基于ADAMS的一種六足移動機器人的設計與研究

王佳佳， 唐雪梅， 何小龍

（西南科技大學智能機器人創新實踐班，四川綿陽621010）

基于ADAMS的一種六足移動機器人的設計與研究

王佳佳， 唐雪梅， 何小龍

（西南科技大學智能機器人創新實踐班，四川綿陽621010）

針對復雜環境對機器人的移動要求，提出了一種新型六足移動機器人的設計思想。設計了機器人的主要結構，對該機器人的設計進行闡述，并分析了其越障構態的變化特點。用靜力學方法對機器人進行了越障理論分析，建立了六足機器人參數化模型，經ADAMS對機器人進行機構運動仿真，獲得了機器人運動學特性曲線，為機器人總體系統設計與數值計算提供了參考依據。

腿式機構；越障；性能分析；ADAMS

0 引言

移動機器人在航天、救災、軍事等領域應用廣泛，常見的移動機器人可分為輪式、腿式和履帶式3種，這3種型式都有各自的特點。輪式機構具有良好的機動性，履帶式機構具有動載荷小、地形適應能力強的優點。輪、履式機器人由于結構簡單、容易控制，并且輪、履驅動方式技術成熟，一直是機器人研究的主要方向［1］。但是足式移動機構具有輪式和履帶式移動機構所沒有的優點,足式機器人的足具有大量的自由度，使機器人可以相對容易地跨過較大的障礙，由于足式機器人運動靈活，使其具有較強的環境適應能力。目前國內外已經研究出了很多腿式機器人，例如：美國University of Michigan、UC Berkeley和加拿大McGill University共同研制的RHex仿生蟑螂機器人；俄羅斯研制的六腿探測機器人NMIIIA；德國研制的BISAM四足步行機器人；哈工大研制的復合運動模式四足機器人；上海交通大學研制的四足機器人JTUWM-III等。

傳統的足式移動機器人往往存在結構復雜、車體重量大、移動速度慢等缺點，本文提出的一種新型六足移動機器人采用了對稱式結構，兼有體積小、移動速度快、越障能力強等特點。對該機器人的結構設計進行闡述，用靜力學方法對機器人進行了機構分析。通過ADAMS進行機構運動仿真，實現了機器人前進、后退、越障等多種運動方式，可為提高機器人的機構系統和復雜環境適應能力提供了理論依據，便于機器人進一步地優化設計與分析研究。

1 機器人機械結構分析

新型六足移動機器人的機械本體如圖1，采用對稱結構，由機身和兩組結構相同的腿式機構構成。腿式機構由一個曲柄桿、3個腿桿和3個連桿組成，各系桿間通過轉動副連接。機器人單側腿式機械部分機構簡圖如圖2所示，由電機帶動曲柄轉動實現步足的往復起落。按契貝謝夫平面機構自由度計算公式F=3n-2pl-ph，機器人單側腿部機構系統共7個活動構件，10個平面低副，沒有平面高副，得出腿部起落機構自由度為F=1，所以由一個電機帶動機器人單側腿部機構運動。整個機器人由兩個電機分別帶動兩側腿式機構，實現機器人的整體運動。

圖1 六足移動機器人結構圖

圖2 機器人腿部機構簡圖

2 機器人越障過程的描述

機器人在復雜環境中行進，會遇到各式各樣的障礙物。這些障礙物可以抽象地分為斜坡、臺階、凸臺、壕溝、樓梯等5種類型，其中臺階式障礙（即垂直障礙）最為典型［2］。針對臺階式障礙進行分析，六足機器人越障過程分為三步，即前足越障、中足越障、后足越障。越障高度由車體和腿式機構協同作用決定。從本質上看，該六足機器人模仿的是“六足綱”昆蟲，這類昆蟲之所以能在地面上快速行進，主要是依靠其采用的三角步態，即在步行時把6只足分為呈三角形分布的兩組，一組為支撐相，另一組則為運動相，兩組交替，始終保證一組支撐蟲體，而另一組使蟲體前移，通過兩組交替地擺動和支撐，實現昆蟲的快速運動［3］。六足移動機器人正是基于這一仿生運動原理，依靠腿的協調動作來保持機身平穩從而適應復雜地形，機器人越障過程如圖3。

圖3 機器人翻越臺階過程分析圖

3 機器人理論分析

首先，對機器人前足越障性能進行分析計算，如圖4所示。

圖4 前足分析圖（足根位于最高處）

前足運動時，車板離地面的最小距離 hmin對應足長 c2的關系為：

根據三角函數關系得各尺寸間的關系為：

圖5 前足分析圖（足根位于最低處）

圖6 中足分析圖

中足不容易找出極限位置，于是采用解析法進行運動分析，求解出點S（x，y）的運動方程，如圖6所示。

根據各構件位移矢量圖，可寫出位移矢量方程的兩種形式為：

圖7 中足矢量圖

應用歐拉公式將式（7）的實部與虛部分離得：

先將l2相關項移至等號左邊，等號兩邊取幅值即可消去φ3而求得φ2，并將a和l2的相關項作為整體leiφ1-lei0= leiφ看待，先求l和φ，該矢量是由C→D的矢量，則：

原位移矢量方程變為：

等號兩邊取模得：

以機構實際工作情況確定此式中的±號。

機器人后足越障性能與前足越障性能相同，后足越障分析參照前足越障分析。

4 機器人ADAMS仿真運動分析

應用Pro/E軟件設計了1∶1的實體模型，導入ADAMS中對機器人進行機構運動仿真，臺階障礙高度都設定為50 mm。通過仿真不僅可以真實模擬機器人行進越障過程，同時對模型的參數化修改也將實現機器人結構的優化，從而指導機器人的結構參數改進的設計，仿真越障過程如圖8（a）～（h）。最后進行綜合評價與優化，得到了相對較優的設計方案，優化后的整車模型參數為：500 mm× 265 mm×140 mm。

六足移動機器人仿真中成功完成了下臺階、上臺階越障過程，如圖8所示。并且得到了車體質心運動學曲線，如圖9中（a）、（b）、（c）分別為機器人車體質心的位移、速度、加速度曲線，表示在外載荷作用下，機器人在臺階障礙且不受任何控制時，主車體的位姿的變化。

圖8 機器人跨越臺階運動仿真過程圖

5 結論

設計了一種六足移動機器人，對機器人進行了結構設計和分析計算。通過虛擬樣機軟件ADAMS對機器人模型進行了仿真分析，實現了機器人上下臺階的功能，驗證了機器人較強的越障能力和環境適應能力。通過ADAMS內部強大的測量和曲線分析功能，獲得了機器人的運動學性能參數，為機器人的設計、優化與運算控制提供了參考數據。上述結果可為提高機器人的復雜環境適應能力提供理論依據，為下一步的深入開發奠定了基礎。

圖9 機器人車體質心運動學曲線

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（編輯立 明）

Design and Research of the Six-legged Adaptive Mobile Robot Based on the ADAMS

WANG Jiajia,TANG Xuemei,HE Xiaolong
（School of Intelligent Robot Innovation Practice Class,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China）

According to the requirement of the motion of mobile robot in complex environment,the design thought of a new six-legged robot is made.The principal structure of the robot was designed and elaborated,and the change characteristics of the obstacle configuration was analyzed.A theoretical analysis of the robot obstacle navigation was presented by static method.The parametric models of the six-legged mobile robots and obstacles were built and the surmounting analysis of mobile robot was carried out,the dynamic characteristic curves of each body and whole body of the robot are eventually acquired,which provide theoretical foundation for design and numerical computation of the robot structure.

leg structure;obstacle crossing;performance analysis;ADAMS

TP 242

A

1002－2333（2014）05－0092－03

王佳佳（1992—），女，在讀本科生，從事機構與虛擬樣機學習研究。

2014-03-06