的可視化設(shè)計(jì)工具，用于創(chuàng)建和驗(yàn)證完整的數(shù)字樣機(jī)，可以檢驗(yàn)機(jī)械產(chǎn)品的外型、結(jié)構(gòu)和功能，也可以對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和應(yīng)力分析，設(shè)計(jì)師應(yīng)用這種軟件可對(duì)數(shù)字化樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，并預(yù)測(cè)機(jī)械產(chǎn)品在未來的實(shí)際工作情況[1]。

本文設(shè)計(jì)了六足雙斗機(jī)器人，機(jī)器人采用足式移動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)在于控制簡(jiǎn)單，移動(dòng)比較迅速，同時(shí)可以相對(duì)較容易地跨過比較大的障礙，但是當(dāng)機(jī)器人在行走時(shí)，整個(gè)物體的重心會(huì)發(fā)生變化，各個(gè)關(guān)節(jié)受到的速度及加速度也不同，在不行走，進(jìn)行挖掘工作，不同部位受到的力也不一樣。本文應(yīng)用Inventor對(duì)六足機(jī)器人在平地行走和爬坡過程中重心的位置、速度加速度變化進(jìn)行仿真分析，Inventor集設(shè)計(jì)、建模和仿真于一體，且操作簡(jiǎn)單，這給設(shè)計(jì)工作帶

來了許多方便，節(jié)約了研究時(shí)間和研制費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、高速度、高效率、低成本的整體設(shè)計(jì)。

本文所應(yīng)用的軟件為虛擬設(shè)計(jì)方法又提供了一個(gè)方便可行的辦法，同時(shí)，設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人為足類機(jī)器人的設(shè)計(jì)也提供了一些思路。在Inventor的虛擬仿真下，得到所設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人的一些有用信息，為更好的設(shè)計(jì)新型六足機(jī)器人提供了參考依據(jù)。小型物理樣機(jī)試驗(yàn)，行走和利用雙斗夾取物體。

1六足機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

Inventor非常注重產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)，同時(shí)其渲染功能也易于操作，效果良好，應(yīng)用Inventor對(duì)六足機(jī)器人進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)造型和渲染，結(jié)果如圖1所示，其中腿部結(jié)構(gòu)放大圖如圖2所示。圖2(a)圖是腿部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，輸入旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在滑塊和曲柄的作用下轉(zhuǎn)化為腿部搖擺運(yùn)動(dòng)[2]，腿部機(jī)構(gòu)的搖擺幅度為[-24°~+24°]，由于該機(jī)器人的腿部關(guān)節(jié)是鉸接和滑動(dòng)副,因而在步行時(shí)即使出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象也具有較強(qiáng)的姿態(tài)恢復(fù)能力[3]，足部使用減震和緩沖作用的橡膠材料。

2機(jī)器人步態(tài)分析

在機(jī)器人研究領(lǐng)域,支撐相和擺動(dòng)相隨時(shí)間變化的順序集合稱為步態(tài)。對(duì)勻速行走的機(jī)器人來說,其足相呈周期變化規(guī)律，由于這時(shí)步態(tài)是周期性變化的,故稱為周期步態(tài)，在一個(gè)周期T內(nèi),支撐相的時(shí)間為t,則該足的有荷因數(shù)β按下式計(jì)算[4]:

一個(gè)步態(tài)周期中,步行機(jī)器人機(jī)體重心向前移動(dòng)的距離稱為步距s,各足處于支撐相時(shí)相對(duì)于機(jī)體的移動(dòng)距離稱為足的行程R,兩者的關(guān)系為[4]:

三角步態(tài)是六足仿生步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)步行的典型步態(tài)[4]。其核心思想是把機(jī)器人的六足分為兩組(軀體一側(cè)的前、后足和另一側(cè)的中足構(gòu)成一組，其余足構(gòu)成另一組),三足支撐機(jī)體并推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)(稱為支撐相),另三足擺動(dòng)為下一步支撐做準(zhǔn)備(稱為擺動(dòng)相),整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程就是支撐相與擺動(dòng)相交替、循環(huán)的過程。如圖3所示，1、5、4為一組（后文稱為實(shí)心組），2、3、6為另一組（后文稱為空心組），實(shí)心組和空心組在相位上相差180°。起初實(shí)心組作為支撐相，而空心組作為擺動(dòng)相向前移動(dòng)；之后空心組作為支撐相，實(shí)心組作為擺動(dòng)相向前移動(dòng)，這樣完成一個(gè)交替循環(huán)。

六足機(jī)器人爬坡行走狀態(tài)及整體受力分析如圖4所示，腿部形成的摩擦力克服重力的一個(gè)分力達(dá)到向前行走的目的。在爬坡時(shí)雙斗的位置嚴(yán)重影響機(jī)器人的穩(wěn)定性和爬坡能力，設(shè)計(jì)雙斗的最佳放置位置，有利于機(jī)器人的爬坡動(dòng)作。

3基于Inventor的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 重心變化情況分析

六足機(jī)器人重心位置、速度、加速度對(duì)機(jī)器人整體的穩(wěn)定性有重要影響[5]，通過仿真得到在不同爬坡角度下重心的變化曲線，分析機(jī)器人的穩(wěn)定性。如圖5所示，機(jī)器人在平面上行走時(shí)的重心變化曲線，由前面設(shè)計(jì)的腿部結(jié)構(gòu)可知，機(jī)器人每走一步，在豎直方向上重心都有一個(gè)上升和下降的過程，豎直方向波動(dòng)幅值越大說明機(jī)器人步距也越大，太大的步距影響機(jī)器人的穩(wěn)定性。水平方向上的波動(dòng)越小越好，如圖5(b)所示，Y方向上的速度波動(dòng)非常小，加速度對(duì)機(jī)器人零部件有一個(gè)動(dòng)載荷的作用，求出行走每一步的加速度后還可以計(jì)算出零部件上的動(dòng)載荷。從圖中可以看出，重心在各種情況下的變化曲線有很強(qiáng)的周期性，這與前面的分析一致。

通過虛擬仿真分析，所設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人最大爬坡角度為22°，重心變化曲線如圖7所示，圖6為爬坡角度為15°時(shí)的重心變化曲線。

5結(jié)論

本文基于Inventor環(huán)境設(shè)計(jì)了六足雙斗機(jī)器人，機(jī)器人的主要功能是行走、爬坡和夾持物體。通過在Inventor環(huán)境中的虛擬建模和仿真，得到六足機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，并對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與分析。通過仿真分析，得出了不同爬坡角度下機(jī)器人重心的變化曲線，同時(shí)也驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的三角步態(tài)的穩(wěn)定性和適用性，得到了所設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人的最大爬坡角度為22°。應(yīng)用Inventor的虛擬仿真設(shè)計(jì)手段大大縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了六足仿生步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)可靠性和研制水平，在機(jī)器人設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域具有一定的指導(dǎo)意義。

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