基于ADAMS的仿人機器人步態(tài)仿真與分析

安志亮， 李衛(wèi)國， 王利利， 蔡長亮

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學a.機械學院；b.工程訓練中心，呼和浩特 010051）

0 引言

仿人機器人是機構(gòu)、驅(qū)動、傳感等核心部件，以及仿生、交互、智能等技術的一種綜合集成平臺，是當今機器人領域最為前沿的課題之一，同時實現(xiàn)穩(wěn)定步行又是仿人機器人研究領域的熱點和難點。穩(wěn)定步行是仿人機器人最基本的類人行為方式，也是實現(xiàn)其它行為的基礎，仿人機器人因其靈活的步行能力而具有廣泛的應用前景［1］。同時仿人機器人又是一個多自由度多剛體系統(tǒng)［2］，由于其自由度多因此運動具有復雜性和不確定性。應用虛擬樣機技術可以簡化仿人機器人設計過程中的復雜性和不確定性，能使運動與動力學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)境中真實地模擬系統(tǒng)運動并進行分析，從而達到系統(tǒng)運動的優(yōu)化設計。因此應用ADAMS軟件對仿人機器人步態(tài)進行仿真分析具有重要意義。

本文利用Pro/E軟件對機器人的零部件進行設計并且進行了裝配，在Pro/E環(huán)境下完成了機器人的三維建模。然后導入到ADAMS中進行了運動仿真，并且進行了運動分析，最后針對分析結(jié)果對仿人機器人步態(tài)規(guī)劃進行了優(yōu)化設計。

1 機器人的結(jié)構(gòu)模型

如圖1所示利用Pro/E對該仿人機器人本體設計進行建模。機器人由腳部、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、頭部都用舵機來實現(xiàn)。各部分通過舵機及舵機支架以及必要的連接件連接起來。由于仿人機器人行走主要是靠下肢，同時要兼顧人體行走各部分運動的協(xié)調(diào)性所以對機器人的上肢進行了簡化設計。Pro/E中裝配圖如圖1。

圖1 仿人機器人的裝配圖

2 機器人的仿真模型

首先將在Pro/E中建立的模型導入到ADAMS中。在ADAMS中對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、運動副，施加載荷，并可對關鍵的變量建立測量輸出，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，其他各個關節(jié)采用轉(zhuǎn)動副連接以保證所設計的自由度。同時要對仿真環(huán)境進行設定，對于在ADAMS中建立仿真環(huán)境的問題,應該遵循最大程度地模擬實際環(huán)境的原則來進行解決,本文中考慮到重力、機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 運動學及動力學仿真分析

3.1 仿人機器人的步態(tài)規(guī)劃

仿人機器人步態(tài)周期包含2個周期：單腿支撐周期和雙腿支撐周期。在雙腿支撐周期，仿人機器人雙腳都與地面接觸，這個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。單腿支撐周期指仿人機器人一條腿與地面接觸，另一條腿從后面離開地面擺動到前面與地面接觸這段時間。雙腿支撐周期一般占整個步態(tài)周期的20%左右［4］。針對本文所設計的機器人，機器人的行走由雙腿支撐周期開始，在雙腿支撐周期內(nèi)仿人機器人首先通過雙腳關節(jié)的運動把機器人的重心轉(zhuǎn)移到單腿支撐的一側(cè)，同時一只腳逐漸離開地面，雙腿支撐周期結(jié)束，進入單腿支撐周期，通過支撐的單腿關節(jié)和單膝關節(jié)的配合運動，仿人機器人的重心向前移動，移動之后擺動腿向前移動邁出一大步，邁步之后通過雙腳關節(jié)的旋轉(zhuǎn)機器人的擺動腳落地，單腿支撐期結(jié)束又一次進入了雙腿支撐期。這樣就完成了一個完整的步態(tài)周期。仿人機器人向前行走完全可以看做是步態(tài)周期的循環(huán)往復，在循環(huán)的過程中擺動腿和支撐腿每2個步態(tài)周期進行一次變換。

3.2 仿人機器人步態(tài)仿真

仿真過程中一個步態(tài)周期設定為4 s，仿真的結(jié)束時間設定為8 s，仿人機器人由立正到完成2個步行周期。運動仿真的序列關鍵幀如圖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)心點設定了Measure，由于PART23部件是整個上半身的質(zhì)心點。因此可以從PART23的質(zhì)心點的移動軌跡來反映出仿人機器人在整個步行過程中重心的移動軌跡。圖4表示的是仿人機器人的重心在行走過程中沿水平方向的位移，可以反映出仿人機器人行走的連續(xù)性，同時可以根據(jù)位移除以時間來算出仿人機器人的行走速度。圖5表示的是仿人機器人的重心沿垂直方向的位移，可以看出在行走過程中重心在垂直方向上的位移在適當?shù)脑试S范圍內(nèi)。圖6表示的仿人機器人重心在行走過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比優(yōu)化前的幅度要大?？傮w來說優(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軸方向隨時間的變化曲線

圖5 PART23質(zhì)心位置沿y方向隨時間的變化曲線

圖6 PART23質(zhì)心位置沿z方向隨時間的變化曲線

4結(jié)語

本文通過Pro/E對機器人的結(jié)構(gòu)進行了建模，然后導入到ADAMS中，在ADAMS對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、運動副，施加重力和接觸力并可對關鍵的變量建立測量輸出。隨后對仿人機器人進行了步態(tài)規(guī)劃，并根據(jù)步態(tài)規(guī)劃設定Motion中STEP函數(shù)的值，最后對仿人機器人進行了步態(tài)仿真并對仿真結(jié)果進行了分析，并且機器人步態(tài)進行了步態(tài)優(yōu)化。

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

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

［3］ 楊春光，趙世平，陸小龍，等.基于虛擬樣機的攀爬機器人仿真分析［J］.機器人技術，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：機械工業(yè)出版社，2013.