基于ADAMS的四足機器人上下坡運動仿真

2013-03-20 08:33:08馬宗利王建明李華趙彥劉延俊

機床與液壓 2013年4期

馬宗利，王建明，李華，趙彥，劉延俊

(山東大學機械學院，山東濟南250061)

四足機器人實際作業時會經常遇到一定坡度的地形，因此，對四足機器人進行上下坡運動仿真分析是很有必要的。

作者借助于虛擬樣機技術，在計算機上建立四足機器人的模型，改變四足機器人各條腿上的關節驅動函數，適當調整四足機器人的軀體姿態，進而維持身體平衡，完成上下坡的運動仿真。通過分析仿真結果可以提前發現一些問題，來改進四足機器人物理樣機設計。

1 四足機器人的簡化機構模型建立

簡化的四足機器人，每條腿具有兩個關節，即每條腿上各有髖關節和膝關節。每個關節設計一個自由度[1]，其關節配置形式為內膝肘式，即前面兩腿為肘式關節，后面兩腿為膝式關節。作者應用Pro/Engineer軟件建立的四足機器人模型如圖1所示[2]，其中機器人軀體長1 200 mm，寬400 mm，高120 mm，機器人大腿長460 mm，小腿長457.5 mm。

圖1 內膝肘式的四足機器人模型

2 四足機器人上下坡仿真用驅動函數的設計

采用內膝肘式的四足機器人來完成上下坡的運動。在機器人上下坡時，需要調整機器人機體的姿態，使得機體平面既不平行于水平面，也不平行于坡面，而是與水平面及坡面各有一定的角度。即機器人上坡時，使前腿髖關節平衡位置后移，膝關節平衡位置前移，同時使后腿髖關節平衡位置后移，膝關節平衡位置前移，這樣調整之后就會使得機器人前腿彎曲，后腿伸展，機器人的整體姿態就會變為前低后高，從而更容易上坡;而當機器人下坡時，剛好相反，即前腿髖關節平衡位置前移，膝關節平衡位置后移，同時使后腿髖關節平衡位置前移，膝關節平衡位置后移，這樣調整之后就會使得機器人前腿伸展，后腿彎曲，機器人的整體姿態就會變為前高后低，從而更容易下坡。

在仿真中，設置坡面的坡度為10°，上下坡運動時，在調整平衡位置的同時，在上坡時使機器人的前腿髖關節擺動幅值相對減小，在下坡時使后腿髖關節的擺動幅度相對減小。四足機器人采用trot步態實現上下坡運動[3]。

RF (右前腿)髖關節驅動函數由3段函數組成，3種函數的曲線分別如圖2所示。

圖2 RF髖關節采用的3種函數的曲線

當t=0～0.3 s時使用函數1，當t=0.3～0.4 s時使用函數2，當t ＞0.4 s時使用函數3，這樣完整的RF髖關節驅動函數就如圖3所示。

RF 膝關節驅動函數也由3段函數組成，3種函數的曲線分別如圖4所示。

圖3 RF髖關節采用的完整的驅動函數曲線

圖4 RF 膝關節采用的3種函數的曲線

當t=0～0.4 s時使用函數1，當t=0.4～0.5 s時使用函數2，在當t ＞0.5 s時使用函數3，這樣完整的驅動函數就如圖5所示。

圖5 RF 膝關節采用的完整的驅動函數曲線

3 四足機器人上下坡的運動仿真分析

設計的四足機器人完成坡度為10°的上下坡的運動環境如圖6所示。

圖6 四足機器人完成上下坡運動時的運動環境

3.1 四足機器人機體的上下坡運動仿真分析

對四足機器人機體質心進行上下坡運動仿真分析[4－6]，得到機體質心在前進方向、豎直方向以及橫向的位移曲線及速度曲線，分別如圖7—9所示。

圖7 四足機器人機體質心在前進方向的位移曲線及速度曲線

圖8 四足機器人機體質心在豎直方向的位移曲線及速度曲線

圖9 四足機器人機體質心在橫向的位移曲線及速度曲線

從四足機器人在豎直方向上的位移、速度圖中可以明顯地看出，機器人完成了平地—上坡—平地—下坡—平地的完整運動。從前進方向的位移、速度圖中可以看出:機器人在從平地轉為上坡時和從上坡轉為平地時，都有一定程度的打滑，在前進方向上的位移出現停滯不前的情況，機器人在平地上的速度約為1 m/s，上坡的速度約為0.5 m/s，下坡的速度波動比較大，但大體在0.75 m/s處波動。另外機器人在30 s的運動過程中，在橫向上大約有0.8 m的偏移量。