陳瑞曉

摘 要：針對在崎嶇路面行走的六足機器人，本文利用Adams軟件建立其剛體動力學模型，模擬運動過程中的動力學變化，分析不同工況對六足機器人關節(jié)驅動力矩的影響，得到前腿、中腿的髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)的形狀相似性，明確落地等因素對關節(jié)的影響，為六足機器人的后續(xù)研究提供一定依據(jù)。

關鍵詞：六足機器人;動力學;仿真

中圖分類號：TP242文獻標識碼：A文章編號：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

隨著計算機技術水平和自動化制造水平的逐漸提高，人工智能成為當今社會的研究熱點，使得機器人技術得到進一步的發(fā)展。在不同運動方式中，足式機器人具有多接觸點、運動非連續(xù)性等特點，增強了其對地面的適應能力，提高了運動范圍，因此足式機器人在復雜工作環(huán)境中具有廣闊的應用前景，對其運動特性和控制系統(tǒng)的研究具有深遠意義[1]。尤其是六足機器人的足端具有非連續(xù)性運動的特點，即某條腿在出現(xiàn)故障時依然可以完成運動過程，另外可以采用不同的運動步態(tài)完成不同路面的行走[2]。因此，對六足機器人動力學的研究可以為機器人運動控制設計提供一定依據(jù)。

1 建立六足機器人的Adams模型

六足機器人的三維模型較為復雜，而本文只是研究機器人在行走過程中的動力學問題，因此其實際結構可以做一定簡化，保留機器人的幾何參數(shù)。另外，機器人構型設計采用SolidWorks軟件進行建模，在建立SolidWorks三維模型時，要做出關于機器人的相關假設[3]：六足機器人的每個構件都為剛體部件，不考慮彈性變形和柔性形變等影響;六足機器人的支撐腿部足端和地面接觸具有足夠大的摩擦力，支撐腿部和地面之間不存在相對滑動等現(xiàn)象;六足機器人的驅動系統(tǒng)為理想狀態(tài)，無延遲現(xiàn)象的發(fā)生;在行走過程中，六足機器人關節(jié)和液壓缸之間的摩擦均忽略。

根據(jù)功能需求，建立機器人的三維模型，并在Adams軟件中打開，得到仿真模型，如圖1所示。六足機器人的運動主要依靠關節(jié)的旋轉，因此還需要添加約束和驅動，機器人關節(jié)的轉動約束共有18個轉動副，其中有12個轉動副在xz平面內(nèi)，其余6個轉動副在xy平面內(nèi)。通過規(guī)劃每個關節(jié)的轉動角度來進行仿真，將變量設定為運動函數(shù)，設定機器人的運動規(guī)律。機器人足端和地面之間設定一定大小的摩擦力，并且添加相應的接觸力，限定地面的剛度等特征參數(shù)，通過虛擬仿真分析其物理特性和基本特性，為后期結構參數(shù)的優(yōu)化提供一定幫助。

2 六足機器人動力學仿真

六足機器人的動力學分析是對機器人驅動力進行建模和計算，因此這里通過機器人腿部髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)的驅動力矩對機器人的動力學進行分析，調節(jié)機器人的關節(jié)峰值扭矩，提高六足機器人在運動過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

首先，六足機器人不同腿部髖關節(jié)的扭矩關系呈現(xiàn)部分相同的趨勢，其分別在支撐腿和擺動腿兩個類別中具有相同的變化規(guī)律，其中會有不同的波動，因為機器人重心位置的不同會影響腿部關節(jié)扭矩。機器人髖關節(jié)的扭矩相對較小，最大的尖峰為600 N·mm。進一步分析可以得知，髖關節(jié)主要用于完成腿部的擺動功能，在作為支撐腿時，機器人腿部的髖關節(jié)主要受到彎矩的作用，對機器人關節(jié)的損壞影響不大。

其次，重點對六足機器人腿部的膝關節(jié)進行仿真，得到六足機器人腿部膝關節(jié)單周期扭矩曲線，如圖2所示。

由圖2可知，六足機器人不同腿部膝關節(jié)的扭矩關系呈現(xiàn)部分相同的趨勢，其分別在支撐腿和擺動腿兩個類別中具有相同的變化規(guī)律，即驗證了相同的運動規(guī)律。但是，在步態(tài)改變的過程中，機器人左、右中腿的扭矩變化時間極短，扭矩曲線呈恒定數(shù)值的直線狀態(tài)，而前腿和后腿的膝關節(jié)在步態(tài)改變時則逐漸變化，扭矩曲線具有一定的斜率;另外會有不同的波動，原因是機器人重心位置的不同和過程慣性力的變化等因素影響腿部關節(jié)的扭矩。對比可以看出，機器人膝關節(jié)的扭矩主要支撐機器人的重量，相對髖關節(jié)數(shù)值較大，最大的尖峰為16 000 N·mm，約為髖關節(jié)峰值扭矩的25倍。進一步分析可以看出，機器人腿部的膝關節(jié)主要承受的是機器人的重量，在作為擺動腿時，機器人腿部的膝關節(jié)扭矩基本為零，而在足端接觸地面，將其作為支撐腿時，機器人腿部的膝關節(jié)會受到扭矩的沖擊，因此扭矩突變的數(shù)值大小影響機器人的穩(wěn)定性。

最后，六足機器人不同腿部踝關節(jié)的扭矩關系與膝關節(jié)相似，不同的是，機器人踝關節(jié)所承受的扭矩約為髖關節(jié)峰值扭矩的15倍，同時踝關節(jié)的扭矩和膝關節(jié)的扭矩方向具有相反特點，滿足機器人動力平衡的約束條件。

3 結語

本文在Adams軟件中建立六足機器人的仿真模型，添加對應的關節(jié)約束和運動驅動函數(shù)，分析不同工況對六足機器人關節(jié)驅動力矩的影響，闡述前腿、中腿的髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)的形狀相似性，研究了落地等因素對關節(jié)的影響，進一步驗證了該步態(tài)的可行性和合理性，為機器人結構參數(shù)的優(yōu)化和運動控制設計提供依據(jù)。

參考文獻：

[1]陳杰.六足機器人非結構化環(huán)境下的擺動腿運動規(guī)劃與控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2012.

[2]牛永超.基于CPG的六足機器人協(xié)調運動控制方法的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2008.

[3]張煥.六自由度機器人結構設計、運動學分析及仿真[D].西安：西安理工大學，2004.