基于ADAMS的雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人虛擬仿真

徐學(xué)坦，汪永明，韋 強(qiáng)，葉 俊

(安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

步行機(jī)器人在各種復(fù)雜路況下的通過性能對于順利完成目標(biāo)任務(wù)非常關(guān)鍵。合理的腿結(jié)構(gòu)是步行機(jī)器人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，現(xiàn)有步行機(jī)器人的腿結(jié)構(gòu)大多采用多自由度的連桿機(jī)構(gòu)[1-2]或模仿人或動物腿部外觀的仿生多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)[3-6]。這些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，桿件和自由度數(shù)多、機(jī)構(gòu)可變性大，由此造成步行機(jī)器人在復(fù)雜地形下的步態(tài)規(guī)劃和運(yùn)動控制變得非常困難，嚴(yán)重制約了步行機(jī)器人機(jī)動性能的發(fā)揮，也是其難以在復(fù)雜地形環(huán)境中得到推廣應(yīng)用的瓶頸。

虛擬樣機(jī)技術(shù)[7]以計(jì)算機(jī)技術(shù)為依托，綜合多學(xué)科技術(shù)為產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計(jì)和評估提供技術(shù)支持，可提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。黃晉英等[8]基于ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)，對機(jī)器人的爬桿過程進(jìn)行仿真，并分析影響機(jī)械手夾持力的主要因素，從而為這類機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供參考。宋明輝[9]搭建ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真系統(tǒng)，對四足機(jī)器人的步態(tài)方法進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了其規(guī)劃的步態(tài)方法能夠有效提升四足機(jī)器人的運(yùn)動穩(wěn)定性。史耀強(qiáng)等[10]，葉仁平等[11]建立ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真平臺，基于虛擬樣機(jī)仿真分析得出產(chǎn)品或系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，為物理樣機(jī)的制作提供了理論依據(jù)?；诙壈朕D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[12-13]運(yùn)動原理，文中提出一種新型的雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人，該機(jī)器人通過跨步腿桿的交替著地實(shí)現(xiàn)步行運(yùn)動，且基于ADAMS軟件建立機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型，對其平地行走過程進(jìn)行仿真分析，為進(jìn)一步的樣機(jī)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人機(jī)構(gòu)原理

雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人主要由車體支架、兩條輪腿、輪腿支架、輔助支撐桿和滾動輪等組成，其機(jī)構(gòu)原理如圖1。其中，輪腿的設(shè)計(jì)基于二級半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動原理，其由一級轉(zhuǎn)臂桿、二級轉(zhuǎn)臂桿和前后兩個(gè)跨步腿桿組成，各腿桿之間通過轉(zhuǎn)動副連接，并由舵機(jī)直接驅(qū)動。一級轉(zhuǎn)臂桿、二級轉(zhuǎn)臂桿和跨步腿桿以4∶-2∶-1的轉(zhuǎn)速比旋轉(zhuǎn)（負(fù)號表示方向相反），兩個(gè)跨步腿桿交替與地面接觸實(shí)現(xiàn)步行運(yùn)動。雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人各跨步腿桿的轉(zhuǎn)速相同，且同側(cè)兩跨步腿桿之間的角度始終為90°。輪腿支架上端與車體支架通過轉(zhuǎn)動副連接，通過轉(zhuǎn)向舵機(jī)驅(qū)動輪腿轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制。輔助支撐桿通過帶扭簧的鉸鏈固連于車體支架上，其下端裝有滾動輪，可隨著機(jī)器人的行走而滾動。輔助支撐桿為兩段套筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)減震彈簧，用于緩解機(jī)器人行走中的振動。

2 雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型

雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。首先在Solidworks三維軟件中完成機(jī)器人的三維建模，并對螺釘、舵機(jī)等細(xì)節(jié)進(jìn)行必要的簡化處理，將建好的三維模型保存為x_t格式并導(dǎo)入ADAMS軟件中，虛擬樣機(jī)模型如圖2。

圖2中，設(shè)定車體坐標(biāo)系O′x′y′z′固連于車體支架中心，其x′軸沿車體支架向右，y′軸指向機(jī)器人前進(jìn)方向，z′軸垂直于x′y′平面向上。初始時(shí)刻，車體坐標(biāo)系x′軸與全局坐標(biāo)系x軸方向相同，車體坐標(biāo)系y′軸與全局坐標(biāo)系z軸方向相反，車體坐標(biāo)系z′軸與全局坐標(biāo)系y軸方向相同。在ADAMS中定義各腿桿的運(yùn)動耦合關(guān)系，即一級轉(zhuǎn)臂桿、二級轉(zhuǎn)臂桿和跨步腿桿三者之間的轉(zhuǎn)速比為4∶-2∶ -1，以滿足二級半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動特性；設(shè)置減震彈簧、運(yùn)動驅(qū)動等，并合理設(shè)置跨步腿桿端部與地面之間的三維碰撞屬性。

表1 雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人參數(shù)_Tab.1_ Parameters of double-half-rotation legged robot

圖2 雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型Fig.2 Virtual prototype model of double-halfrotation legged-robot

3 平地行走虛擬樣機(jī)仿真

以雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人在平地直線行走為例，進(jìn)行動力學(xué)仿真分析。設(shè)一級轉(zhuǎn)臂桿的驅(qū)動舵機(jī)轉(zhuǎn)速60°/s，仿真時(shí)間為12 s。根據(jù)二級半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動特性，仿真為2個(gè)跨步周期。

3.1 車體支架質(zhì)心位移、速度和加速度仿真分析

通過ADAMS仿真，獲得雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人車體支架質(zhì)心在垂直和水平方向的位移、速度和加速度曲線，如圖3。圖中dy,dz分別為垂直和水平方向的位移；vy,vz分別表示垂直和水平方向的速度；ay,az分別表示垂直和水平方向的加速度；t表示時(shí)間。

圖3 車體支架質(zhì)心位移、速度和加速度曲線Fig.3 Curves of displacement,velocity and acceleration of the body bracket centroid

該機(jī)器人的前進(jìn)運(yùn)動通過輪腿的跨步腿桿交替著地實(shí)現(xiàn)。由于二級半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)本身的運(yùn)動特性，在前進(jìn)過程中該機(jī)器人的車體支架有一定的上下起伏度。根據(jù)圖3可知：該機(jī)器人的車體支架起伏度（垂直方向位移）dy較小，約為33 mm；垂直方向的平均速度vy和平均加速度ay分別為-1.7 mm/s和2.0 m/s2，均較小，有利于搭載儀器；水平方向的平均速度vz為-42.1 mm/s。當(dāng)跨步腿桿接觸地面的瞬間，由于跨步腿桿與地面的沖擊作用，y向和z向的加速度均發(fā)生突變，但其他時(shí)段的加速度均較小。

3.2 跨步腿桿與地面接觸力分析

跨步腿桿與地面之間的接觸力是腿式機(jī)器人受力分析和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵依據(jù)。由于該雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人的兩條腿相對于車體支架對稱分布，其在平地行走兩側(cè)的跨步腿桿均交替與地面接觸，則其受力相似，接觸力的大小也相似。文中以右側(cè)跨步腿桿為研究對象，進(jìn)行跨步腿桿與地面接觸力的分析。設(shè)定各跨步腿桿與地面接觸碰撞參數(shù)，通過動力學(xué)仿真分析，得到跨步腿桿與地面接觸力曲線，結(jié)果如圖4。該雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人平地行走時(shí)，2條跨步腿桿交替與地面接觸，其與地面的接觸力(F1,F1)曲線也呈周期性變化。在右1跨步腿桿和右2跨步腿桿交替著地時(shí)，由于車體支架和輔助支撐桿的阻尼作用，其與地面的接觸力曲線存在部分重疊。

由圖4可知：隨著跨步腿桿運(yùn)動，右1跨步腿桿開始受路面的支撐力較大，隨著機(jī)器人向前運(yùn)動，右1跨步腿桿受到路面的支撐力逐漸減小，其與地面接觸過程中垂直方向接觸力F1y的平均值為3.27 N，水平方向接觸力F1z平均值為-0.06 N；右2跨步腿桿剛開始被抬起與地面不接觸，其所受路面的支撐力為0，隨著機(jī)器人向前行走，右2跨步腿桿開始與地面接觸，所受地面支撐力逐漸增大，其與地面接觸過程中垂直方向接觸力F2y的平均值為3.10 N，水平方向與地面接觸力F2z平均值為-0.03 N。

3.3 輔助支撐桿的減震效果分析

圖4 右側(cè)跨步腿桿與地面接觸力曲線Fig.4 Curves of contact force between the right side wheel-legs and the ground

該機(jī)器人的輔助支撐桿通過帶扭簧的鉸鏈固連于車體支架上，其下端裝有滾動輪，可隨著機(jī)器人的行走而滾動。輔助支撐桿為兩段套筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)減震彈簧，用于緩解機(jī)器人行走中的振動。輔助支撐桿滾動輪在雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人行走過程中始終與地面接觸，其與地面之間的接觸力F3始終處在一定范圍內(nèi)波動，如 圖5。滾動輪與地面接觸過程中y向接觸力F3y的平均值為8.30 N，z向與地面接觸力F3z的平均值接近于0。在該雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人行走過程中，輔助支撐桿內(nèi)的減震彈簧受力Fs曲線如圖6。該機(jī)器人的輔助支撐桿內(nèi)減震彈簧主要用于緩沖兩跨步腿桿交替觸地產(chǎn)生的振動。由圖6可知，減震彈簧受力Fs平均約為-0.64 N，可以看出該減震彈簧具有一定的減震效果。

圖5 輔助滾動輪與地面接觸力曲線Fig.5 Curves of contact force between the auxiliary wheel and the ground

圖6 輔助支撐桿內(nèi)減震彈簧受力曲線Fig.6 Force curve of the damping spring in the auxiliary supporting rod

由于輔助支撐桿通過帶扭簧的鉸鏈固連于車體支架上，在機(jī)器人行走過程中，輔助支撐桿通過帶扭簧的鉸鏈繞車體坐標(biāo)系x′軸呈規(guī)律地轉(zhuǎn)動，圖7為轉(zhuǎn)動鉸鏈處扭簧在機(jī)器人運(yùn)動過程中所受的力矩曲線。由圖7可知，扭簧所受的力矩隨機(jī)器人的運(yùn)動呈周期性變化，一個(gè)周期的平均力矩T為-77.72 N·mm。故在輔助支撐桿與車體連接的鉸鏈處設(shè)置扭簧可起到一定的減震作用。

圖7 鉸鏈處扭簧受力矩曲線Fig.7 Torque curve of torsional spring at the hinge

4 結(jié) 論

1)該雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人在平地行走過程中其車體支架上下起伏度較小，約為33 mm，且在垂直方向車體支架的速度和加速度曲線波動不大，有利于平穩(wěn)搭載各種科學(xué)儀器。

2)該雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人通過兩側(cè)的跨步腿桿交替著地實(shí)現(xiàn)行走功能，平地行走過程中跨步腿桿與路面接觸力基本呈周期性變化。

3)該雙半轉(zhuǎn)腿式機(jī)器人輔助支撐桿的減震彈簧、扭簧具有一定的減震效果。