ADAMS用戶子程序在堤壩搶險打樁六足機(jī)器人仿真中的應(yīng)用

王存磊， 朱燈林

（1.中國電子科技集團(tuán)第五十五研究所，南京210016；2.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022）

0 引言

ADAMS支持的用戶自定義子程序種類很多，但接口方式和編譯過程大同小異，本文僅以驅(qū)動子程序CONSUB為代表，介紹ADAMS自定義子程序在機(jī)器人仿真中的應(yīng)用。仿真結(jié)果說明利用用戶子程序可以不借助通用控制仿真軟件而能進(jìn)行復(fù)雜仿真。

1 用戶自定以子程序的使用方法

由于ADAMS本身沒有編譯器，必須借助于外部編譯器才能生成用戶所需要的動態(tài)鏈接庫文件，ADAMS/Solver以動態(tài)鏈接庫的方式調(diào)用用戶編制的子程序。本文所用的ADAMS軟件是ADAMS 2005，采用Compaq Visual Fortran Version 6.6為程序設(shè)計語言。其使用過程如下：1）安裝軟件Compaq Visual Fortran Version 6.6和ADAMS 2005。2）在Fortran中編寫用戶自定義子程序源代碼consub.f。3）應(yīng)用Fortran語言編譯器編譯源代碼文件，生成obj文件consub.obj。4）生成動態(tài)鏈接庫文件consub.dll。打開命令提示符窗口，將目錄切換到ADAMS的安裝目錄C∶MSC.SoftwareAdamsMDR2common，依次輸入mdi→cr-user→回車→再回車，然后切換到consub.obj文件的保存目錄輸入consub.obj→回車，這時提示輸入dll文件名，輸入cosub.dll回車，動態(tài)鏈接庫文件consub.dll就生成了。5）執(zhí)行setting-solver-executable把生成的動態(tài)鏈接庫文件加載到adams/view中。6）最后編制腳本調(diào)用語句，調(diào)用dll文件，利用腳本仿真控制對話框進(jìn)行仿真。

2 堤壩搶險打樁六足機(jī)器人越障仿真

堤壩搶險打樁六足機(jī)器人凸型階梯障礙行走仿真采用了ADAMS用戶子程序的控制方法。仿真控制流程如圖3所示，在ADAMS/view中建立仿真模型、設(shè)置傳感器和仿真腳本，規(guī)則步態(tài)規(guī)劃和二次規(guī)劃都寫入控制子程序，然后生成動態(tài)鏈接庫，利用動態(tài)鏈接庫來控制ADAMS/view中的仿真模型進(jìn)行仿真。當(dāng)足踩到障礙時，通過足端傳感器來感知當(dāng)前仿真時間和當(dāng)前的關(guān)節(jié)角位移，返回子程序進(jìn)行二次規(guī)劃。

圖3 行走機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)簡化模型

在平地行走仿真中，我們采用了step函數(shù)控制關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度的方法順利進(jìn)行了平地仿真，但是在如圖4所示的越障行走中，如果關(guān)節(jié)驅(qū)動繼續(xù)按平地規(guī)劃轉(zhuǎn)動，就會把機(jī)體頂起，整個機(jī)體就會失穩(wěn)，這是機(jī)器人所不允許的。這就需要通過傳感器感知障礙并能實(shí)時獲得踩到障礙的時間和關(guān)節(jié)角度，以便進(jìn)行二次規(guī)劃順利越過障礙。

2.1 兩個重要參數(shù)的實(shí)時獲得

仿真的目的是要六足機(jī)器人在踩到階梯障礙時能改變運(yùn)動規(guī)劃，使機(jī)器人繼續(xù)平穩(wěn)前行。在腿1踩到障礙時，通過力傳感器檢測到障礙，這時腿1的驅(qū)動關(guān)節(jié)必須停止，由擺動相轉(zhuǎn)為支撐相，腿2開始運(yùn)動。因此，需要實(shí)時測得踩到障礙時的關(guān)節(jié)角度值，并賦給腿1的關(guān)節(jié)驅(qū)動，作為下次關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的起始值。我們利用功能子程序解決了這個問題，代碼如下：

CALL SYSFNC('AZ',IPAR1,2,DIS1,ERRFL

WEI1=DIS1

經(jīng)計算得知，在3*3式密碼中，折線經(jīng)過的點(diǎn)數(shù)為4時有1624種情況，經(jīng)過的點(diǎn)數(shù)為5有7152種，經(jīng)過的點(diǎn)數(shù)為6有26016種，經(jīng)過的點(diǎn)數(shù)為7有72912種，經(jīng)過的點(diǎn)數(shù)為8和9均有140704種。可得，3*3圖形的密碼排列情況共389112種。

CALL SYSFNC('AZ',IPAR2,2,DIS2,ERRFLG)

WEI2=DIS2

CALL RSTRNG(WEI1,anl_1,length,istat)

CALL RSTRNG(WEI2,anl_2,length,istat)

MOTION_2_fix='MOTION/2,FUNCTION ='//trim(anl_1)

CALL MODIFY(MOTION_2_fix,st)

MOTION_3_fix='MOTION/3,FUNCTION ='//trim(anl_2)

CALL MODIFY(MOTION_3_fix,st)

腿1踩到障礙，腿1轉(zhuǎn)為支撐相，腿2開始運(yùn)動，這就需要腿2擺動的起始時間點(diǎn)就是腿1踩到障礙時的時間，因此腿1踩上障礙的時間點(diǎn)需要實(shí)時獲得作為腿2腿運(yùn)動的起始時間，我們通過ADAMS子程序功能中的時間獲取函數(shù)解決了這個問題，代碼如下：

CALL GETSTM（TIME1）

這樣，兩個重要參數(shù)都可以實(shí)時獲得了，再把平地規(guī)劃好的其它腿關(guān)節(jié)的驅(qū)動參數(shù)都寫入子程序，按前面講述的方法編譯生成dll文件，就可以用通過子程序控制機(jī)器人行走了。

2.2 堤壩搶險打樁六足機(jī)器人仿真分析

本文作為對六足機(jī)器人非平坦路面行走的初步探討，將以重心固定的三步一動的步態(tài)進(jìn)行越障仿真分析。所謂三步一動就是：首先腿1、腿2、腿3依次邁步，接著6只足著地同時支撐機(jī)體前移，然后腿4、腿5、腿6依次邁步，最后6只足支撐機(jī)體再前移，一個步態(tài)周期完成。之所以選擇此種步態(tài)，是因為此種步態(tài)無需為穩(wěn)定性考慮，任意時刻都至少有5條腿處于支撐相，確保整個機(jī)體任何時刻都處于靜態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，但行走效率較低。

1）機(jī)體平穩(wěn)性分析。

從圖5、圖6可以看到：

a.機(jī)體沿x方向以分步移動的方式向前行走，左右沿y方向有輕微搖動，在32 s左右附近出現(xiàn)了比較明顯的y方向偏移，這是因為在32 s時，足3是踩在階梯邊緣，支撐機(jī)體移動時足端有輕微振動，使機(jī)體產(chǎn)生了一定量的偏移。

b.機(jī)體無明顯的上下起伏，上下起伏在30 mm之內(nèi)，與機(jī)體高度相比非常小，在踩到障礙時機(jī)體能保持平穩(wěn)。

2）各腿關(guān)節(jié)角度曲線圖。

從圖7可以看到，腿1、腿3、腿5在踩到障礙時，傳感器檢測到障礙，機(jī)器人對踩到障礙的腿關(guān)節(jié)調(diào)整規(guī)劃，保持機(jī)體平穩(wěn)不被頂起或跌落，其它3腿行進(jìn)過程中沒有障礙，按規(guī)則步態(tài)前行，越過障礙后，整個機(jī)體又恢復(fù)了有規(guī)律的行走。

圖5 階梯障礙仿真視頻截圖

圖6 機(jī)體重心在行進(jìn)過程中的位移

3 結(jié)語

對六足機(jī)器人非平坦路面行走進(jìn)行了初步探討，探索了一種利用ADAMS軟件子程序控制技術(shù)對六足機(jī)器人跨越障礙進(jìn)行仿真的方法，并對堤壩搶險打樁六足機(jī)器人跨越階梯障礙并且平穩(wěn)行走進(jìn)行了仿真、分析，在足式步行機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域具有一定的理論意義和實(shí)用價值。

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