大型六足仿生平臺機器人機構設計及運動仿真

李杰

（南瑞集團公司，南京 210003）

0 引 言

目前，大型平臺機器人應用較多，其平臺上面配合不同的設備即可達到靈活移動、自動控制的目的，如各種挖掘機器人、打樁機器人、救援機器人等。平臺的運動方式也很多，如輪式、履帶式、足式。其中，輪式和履帶式平臺機器人目前的發展已經很成熟，也是大多數移動設備所采用的方式。而足式平臺機器人具有像生物一樣行走的特點，能根據實際環境的變化，調整步態，達到平穩行走，跨越障礙的目的，這也是足式機器人所具有的獨特優勢［1］。由于平臺機器人可能要面對各種惡劣的環境，因此，足式移動方式將是以后平臺機器人行進的主要發展方向。

1 六足機器人機構設計

圖1 哺乳動物（左）及昆蟲（右）腿部結構

如圖1 所示，為哺乳動物（左）及昆蟲（右）腿部結構，昆蟲的腿部彎曲較大，從力學的角度來分析，腿部承受較大的彎曲應力，因而承受重載的能力有限，無法制作大型及重型設備的移動平臺機器人；而哺乳動物的腿部基本接近直立狀態，支撐力主要分解到腿部軸向受力狀態，因而能承受較大的重載。昆蟲類大多具有六足的特點，六足協調運動，能夠保持較高的平衡度，對環境具有較強的適應能力，在行走過程中，始終有三足支撐，身體穩定性較高［2］。

本次設計的平臺機器人綜合了兩種生物的優點，設計了大型仿生六足平臺機器人腿部機構，如圖2 所示。為達到機器人能直立行走和轉彎的目的，腿部機構應具有一定的關節自由度。本次設計的機器人腿部機構包括4個關節，其中為保證機器人能夠行走和轉彎，根關節需要具有前后轉動和左右擺動的自由度；股關節具有前后擺動自由度，確保能夠抬腿動作；膝關節應當具有前后擺動的自由度，以便膝關節以下部分能夠伸縮自如；足部關節也屬于仿生關節，有轉動自由度，主要目的是確保平臺機器人足部能夠根據實際地面環境及時調整足部轉角，平穩落地。

圖2 六足平臺機器人整體結構設計圖

2 六足機器人步態分析

2.1 行進方式選擇

目前，對六足機器人行走分為直行步態和轉彎步態。涉及到具體行走時現在典型的分解方式主要有五支撐一抬腿行走、四支撐二抬腿行走及三支撐三抬腿行走3 種主要方式。其中五支撐一抬腿行走顧名思義就是每次都有五只腿支撐平臺，一只腿抬起移動，而后按順序逐個完成所有的6 只腿的移動，已達到平臺移動的目的，因此前進一步需要完成6 個動作；四支撐二抬腿行走是指每次都有四只腿支撐，二只腿抬起移動，而后按順序完成其他兩組腿的移動，達到平臺移動的目的，因此前進一步需要3 個動作；三支撐三抬腿行走是指每次都有3 只腿支撐，3只腿抬起移動，后續交替完成平臺機器人前行或后退，這樣，每前進一步只需要完成2 個動作。

綜上3 種方式分析，由于三點確定一平面，三支撐能夠達到穩定支撐平臺的目的，多于三支撐時，每一步都需要調整腿部支撐高度，才能達到除三支撐外的另一只腿或者兩只腿能夠接觸地面，做到四支撐或者五支撐，效率較低；此外，三支撐三抬腿移動每一步只需要完成兩個動作，行走速度較快。本次平臺機器人行走選用了三支撐三抬腿方式。

2.2 直行前進步態分析

選用平臺機器人一側兩只腿和另一側一只腿作為一組，前行時，為達到步態對稱，可以選用1、3、5 為一組，2、4、6 為一組，如圖3 所示：當2、4、6 為一組支撐時，1、3、5三只腿前進一步，接觸地面固定后，1、3、5 三只腿作為平臺機器人支撐，2、4、6 三只腿前行跟進。調整平臺后恢復初始六足支撐狀態，完成一步前行。連續行走時重復上述過程即可。

2.3 轉彎步態分析

圖3 平臺機器人前進步態分析

轉彎步態相對于直行步態較為復雜，根據實際轉彎環境的不同，可以分為定點轉彎和彎道轉彎，其中彎道轉彎步態分析較為簡單，相當于六足機器人在一個具有一定圓弧的軌道上直行前進，平臺平衡性容易滿足，只是每一步需要適當微調平臺機器人的姿勢。因此本次轉彎僅做定點轉彎步態分析。如圖4 所示為定點轉彎步態分析，同樣按照三支撐三抬腿的行走方式進行。首先由2、4、6一組腿作為支撐，1、3、5 一組腿分別移動到指定的地面，同時平臺重心向右方傾斜調整，1、3、5 完成動作后固定在地面作為平臺機器人的支撐，2、4、6 一組腿也移動到指定的地面，同時平臺重心隨動調整，達到轉彎角度的目的。該種方式轉彎步態僅需要兩步即可完成一定角度的轉彎。

圖4 平臺機器人轉彎步態分析

3 六足機器人運動仿真

為進一步驗證大型六足平臺機器人直行前進和轉彎運動，本文對六足平臺機器人的運動進行了仿真。仿真采用三維軟件NX5.0 進行建模，然后導入到虛擬樣機仿真軟件ADAMS 內進行運動仿真。

3.1 直行運動仿真

將建模后的六足機器人導入到ADAMS 軟件后，根據建模尺寸及材質屬性設定，由ADAMS 軟件計算出平臺機器人的質量和重心所在位置［3］，根據自動計算，平臺機器人的重心高度為1 800 mm，而后根據需要對模型腿部各個關節添加轉動副，對機器人足部與地面添加接觸，并對機器人添加驅動，本次驅動采用Step 階躍函數，如圖5 所示為建立后的運動仿真模型。

圖5 六足平臺機器人運動仿真模型

圖6 、圖7、圖8 為平臺機器人重心坐標在直行運動中的位移情況。

圖6 平臺重心（前進）X 方向位移

圖7 平臺重心Y（橫向）方向位移

圖8 平臺重心Z 方向（上下）位移

由上述運動仿真結果可知，六足機器人三支撐三抬腿方式行走連續性較好，速度波動較?。黄脚_重心上下波動比較?。ㄏ鄬τ谥匦牡母叨龋?，平臺能夠平穩前進；平臺在前進過程中雖然存在橫向Y 方向上的波動，但是波動較小，不影響平臺機器人保持平衡與前行。

3.2 轉彎運動仿真

圖9、圖10、圖11 所示為平臺機器人轉動運動仿真過程中平臺機器人重心坐標移動情況。

從運動仿真結果可以看出，六足機器人轉彎步態分析較為合理，轉彎整體比較平穩，平臺機器人上下波動較小，能夠平穩轉彎；在水平方向X 軸和Y 軸雖然有些波動，但是波動較小，分析可能與在轉彎過程中機器人足底打滑所致，說明在后續樣機試制中要設置機器人足底防滑措施，以便六足機器人能夠更加平穩地轉動。

圖9 平臺重心X 方向位移

圖10 平臺重心Y（橫向）方向位移

圖11 平臺重心Z 方向（上下）位移

4 結 論

本文通過對生物腿部結構及運動功能進行分析，完成了大型六足平臺機器人的結構設計，并進行了前進和轉彎步態分析，最后通過NX5.0 和ADAMS 聯合運動仿真確定了大型六足平臺機器人結構設計較為合理。之后在運動仿真中模擬了六足機器人直線運動和轉彎運動，從仿真結果可以看出，所設定的前進和轉彎步態具有速度快、運動平穩、對平臺波動影響小等特點，為制作六足平臺機器人真實樣機提供了重要的參考。

［1］ 馬東興.四足機器人步態規劃與仿真［D］.南京：南京航空航天大學，2008.

［2］ 王琛柱.從生理特點淺析昆蟲繁盛原因［J］.昆蟲知識，2001，38（6）：468-472.

［3］ 焦廣發，周蘭英.ADAMS 柔性體運動仿真分析及運用［J］.現代制造工程，2007（5）：51-53.