第 42 卷 第3期 基于 ADAMS 的六足仿生机器人结构设计及运动仿真 文章编号： 1004－2539（ 2018） 03－0049－05 49 DOI： 10．16578 / j．issn．1004．2539．2018．03．012 基于 ADAMS 的六足仿生机器人结构设计及运动仿真 宫丽男 1 庞在祥 （ 1 长春职业技术学院 工程技术分院， （ 2 长春工业大学 工程训练中心， 2 吉林 长春 吉林 长春 130000） 130012） 为了提高六足仿生机器人对工作环境的适应性及工作的灵活性 ， 在分析仿生甲虫机体形 态和结构特点的基础上，以甲虫为摹本，设计了一种性能优越、 结构简单的六足对称的纲昆虫结构 摘要 机器人，利用 CATIA 三维造型软件生成三维实体模型，将其导入 ADAMS 建立虚拟样机动力学模型。 对其进行六足机器人在平坦地面上直线行走步态和定点转弯步态分析 ， 得到了运动学和动力学特性 曲线，验证了机器人结构的合理性和运动的可行性 。 为机器人数值计算及物理样机的研制提供理论 依据，也为实现六足仿生机器人的精确控制创造条件 。 关键词 仿生甲虫 六足机器人 结构设计 步态轨迹 运动仿真 Structure Design and Kinematic Simulation of Biomimetic Hexapod Ｒobot based on the ADAMS Gong Li'nan 1 Pang Zaixiang 2 （ 1 Engiering Technology Branch，Changchun Vocational Institute of Technology，Changchun 130000，China） （ 2 Engineering Training Center，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China） Abstract In order to improve the adaptability and flexibility of the hexapod bionic robot to the working environment，based on the analysis of the physical form of bionic beetle and structural characteristics，taking the beetles as reference，a kind of six －foot symmetrical insect structure robot with good performance and simple structure is designed． The 3D solid model is generated by using CATIA 3D modeling software，which is imported into ADAMS to establish the dynamics model of virtual prototype． The gait of the hexapod robot walking on the flat ground and the gait of the fixed －point turning are analyzed． The curve of kinematics and dynamics characteristics are obtained，and the rationality of the structure and the feasibility of the motion are verified． It provides the theoretical basis for the numerical calculation of the robot and the development of the physical prototype， and also creates the conditions for the precise control of the hexapod bionic robot． Key words 0 Bionic beetle Hexapod robot Structural design Gait trajectory Kinematic simulation Ariel、Asterisk、ＲOBOTUＲK、NOＲOS 等多种性能优 越的六足机器人，并深入研究及探索相关基础理论， 引言 近年来， 随着科学技术的不断推进， 人们迫切 需要在复杂环境中具有移动能力强、 可靠性高、 扩 ［1］ 展能力好的可移动仿生平台 。在非结构化环境中， 机器人需要面对如沟壑、 障碍物、 沙地、 沼泽等不 ［4－8］ 为六足仿生机器人的发展奠定了坚实基础 。 基于六足甲虫躯体形态和结构特点设计了一种 性能优越、结构简单的六足对称的纲昆虫结构机器 人。通过建立动力学虚拟样机模型， 并在 ADAMS 中 平坦地形，足式机器人与轮式和履带式机器人相比 ［2］ 具有明显优势 。 六足仿生机器人具有丰富的步态 对所建立的六足仿生机器人进行平顺路面的直线行 驶和转弯运动学仿真分析， 得到直行步态以及转弯 和冗余结构， 同时， 灵活性高、 可靠性好， 所以在 抢险救灾、 军事侦察及救援、 社会服务和农业等领 步态的特征曲线， 验证机器人结构的合理性和运动 的可行性。为机器人数值计算及样机的研制提供理 ［3］ 域具有广泛的应用前景 。20 世纪 80 年代以来， 国 内外多所大学和科研机构相继研制成功了 Genghis、 论依据，也为实现六足仿生机器人的精确控制创造 条件。 机械传动 50 1 2018 年 ［10］ 机器人 6 条腿均匀分布在躯干周围 。 为了达到仿 生效果，机器人各关节旋转关节都由一个独立的舵机 六足仿生机器人的结构设计 六足仿生机器人的结构是实现灵活运动的载体， 决定着机器人运动性能的优劣。 从 机 构 学 角 度 看， 驱动，所设计的机器人结构紧凑，足端运动空间大， 且运动灵活。腿部采用串联机构，具有较强的姿态恢 六足生物机构复杂， 结构参数多， 完全仿照生物的 结构特点进行仿生十分困难。 本文中我们以六足甲 复能力。六足仿生机器人腿部结构如图 3 所示。 虫作为仿生原型，在研究其生物结构的共性基础上， 从机构学和仿生学角度出发， 研究开发了一种新型 六足仿生机器人结构。 设计的六足仿生机器人腿部 与机体有机结合， 使其达到运动灵活、 稳定性好和 能耗低等要求。六足甲虫整体结构图如图 1 所示。 图3 2 图1 六足仿生机器人腿部结构图 六足仿生机器人的步态原理分析 六足甲 虫 在 平 坦 路 面 行 走 时 所 采 取 的 步 态 为 “三角步态 ”， 行走时腿部向外伸展， 各足在摆动相 和支撑相之间转换时胫节无明显抬起， 依靠根关节 六足甲虫结构图 六足甲虫 6 条腿的腿部具有相似性结构， 分别 包括 3 个转动关节 （ 根关节、 髋关节和膝关节 ） 、3 个连接节 （ 基节、 股节和胫节 ） 和 1 个足。 其中，3 个连接节分别绕着 3 个转动关节做单自由度的旋转 ［9］ 运动 。六足甲虫腿部结构图如图 2 所示。 运动实现腿部摆动， 膝关节贴近地面， 股节和胫节 相对转动较小，直行过程中， 落足点选取范围较小， 身体会出现轻微偏移。 通过对六足甲虫步态轨迹的 观察以及机器人行走稳定性问题的分析， 基于典型 的 “三角步态” 方法，对机器人的 6 条腿进行分组， 以一侧的前腿、 后腿与另一侧的中腿组成一组三角 支撑机构，另外 3 腿同时向前迈进。 在同一时间内 只有一组起到行进作用， 当前腿抓地后拉动躯体前 进，中腿起到支撑并举起所属一边的躯体， 后腿则 带动躯体向前行进， 并带动躯干进行转向操作， 前 进过程中躯体向前并稍向外侧转动， 同时 3 条腿一 起向前行进， 然后再与另一 组 的 3 条 腿 交 替 进 行， 图2 ［11］ 完成机 器 人 的 行 走 。 在 机 器 人 的 机 构 设 计 过 程 中，要保证一组支撑机构在抬离地面过程中另一组 六足甲虫腿部结构图 通过对六足甲虫腿部结构的分析， 为了提高机 器人运动过程中的稳定性以及减少机器人在运动过 程中各腿之间出现干涉的情况，所设计的六足仿生 图4 支撑机构要提供三角支撑， 保持机器人的平衡， 保 证机器人在静态稳定性条件下提供较快的行走速度。 六足机器人行走状态如图 4 所示。 六足机器人行走状态 第 42 卷 3 第3期 基于 ADAMS 的六足仿生机器人结构设计及运动仿真 六足仿生机器人仿真模型的建立 4 通过上述分析与研究，基于三维造型软件 CATIA 4. 1 建立六足仿生机器人的三维模 型。在设计过程中，为了充分 51 六足仿生机器人运动仿真分析 4. 1. 1 六足仿生机器人直行步态仿真 驱动函数的添加 为了减少机器人的冲击，使机器人运行更加平 ［12］ 稳，选用 ADAMS 中的 STEP 函数作为驱动函数 。 考虑机器人行进过程中的稳定 性以及保证机器人 6 条腿运动 过程中具有足够的运动空间， 以机器人的左前腿和右前腿为例添加 2 s 驱动函数。 并对左前腿的根关节、 膝关节及右前腿根关节、 膝 机器人的躯干部分设计为圆形 结构，6 条腿对称均匀分布在 关节添加相应的驱动函数。 机 器 人 在 直 线 行 驶 时， 各条腿的髋关节不动， 所以直线行驶时机器人髋关 躯干 两 侧。 为 了 达 到 减 震 目 的，在腿部的足端采用木质材 图5 料，以提高机器人的稳定性。 机器人足端结构如图 5 所示。 六足仿生机器人 足端结构 由于六足仿生机器人机械结构复杂， 为了加快 仿真的效率， 提高仿真分析结果的可靠性， 在建立 节相应的驱动函数均设置为 0。 4. 1. 2 仿真结果分析 六足仿生机器人的仿真模型添加完相应驱动函 数后，设置仿真参数： 仿真时间为 8 s， 仿真步数为 50 步。仿真后， 得出六足仿生机器人的质 心 在 X、 Y、Z 3 个方向上的位移曲线，如图 8 所示。 仿真模型中， 尽量简化机体与六足， 只保留其关键 部件，并对各关键部件进行相关属性定义。 简化后 的三维模型如图 6 所示。 图8 直行时机器人质心在 X、Y、Z 方向的位移曲线 通过仿真可知， 六足机器人的质心 Y 方向的最 大值 28、最小值 － 31、 总偏移量 59， 说明机器人在 图6 六足仿生机器人三维模型 为了确定六足机 器人各 部 件 的 质 心， 装配过程中存在间隙， 造成机器人在运动过程中存 在左右偏移。机器人在运动时质心在 Z 方向呈现周 期性起伏变化， 质心位置基本不变， 机器人运动较 为平稳。 在 ADAMS 中对其转 动惯量和质量进行计 算，并根据六足甲虫 的结构 及 运 动 特 征， 对六足机器人的虚拟 模型添加约束，并验 证模型的正确性。 图9 右前腿根关节与膝关节力矩随时间变化 图 10 左前腿根关节与膝关节力矩随时间变化 六足仿生机器人 的