基于ADAMS的仿人機(jī)器人步態(tài)仿真與分析

安志亮， 李衛(wèi)國(guó)， 王利利， 蔡長(zhǎng)亮

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)a.機(jī)械學(xué)院；b.工程訓(xùn)練中心，呼和浩特 010051）

0 引言

仿人機(jī)器人是機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、傳感等核心部件，以及仿生、交互、智能等技術(shù)的一種綜合集成平臺(tái)，是當(dāng)今機(jī)器人領(lǐng)域最為前沿的課題之一，同時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定步行又是仿人機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。穩(wěn)定步行是仿人機(jī)器人最基本的類人行為方式，也是實(shí)現(xiàn)其它行為的基礎(chǔ)，仿人機(jī)器人因其靈活的步行能力而具有廣泛的應(yīng)用前景［1］。同時(shí)仿人機(jī)器人又是一個(gè)多自由度多剛體系統(tǒng)［2］，由于其自由度多因此運(yùn)動(dòng)具有復(fù)雜性和不確定性。應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以簡(jiǎn)化仿人機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)程中的復(fù)雜性和不確定性，能使運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)分析更加直觀更具有可操作性。使用ADAMS這一系統(tǒng)仿真軟件，可以在各種虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行分析，從而達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)仿人機(jī)器人步態(tài)進(jìn)行仿真分析具有重要意義。

本文利用Pro/E軟件對(duì)機(jī)器人的零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)并且進(jìn)行了裝配，在Pro/E環(huán)境下完成了機(jī)器人的三維建模。然后導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，并且進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，最后針對(duì)分析結(jié)果對(duì)仿人機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型

如圖1所示利用Pro/E對(duì)該仿人機(jī)器人本體設(shè)計(jì)進(jìn)行建模。機(jī)器人由腳部、膝部、腿部、胯部、背部、肩部、手部、頭部組成。其中的腳部、膝部、腿部、胯部、肩部、手部、頭部都用舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。各部分通過(guò)舵機(jī)及舵機(jī)支架以及必要的連接件連接起來(lái)。由于仿人機(jī)器人行走主要是靠下肢，同時(shí)要兼顧人體行走各部分運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性所以對(duì)機(jī)器人的上肢進(jìn)行了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。Pro/E中裝配圖如圖1。

圖1 仿人機(jī)器人的裝配圖

2 機(jī)器人的仿真模型

首先將在Pro/E中建立的模型導(dǎo)入到ADAMS中。在ADAMS中對(duì)各零部件定義材料密度屬性或質(zhì)量屬性，然后定義各種約束副、運(yùn)動(dòng)副，施加載荷，并可對(duì)關(guān)鍵的變量建立測(cè)量輸出，這樣就建立起了仿真模型［3］。仿真模型建立結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真模型圖

該模型中地板與大地采用固定副連接，其他各個(gè)關(guān)節(jié)采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接以保證所設(shè)計(jì)的自由度。同時(shí)要對(duì)仿真環(huán)境進(jìn)行設(shè)定，對(duì)于在ADAMS中建立仿真環(huán)境的問(wèn)題,應(yīng)該遵循最大程度地模擬實(shí)際環(huán)境的原則來(lái)進(jìn)行解決,本文中考慮到重力、機(jī)器人腳底與地面的摩擦、腳底和地面的接觸力等諸多因素。

在仿人機(jī)器人的左腳板與地板、右腳板與地板之間分別定義接觸，接觸參數(shù)如表1。

表1 接觸參數(shù)表

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真分析

3.1 仿人機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃

仿人機(jī)器人步態(tài)周期包含2個(gè)周期：?jiǎn)瓮戎沃芷诤碗p腿支撐周期。在雙腿支撐周期，仿人機(jī)器人雙腳都與地面接觸，這個(gè)周期起始于前腿的后腳跟與地面接觸，結(jié)束于后腿腳趾離開地面時(shí)。單腿支撐周期指仿人機(jī)器人一條腿與地面接觸，另一條腿從后面離開地面擺動(dòng)到前面與地面接觸這段時(shí)間。雙腿支撐周期一般占整個(gè)步態(tài)周期的20%左右［4］。針對(duì)本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人，機(jī)器人的行走由雙腿支撐周期開始，在雙腿支撐周期內(nèi)仿人機(jī)器人首先通過(guò)雙腳關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)把機(jī)器人的重心轉(zhuǎn)移到單腿支撐的一側(cè)，同時(shí)一只腳逐漸離開地面，雙腿支撐周期結(jié)束，進(jìn)入單腿支撐周期，通過(guò)支撐的單腿關(guān)節(jié)和單膝關(guān)節(jié)的配合運(yùn)動(dòng)，仿人機(jī)器人的重心向前移動(dòng)，移動(dòng)之后擺動(dòng)腿向前移動(dòng)邁出一大步，邁步之后通過(guò)雙腳關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)機(jī)器人的擺動(dòng)腳落地，單腿支撐期結(jié)束又一次進(jìn)入了雙腿支撐期。這樣就完成了一個(gè)完整的步態(tài)周期。仿人機(jī)器人向前行走完全可以看做是步態(tài)周期的循環(huán)往復(fù)，在循環(huán)的過(guò)程中擺動(dòng)腿和支撐腿每2個(gè)步態(tài)周期進(jìn)行一次變換。

3.2 仿人機(jī)器人步態(tài)仿真

仿真過(guò)程中一個(gè)步態(tài)周期設(shè)定為4 s，仿真的結(jié)束時(shí)間設(shè)定為8 s，仿人機(jī)器人由立正到完成2個(gè)步行周期。運(yùn)動(dòng)仿真的序列關(guān)鍵幀如圖3所示。

3.3 仿真結(jié)果分析

仿真開始之前分別在PART23的質(zhì)心點(diǎn)設(shè)定了Measure，由于PART23部件是整個(gè)上半身的質(zhì)心點(diǎn)。因此可以從PART23的質(zhì)心點(diǎn)的移動(dòng)軌跡來(lái)反映出仿人機(jī)器人在整個(gè)步行過(guò)程中重心的移動(dòng)軌跡。圖4表示的是仿人機(jī)器人的重心在行走過(guò)程中沿水平方向的位移，可以反映出仿人機(jī)器人行走的連續(xù)性，同時(shí)可以根據(jù)位移除以時(shí)間來(lái)算出仿人機(jī)器人的行走速度。圖5表示的是仿人機(jī)器人的重心沿垂直方向的位移，可以看出在行走過(guò)程中重心在垂直方向上的位移在適當(dāng)?shù)脑试S范圍內(nèi)。圖6表示的仿人機(jī)器人重心在行走過(guò)程中左右搖擺的幅度。可以在圖中清晰地看出優(yōu)化后的機(jī)器人重心在水平方向上的位移更加平滑。但是在垂直方向上波動(dòng)比優(yōu)化前的幅度要大。總體來(lái)說(shuō)優(yōu)化之后的步態(tài)規(guī)劃要優(yōu)于之前的。

圖4 PART23質(zhì)心位置沿x軸方向隨時(shí)間的變化曲線

圖5 PART23質(zhì)心位置沿y方向隨時(shí)間的變化曲線

圖6 PART23質(zhì)心位置沿z方向隨時(shí)間的變化曲線

4結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)Pro/E對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，然后導(dǎo)入到ADAMS中，在ADAMS對(duì)各零部件定義材料密度屬性或質(zhì)量屬性，然后定義各種約束副、運(yùn)動(dòng)副，施加重力和接觸力并可對(duì)關(guān)鍵的變量建立測(cè)量輸出。隨后對(duì)仿人機(jī)器人進(jìn)行了步態(tài)規(guī)劃，并根據(jù)步態(tài)規(guī)劃設(shè)定Motion中STEP函數(shù)的值，最后對(duì)仿人機(jī)器人進(jìn)行了步態(tài)仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，并且機(jī)器人步態(tài)進(jìn)行了步態(tài)優(yōu)化。

［1］ 付根平.仿人機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃和步行控制研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2013.

［2］ 李敬，黃強(qiáng)，余張國(guó)，等.人體步行規(guī)律與仿人機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃［J］.中國(guó)科學(xué)，2012（9）：42-9.

［3］ 楊春光，趙世平，陸小龍，等.基于虛擬樣機(jī)的攀爬機(jī)器人仿真分析［J］.機(jī)器人技術(shù)，2009（2）：73-75.

［4］ Qiang Huang,Yokoi,K,Kajita S,et al.Planning Walking Patterns for a Biped Robot［J］.IEEE Tran.on Robotics and Automation,2001,17：280-289.

［5］ 劉晉霞，胡仁喜，康士延，等.ADAMS2012從入門到精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.