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1、第二届中国C A E 工程分析技术年会 基于A D A M S 的四足机器人仿真 吕原君楼敏用林航周理静 ( 浙江工业大学机电学院杭州3 1 0 0 1 4 ) 囊要：提出了四足机器人行走过程的仿真分析，在A D A M S 中建立简单曲四足机器人模型加以分析，得到台理 的行走过程以此为基础建立机器狗摸型并导入仿真较件A D A M S 中通过加入约束和动力分析，以一定形式的 步恋分析实现了机器狗在平面上行走并分析了稳定性以及在行走过程中各部分动作产生的影响，为研究智 能化玩具和四足机器人提供帮助 关饕词：A D A M S 露足机嚣人盎擞仿真机器掏 1 引言 在自然界和人类社会中，存在人类无
2、法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合，如工 地，防灾救援和反恐斗争等许多领域，对这些复杂环境不断的探索和研究往往需要有机器人 的介入，腿式机器人由于本身优势开始在机器人研究理论变得热门起来。四足机器人由于各 方面优势成为许多人研究重点，而机器狗成为首选对象，如索尼公司的机器狗闻名于世；清 华大学研制出人脑控制机器狗：哈尔滨航天风华科技股份有限公司研制成功的菲罗的智能机 器狗。机器狗的研究对玩具行业及机器人研究有一定意义。 机械系统分析软件A D A M S ( a u t o m a ti cd y n a m i co fm e c h a n i c a ls y s t e m )
3、集建模、求解和 可视化技术于一体，能有效分析和比较多种参数方案。机器狗运动学、动力学比较复杂，研究 和开发一种合理的机器狗仿真模型是非常有意义的，特别是它能为四足行走机器人提供借鉴 与帮助。文中利用A n l I s 软件对机器狗完成了虚拟仿真分析，过程非常简单和直观，大大提 高了研究效率，节约了时闻和费用，提高了产品设计质量，大幅度缩短产品开发周期与研发费 用，并为同类型设计提供了帮助。 2 四足机器人模型分析 2 1 四足机器人的优点 与其它移动方式的机器人相比，四足机器人具有地面适应性强、效率高等优点。为此， 四足机器人的研究已经成为机器人学中一个引入瞩目的领域。对四足机器人的步态进行三
4、维 动态仿真可以使研究者对机器人运动方式有一个感性的认识，可以帮助对机器人身体各个部 分的位置关系建立正确的方程，可用于投验轨迹规划和作业规则的正确性和合理性，可为离 线编程技术的研究提供一种有效的验证手段。 2 2 四足机器人步态分析 图1 为基于A D A M S 的四足机器人模型的规划与分析，在A D A M S 里面建立连杆机构与地面， 如图1 ( a ) 中所示，每条腿分别有2 跟连轩组成。 四足机器人在行走时机体首先要保证静态稳定。在步行过程中，对角线上的两足同时支撑着 地或抬起向前迈步，另一条对角线上的两足则相应的同时抬起向前迈步或支撑着地。在小支 撑情况下，它是一种静态不稳定平
5、衡步行状态，为使其稳定行走，必须使其达到动稳定 第二届中国C A E 工程分析技术年会 平衡状态。具体过程如下：圈l ( a ) 为原始站立状态，前腿l 与后腿3 抬起，前腿2 与后 腿4 呈支撑态( 图1 ( b ) 所示) ，并且模型重心开始前顷( 图l ( C ) ) 所示) ，恰好使重心在支 撑腿2 和4 的对角线稳定区内( 图l ( d ) ) 。接着四脚返回到直立状态( 图1 ( e ) ) ，保持平衡状态。 前腿2 与后腿4 抬起，前腿l 与后腿3 呈支撑态所示) 。并且模型重心开始前顷( 图1 ( f ) 所示) ， 恰好使重心在支撑腿1 和3 的对角线稳定区内( 图1 ( g
6、 ) ) ，接着又保持平衡状态( 图1 ( h ) ) 。 这样构成一个周期运动。 2 3 四足机器人控制分析 四足步行机器人是一个多变量、强耦合、非线性和时变的动力学系统，其变姿态结构的不 稳定性及产生稳定步行所必须的动态平衡问题，对控制 理论的研究及实时控制系统的设计都具有很大的挑战 I e )( n “)圈2 四足机器人凑拳轨迹分析 f h ) 图1 基于A D A M S 的四足规划与分析 性。根据四足机器人的独立驱动参数能够计算机体的运动位置和速度”。机器人四条腿依次“抬 起一摆动一放下”构成一个步态周期，一个步态周期需要分成若干个阶段以对应于每条腿“抬 起一摆动一放下”。需要合理控
7、制每条腿来保证行走的稳定性。 为了更好的实现机器人行走，通过观察狗单条腿的行走过程，并采用描点法绘出其轨迹 并将其输入到A D N a S 中，得到四足机器人步态轨迹为如下图2 所示。 将得到的轨迹为基准，让脚跟在轨迹上运动，得到关节的角速度变化，去掉轨迹，以测 得角速度为每个关节的动力。即逶过轨迹反求来实现四足机器人的运动变化。图3 分别2 个 关节的角度与角速度变化。并将它生成s o li n e 形式作为动力控制关节运动。 1 1 0 第二届中国C A E 工程分析技术年会 谳l | 3 机器狗的仿真分析 图3 二个关节的速度控制 作为四足机器人的典型代表，机器狗的动 力分析也将成为研究
8、的对象。在三维软件p r o e 中建好模型后导入到A D A M S ，如图4 所示。给 每个部分定义好质量与约束，建立地面以模拟 行走用，为此，建立四条腿与地面的接触，即 设置好摩擦、刚度系数等参数设置。并按照前 面分析方法输入动力进行行走分析。设景好步 长。同时根据要求让头部以一定方式运动，得 到了如图5 所示的机器狗行走过程。 图4 基于A D A M S 的机墨狗摸型 并根据狗的实际运动建造仿真，分析出机器狗的 性能，并通过A D A M S 方便地改进和优化模型。 圈5 机器狗的行走过程 圈6 机器狗质心上下波动状况 运动 第二届中国C A E 工程分析技术年会 稳定性对机器狗是非
9、常重要的参数。图6 机器狗质心上下波动状况。图7 为质心水平移 动情况，可以看出总体趋于稳定。但随着身体其他部位( 如头部) 运动产生了向一边移动的 图7 机器狗水平波动情况 前进方向的位移变化。从图中可以看出它是波浪 型运动方式。 图9 为机器狗运动过程中( 前进方向) 四脚 接触力的变化。从图中可以看出行走过程中幅度 不是很大。有利于进一步分析与改进。 机器狗的虚拟仿真分析可以作为四足机器 人设计和研究的灵活方便可靠的工具，发挥重要 的作用。 4 结论 仿真软件A D A M S 为研究步行机器狗行走提 供了鞍理想的平台。它形象逼真，立体感强。同 时在理论分析基础上进行结果分析，有利于迸一
10、 步改善模型与运动过程。为模型开发与智能化设 计提供依据与帮助。但它在稳定性、适应性和灵 活性等方面有待于进一步改进，控制方法还有待 于进一步完善。 随着四足机器人的研究日益深入和发展，在 稳定性、机动性和适应性等方面的性能将不断提 高，智能化方面将逐步实现与改善，将能够满足 1 1 2 圈8 机器狗前进位移变化 趋 势。 8 为 质 心 J o N T c ，r - XJ - - - - - - - - - - - - - ：- - 一 -t 了。一r ”? 一。一J 腰9 四脚接触力变化 图 第二届中国C A E 工程分析技术年会 更多特殊环境和场合的需要，因而具有广阔的应用前景。 参考文
11、献： 1 冯萍，陈佳品，程君实微机三维动画技术在四足机器人步行研究中的应用微型电脑应用1 9 9 5 4 1 6 1 9 1 2 】陈佳品，程君实，冯萍，马培荪，潘俊民席裕庚四足机器人对角小跑步态的研究上海交通大学 学报1 9 9 7 61 8 2 3 3 陈学东，郭鸿勋，渡边桂吾四足机器人爬行步态的正运动学分析机械工程学撤2 0 0 328 1 2 4 刘洋陈佳品，程君实基于0 p e n G L 的四足机器人步态仿真系统计算机工程2 0 0 2 1 05 3 7 1 5 刘静，赵晓光，谭民腿式机器人的研究综述机器人2 0 0 6 ( I ) 8 1 8 6 6 徐轶群万隆君四足步行机器人稳
12、定性步态分析制造业自动化2 0 0 I ( 8 ) 5 8 作者简介： 吕原君男1 9 8 0 年生浙江工业大学机电学院硕士研究生，研究方向：机电一体化产品设计，C A E ，可重 构理论。目前录用的文章为6 篇 联系方式：吕原君浙江工业大学研2 4 1 # 3 1 0 0 1 4 联系电话：0 5 7 1 8 8 3 2 0 4 7 7 ( 上接第1 0 8 页) 参考文献： 【lJ 孙类，黄宁军。束正超等L S - D Y N A M A D Y M O 耦台功能在E C EP 9 5 侧碰分析中的应用2 0 0 5 M A D Y M OC h i n aU s e r sM e e t i n g , P a p e r N o 2 0 0 5 - 0 7 作者简介： 姓名：赵桂范 性别：女 学历：博士 职称：教授 单位：哈尔滨工业大学( 成海) 汽车工程学院 联系地址：山东省戚海市哈尔滨工业大学( 威海) 汽车工程学院 E m a i l ：z g f 7 0 7 1 1 6 3t o m 联系电话：0 6 3 1 5 6 8 7 5 2 31 3 0 6 1 1 4 2 7 7 1
