ADAMS環境下多關節型雙足步行機器人步態仿真與結果分析*

陳 娜，盧 威

（張家界航空職業技術學院，湖南 張家界 427000）

多關節型雙足步行機器人比其他足式機器人具有更高的靈活性，更加適合與人類協同工作，例如在危險環境作業、不平整地面貨物搬運、醫療護理康復等方面。雙足步行機器人的步行能力很大程度上取決于下肢機構的運動學和動力學特征，本研究的雙足步行機器人在下肢行走機構采用多個關節與連桿串聯，滿足前后行、側行、轉彎、上下臺階、爬斜坡等步行功能的自由度要求。這種多關節雙足運動由于存在自由度數目較多、無固定著力支撐點和多驅動的相互協調等問題，運動規劃與自身的實際運動存在較大差異。本項目以如圖1所示的物理樣機為研究對象，利用ADAMS軟件建立仿真模型，采用仿真曲線、三維效果相結合的思路，通過對物理樣機和虛擬樣機的對比實驗，驗證設計的可行性。

圖1 物理樣機

1 構建物理樣機運動模型

為了使機構小巧而輕盈，本機構的各個部件采用鋁合金（LY12）鈑金材料（厚度1 mm）。本樣機下肢模擬人體的大腿、小腿和腳，之間采用關節連接，各關節間使用伺服電機驅動，電機選用HG14-M型RC伺服電機，外形尺寸40 cm×19.8 cm×37.5 cm，左右兩側髖關節距離68 mm，大、小腿長度52 mm，髖側向與前向關節軸距42 mm，踝側向與前向關節軸距14 mm，各關節配置相應的旋轉副，實現行走運動的協調動作，各關節運動范圍如表1所示。

表1 各關節運動范圍

本項目運用坐標轉換法和H-D規則進行機構的運動學分析，建立運動學模型，將由機器人的左腿開始從下往上的桿件依次定義為1、2、3、4、5、6桿，右腿從上往下依次定義為桿件7～12，在各個桿件相連的關節處建立一個桿件坐標系，如圖2所示。

圖2 運動學模型

由圖2所示各連桿坐標系和表1所示關節角參數，可得到各坐標系的位姿矩陣：

若需要求出關節i的空間位置和姿態，只要確定第i個坐標系相對于參考坐標系{0}的齊次變換矩陣即可，即可以通過各齊次坐標變換陣的連乘來求得：

只要給定關節變量Φi，根據上式就可以求出末端執行器的空間位置和姿態。

2 步態規劃與仿真

2.1 步態規劃

步態是在步行運動過程中,機器人的各個關節在時間和位置上的一種協調關系，通常由各關節運動的一組時間軌跡來描述[1-10]。而所謂步態規劃，就是設計步行機器人各關節角度的變化規律，使其能夠實現一定條件下的步行性能。如圖3所示，通過對人類步行過程的分析，將行走步態設計分為幾個階段：雙腿支撐（如圖3a所示）；重心右移（先是右腿支撐），左腿抬起（如圖3b所示）；左腿放下，重心移到雙腿中間（如圖3c所示）；重心左移，右腿抬起（如圖3d所示）；右腿放下，重心移到雙腿間（如圖3e所示）。

圖3 步行過程模擬

本項目基于力學穩定性的前提條件，采用關節空間軌跡規劃方法，由空間一系列離散的位置和姿態規劃出一條函數曲線，由此曲線來描述雙足和軀干的軌跡，若曲線連續、光滑，則說明規劃步態流暢。為此，本項目應用ADAMS軟件下五次插值函數Step5進行插值，具體插值結果如表2所示。

表2 步行過程中各關節角

2.2 模型建立和仿真

本項目通過測繪物理樣機的結構尺寸，建立機器人行走機構的虛擬樣機，采用參數化設計進行零部件造型和裝配，提取出經常改動的幾何參數，方便了后續三維模型的修改和優化；通過編輯各模塊之間的關節角，便可設置仿真時各動作的初始狀態；設置好客觀外部環境參數后，便可對其展開動力學分析。

建立仿真模型時，各部件添加約束，連桿之間均為轉動關節，僅需為每個關節配置一個旋轉副即可，各關節運動副如表3所示。為了模擬真實的外部環境，需要給模型添加重力，同時由于雙足步行機器人在地面行走，所以在機器人與地板相互約束的條件較為復雜，需要保證雙足步行機器人與地面接觸產生接觸力，并且需要定義摩擦力。在虛擬模型中，為了機器人的順利行走，要給定足夠的摩擦力，保證機器人在行走中不會打滑。

表3 各關節運動副

將已經在UG環境下建立的三維模型導入到ADAMS中，經過編輯后的機器人運動仿真模型如圖4所示。以右腳支撐、左腳向前邁步為例，其過程仿真截圖如圖5所示。

圖4 運動仿真模型

圖5 仿真動畫

3 仿真與試驗對比

3.1 仿真結果分析

仍以右腳支撐、左腳向前邁步為例，時間設置為5 s（包括起步1 s，連續步行3 s，停步1 s），步長設置為50 mm。調用ADAMS的后處理模塊對各個關節的角位移進行仿真結果分析，并以曲線方式輸出，如圖6所示。

通過仿真過程中的截圖可以看出，該雙足步行機器人能夠實現連續穩定的步行動作；每個關節的位移曲線圖，可與表2所列出的步行時各關節角進行驗證；通過觀察曲線可以看到，規劃的步態軌跡非常光滑，無突變現象，說明機器人基本能穩定行走。以上幾點驗證了步態規劃的有效性和控制的可行性。

圖6 各關節角位移曲線圖

3.2 實驗驗證

為了校驗雙足機器人三維仿真的正確性，后期設計了相應的運動控制程序，輸入物理樣機進行現場對比實驗，實驗結果與仿真結果基本一致，說明本項目的機器人步態建模方法與行走仿真具有較強的工程實用性。

4 結語

1）為驗證雙足機器人步態三維仿真的可行性，依據物理樣機的構型，利用坐標變換法和D-H規則，推導出雙足機構正向運動的計算公式，以便進行步態控制的運動編程[11]。

2）為了能夠實現在ADAMS中步態的連續仿真，本項目將機器人雙足的步行分解為5個動作，每個動作不但能單獨仿真，也能實現步態的連續仿真，這滿足了不同情況下的仿真要求，也提高了仿真效率。

3）在UGNX三維軟件環境中建立了雙足機器人的運動仿真模型虛擬樣機。通過各關節驅動副適當配置，以及機器人腳板與虛擬地面環境約束的正確設定，很好地解決了雙足機器人運動中無固定支撐點的問題。

4）通過仿真結果與現場實驗對比，說明采用ADAMS軟件進行雙足機器人步態的三維仿真是可行的，它能為物理樣機的開發提供重要的仿真數據。