六足機器人行走與運動仿真分析

詹廣強 趙基偉 謝磊超

摘要：虛擬仿真設計方法在現代機械設計中占有重要地位，針對目前虛擬仿真軟件存在的不足之處，在設計時往往需要選用多個仿真軟件組合使用才能達到所需的仿真目的。本文設計了一個六足雙斗機器人，應用建模和仿真功能較齊全的Inventor對其進行虛擬分析，檢查機器人在行走和爬坡過程中的行走步態，獲得機器人在不同工作狀態下重心的變化曲線，分析機器人設計的合理性，為更好的設計新型六足機器人提供設計依據。并制造了小型物理樣機，檢驗仿真設計的可靠性，通過物理樣機試驗，驗證Inventor仿真的可靠性和正確性。

關鍵詞：虛擬仿真設計；六足機器人；Inventor；運動仿真Inventor是一種全面的可視化設計工具，用于創建和驗證完整的數字樣機，可以檢驗機械產品的外型、結構和功能，也可以對其進行運動仿真和應力分析，設計師應用這種軟件可對數字化樣機進行優化，并預測機械產品在未來的實際工作情況[1]。

本文設計了六足雙斗機器人，機器人采用足式移動方式優點在于控制簡單，移動比較迅速，同時可以相對較容易地跨過比較大的障礙，但是當機器人在行走時，整個物體的重心會發生變化，各個關節受到的速度及加速度也不同，在不行走，進行挖掘工作，不同部位受到的力也不一樣。本文應用Inventor對六足機器人在平地行走和爬坡過程中重心的位置、速度加速度變化進行仿真分析，Inventor集設計、建模和仿真于一體，且操作簡單，這給設計工作帶

來了許多方便，節約了研究時間和研制費用，實現了高質量、高速度、高效率、低成本的整體設計。

本文所應用的軟件為虛擬設計方法又提供了一個方便可行的辦法，同時，設計的六足機器人為足類機器人的設計也提供了一些思路。在Inventor的虛擬仿真下，得到所設計的六足機器人的一些有用信息，為更好的設計新型六足機器人提供了參考依據。小型物理樣機試驗，行走和利用雙斗夾取物體。

1六足機器人整體結構

Inventor非常注重產品外觀設計，同時其渲染功能也易于操作，效果良好，應用Inventor對六足機器人進行整體結構造型和渲染，結果如圖1所示，其中腿部結構放大圖如圖2所示。圖2(a)圖是腿部結構運動簡圖，輸入旋轉運動，在滑塊和曲柄的作用下轉化為腿部搖擺運動[2]，腿部機構的搖擺幅度為[-24°~+24°]，由于該機器人的腿部關節是鉸接和滑動副,因而在步行時即使出現失穩現象也具有較強的姿態恢復能力[3]，足部使用減震和緩沖作用的橡膠材料。

2機器人步態分析

在機器人研究領域,支撐相和擺動相隨時間變化的順序集合稱為步態。對勻速行走的機器人來說,其足相呈周期變化規律，由于這時步態是周期性變化的,故稱為周期步態，在一個周期T內,支撐相的時間為t,則該足的有荷因數β按下式計算[4]:

一個步態周期中,步行機器人機體重心向前移動的距離稱為步距s,各足處于支撐相時相對于機體的移動距離稱為足的行程R,兩者的關系為[4]:

三角步態是六足仿生步行機器人實現步行的典型步態[4]。其核心思想是把機器人的六足分為兩組(軀體一側的前、后足和另一側的中足構成一組，其余足構成另一組),三足支撐機體并推動機器人前進(稱為支撐相),另三足擺動為下一步支撐做準備(稱為擺動相),整個機器人的運動過程就是支撐相與擺動相交替、循環的過程。如圖3所示，1、5、4為一組（后文稱為實心組），2、3、6為另一組（后文稱為空心組），實心組和空心組在相位上相差180°。起初實心組作為支撐相，而空心組作為擺動相向前移動；之后空心組作為支撐相，實心組作為擺動相向前移動，這樣完成一個交替循環。

六足機器人爬坡行走狀態及整體受力分析如圖4所示，腿部形成的摩擦力克服重力的一個分力達到向前行走的目的。在爬坡時雙斗的位置嚴重影響機器人的穩定性和爬坡能力，設計雙斗的最佳放置位置，有利于機器人的爬坡動作。

3基于Inventor的機器人運動仿真

3.1 重心變化情況分析

六足機器人重心位置、速度、加速度對機器人整體的穩定性有重要影響[5]，通過仿真得到在不同爬坡角度下重心的變化曲線，分析機器人的穩定性。如圖5所示，機器人在平面上行走時的重心變化曲線，由前面設計的腿部結構可知，機器人每走一步，在豎直方向上重心都有一個上升和下降的過程，豎直方向波動幅值越大說明機器人步距也越大，太大的步距影響機器人的穩定性。水平方向上的波動越小越好，如圖5(b)所示，Y方向上的速度波動非常小，加速度對機器人零部件有一個動載荷的作用，求出行走每一步的加速度后還可以計算出零部件上的動載荷。從圖中可以看出，重心在各種情況下的變化曲線有很強的周期性，這與前面的分析一致。

通過虛擬仿真分析，所設計的六足機器人最大爬坡角度為22°，重心變化曲線如圖7所示，圖6為爬坡角度為15°時的重心變化曲線。

5結論

本文基于Inventor環境設計了六足雙斗機器人，機器人的主要功能是行走、爬坡和夾持物體。通過在Inventor環境中的虛擬建模和仿真，得到六足機器人的整體結構，并對機器人進行了運動學仿真與分析。通過仿真分析，得出了不同爬坡角度下機器人重心的變化曲線，同時也驗證了所設計的三角步態的穩定性和適用性，得到了所設計的六足機器人的最大爬坡角度為22°。應用Inventor的虛擬仿真設計手段大大縮短了設計周期，提高了六足仿生步行機器人的設計效率、設計可靠性和研制水平，在機器人設計技術領域具有一定的指導意義。

[參考文獻]

[1]陳伯雄.Inventor R8應用培訓教程：機械設計[M].清華大學出版社，2004.9.

[2]孫恒,陳作模,葛文杰.機械原理[M].高等教育出版社,2006.

[3]閆尚彬,韓寶玲,羅慶生.仿生六足步行機器人步態軌跡的研究與仿真[J].計算機仿真.2007.10.156~160.

[4]許睦旬.Inventor2009三維機械設計應用基礎[M].高等教育出版社.2009.7.

[5]陳殿生,黃宇,王田苗.輪式腿型機器人的越障分析與仿真[J].北京航空航天大學學報.2009.3.371~375.