【導(dǎo)讀】工業(yè)生產(chǎn)、無人偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、核電維修等。現(xiàn)實(shí)生活中復(fù)雜的環(huán)境，對(duì)機(jī)器人對(duì)環(huán)。境的適應(yīng)性提出了更高的要求。根據(jù)行走方式，機(jī)器人可分為輪式、足式、履帶式及混合式。以適應(yīng)各種復(fù)雜的地形，缺點(diǎn)是移動(dòng)速度較低，且由于重心原因容易側(cè)翻。研究有著廣闊的發(fā)展前景。四足機(jī)器人相對(duì)于雙足機(jī)器人有更好的穩(wěn)定性，相對(duì)于六足機(jī)器人及六足以上多足。機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制。因其較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力及運(yùn)動(dòng)靈活性，四足機(jī)器人已成。四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)用傳統(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)四足機(jī)器。本文的主要內(nèi)容包括：。題的研究難點(diǎn)及主要任務(wù)、項(xiàng)目指標(biāo)。參照設(shè)計(jì)參數(shù)，在。PROE軟件中建立了樣機(jī)的三維模型。ADAMS軟件中驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。，并對(duì)未來四足機(jī)器人的研究要點(diǎn)提出建議。

　　

【正文】 的屈服極限為310MPa，可知零件處于安全范圍內(nèi)。 圖 3. 12 Mise 應(yīng)力云圖 是 圖 3. 13 應(yīng)變?cè)茍D 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 38 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 39 第四章 四足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真 引言 本章利用上章在 Proe 中建立樣機(jī)三維模型，將模型導(dǎo)入 Adams 中設(shè)置相關(guān)屬性，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。通過動(dòng)力學(xué)仿真，檢查四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并驗(yàn)證步態(tài)規(guī)劃的合理性。并對(duì)四足機(jī)器人行走速度、爬坡、負(fù)載要求進(jìn)行檢驗(yàn)，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。 虛擬樣機(jī)設(shè)置 模型導(dǎo) 入 為了將三維模型導(dǎo)入 Adams 軟件中，需要將 建立的三維 模型文件 轉(zhuǎn)化與Adams 有接口的 .xt 文件格式，操作過程如下： 選擇“ 文件 ” ， 在下拉列表框中選擇“ 保存副本 ” ， 在彈出的對(duì)話框中的類型選擇選擇“ Parasolid(*.x_t)”， 點(diǎn)擊確定， 在彈出的導(dǎo)出對(duì)話框中點(diǎn)擊確定， 其它設(shè)置 采 用默認(rèn) 設(shè)置 ， 即可 導(dǎo)出 .xt 格式文件 。 將 .x_t 文件導(dǎo) 入 ADAMS 軟件中；啟動(dòng) Adams 軟件，由于 Adams2020 與 Adams2020及之前的版本有所不同，在啟動(dòng)軟件后彈出的對(duì)話框中沒有導(dǎo)入選項(xiàng)，故先建立新模型選擇“ New Model”，然后在標(biāo)題欄中選擇“ File”，選擇“ Import”，在彈出的對(duì)話框中 File Type 選擇“ Parasolid”，選擇導(dǎo)入文件路徑，創(chuàng)建模型名字，點(diǎn)擊 ok 即在 Adams中導(dǎo)入三維模型文件。 樣機(jī)模型仿真屬性設(shè)置 對(duì)樣機(jī)系統(tǒng)各個(gè)部件進(jìn)行渲染。為了達(dá)到較好 的視覺效果，及為部件命名時(shí)方便區(qū)分，故利用 ADAMS 軟件自帶的渲染庫(kù)對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行渲染。 將各個(gè)零件進(jìn)行重命名。為了便于修改材料屬性、添加約束及錯(cuò)誤檢查，對(duì)各個(gè)零件修改零件的名字。 添加各個(gè)零件的材料屬性。根據(jù)各個(gè)零件選用的材料，將四足機(jī)器人機(jī)體及腿零件材料設(shè)置為： steel。足墊材料自定義為橡膠。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 40 添加各個(gè)零件之間的約束與驅(qū)動(dòng)。腿與舵機(jī)之間采用鉸接副連接，腿與足墊之間采用固定副連接，將地面與 ground 固定在一起，并在各個(gè)鉸接副上添加轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。各個(gè)零件之間的約束與驅(qū)動(dòng)情況如下 圖 4. 4 約束、驅(qū)動(dòng)、接觸添加圖 所示。 圖 4. 4 約束、驅(qū)動(dòng)、接觸添加圖 添加驅(qū)動(dòng)函數(shù) 四足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)具有周期性，在 ADAMS 中各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)采用 STEP 函數(shù)。隨著四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步數(shù)的增加，用 STEP 函數(shù)寫的代碼也會(huì)增加，當(dāng)機(jī)器人行走步數(shù)較大時(shí)，代碼可能會(huì)達(dá)到數(shù)百行。鑒于各個(gè)關(guān)節(jié)的周期性運(yùn)動(dòng)，STEP函數(shù)代碼也具有一定的規(guī)律性，本文運(yùn)用 Visual Basic 可視化編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)了 STEP函數(shù)代 碼生成器。函數(shù)生成器界面如 圖 4. 5 STEP 函數(shù)生成器 圖所示。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 41 圖 4. 5 STEP 函數(shù)生成器 上圖中， Prequency 表示各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)一次的所用的時(shí)間， STEP 表示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的步數(shù)， leg1_thigh、 leg2_thigh、 leg3_thigh、 leg4_thigh 分別表示腿 4 的大腿驅(qū)動(dòng)函數(shù)， leg1_shank、 leg2_shank、 leg3_shank、 leg4_shank 分別表示腿 4 的小腿驅(qū)動(dòng)函數(shù)，直行與轉(zhuǎn)彎選擇按鈕用于選擇運(yùn)動(dòng)的模式，清除按鈕用于清除文本框中的代碼。 在使用 STEP 函數(shù)代碼生成器時(shí)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求輸入關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)一次時(shí)間Frequency，運(yùn)動(dòng)的步數(shù) STEP，選擇運(yùn)動(dòng)的模式直行或轉(zhuǎn)彎，然后點(diǎn)擊各個(gè)關(guān)節(jié)的按鈕，即可在文本框中生成驅(qū)動(dòng)波函數(shù)代碼。 STEP 函數(shù)代碼生成器提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)函數(shù)書寫效率，使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)更為高效，也避免了運(yùn)動(dòng)步數(shù)較多時(shí)人為編寫的出錯(cuò)可能。 在 ADAMS 中的菜單欄點(diǎn)擊 SettingGravity，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊 ，再點(diǎn)擊 Y，設(shè)置重力加速度的方向向下，如。 設(shè)置腿與地面的接觸動(dòng)摩擦因素為 ，靜摩擦因素為 。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 42 圖 4. 6 設(shè)置重力加速度 動(dòng)力學(xué)仿真 實(shí)驗(yàn) 直行仿真 在 STEP 驅(qū)動(dòng)函數(shù)生成器中輸入單步周期及行走步數(shù)，選擇運(yùn)動(dòng)模式為“ 直行 ” ，依次點(diǎn)擊各個(gè)腿生成各個(gè)腿的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，將生成的驅(qū)動(dòng)函數(shù)復(fù)制到 Adams 模型對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)中。 設(shè)置仿真類型為動(dòng)力學(xué)仿真 “ Dynamic” ， 仿真時(shí)間類型設(shè)置為“ End Time”仿真時(shí)間為 5s，步數(shù)為 500 步， 如 圖 4. 7 仿真設(shè)置 所示。 圖 4. 7 仿真設(shè)置 直行運(yùn)動(dòng)如下 圖 4. 8 直行 所示。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 43 圖 4. 8 直行 轉(zhuǎn)彎仿真 驅(qū)動(dòng)函數(shù)添加與直行仿真類似，將運(yùn)動(dòng)模式選為“轉(zhuǎn)彎”，設(shè)置仿真類型如 圖 4. 7 仿真設(shè)置 。 仿真結(jié)果分析 通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn) 證了本課題設(shè)計(jì)的四足機(jī)器人能夠直行、轉(zhuǎn)彎、爬坡，為了進(jìn)一步了解該四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能，在 Adams 后處理中對(duì)其仿真結(jié)果進(jìn)行 分析 ，分析四足機(jī)器人直行、轉(zhuǎn)彎步態(tài)與規(guī)劃步態(tài)是否一致，并測(cè)試機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的位移、速度、接觸力曲線 。 直行仿真分析 （ 1）直行步態(tài)仿真 分析 機(jī)器人起步時(shí)，先進(jìn)行 步 態(tài)調(diào)整， 如 圖 4. 9 直行步態(tài) 仿真分析 圖所示。 圖 ab 為右側(cè)后腿、前腿向后邁步，為下一步向前邁步作準(zhǔn)備；圖 cd 為左側(cè)后腿、前腿依次向前邁步行走，形成左側(cè)兩腿在前，右側(cè) 兩腿在后，如圖 d 所示；圖 ef 為右側(cè)后腿、前腿依次向前邁步行走，同時(shí)調(diào)整機(jī)體重心向前使左側(cè)兩腿位于機(jī)身后方 ，形成右側(cè)兩腿在前，左側(cè)兩腿在后，如圖 f 所示； 圖 gh 為左側(cè)后腿、前腿依次向前邁步行走，同時(shí)調(diào)整機(jī)體重心向前使右側(cè)兩腿位于機(jī)身后方 ，返回到圖 d 所示步態(tài)，即從圖 d 至圖 h 完成一個(gè)步態(tài)周期，依次循環(huán)圖 dh 步態(tài)，實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人直行運(yùn)動(dòng)。 從仿真結(jié)果可知四足機(jī)器人的直行運(yùn)動(dòng)步態(tài)與規(guī)劃的步態(tài)運(yùn)動(dòng) 預(yù)期 效果一致。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 44 圖 g 右后腿后邁步 圖 h 右前腿后邁步 圖 i 左后腿前邁步 圖 j 左前腿前邁步 圖 k 右后腿前邁步 圖 l 右前腿前邁步 圖 m 左后腿前邁步 圖 n 左前 腿前邁步 圖 4. 9 直行步態(tài) 仿真分析 （ 2） 機(jī)器人 質(zhì)心位移仿真 分析 四足機(jī)器人質(zhì)心位移曲線反映了四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性， 觀察質(zhì)心的在X、 Y、 Z 三個(gè)方向的位移曲線可得出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能。 在 Adams 后處理中測(cè)試四足機(jī)器人質(zhì)心運(yùn)動(dòng)情況如下圖 所示： 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 45 圖 4. 10 質(zhì)心在 X 方向位移曲線 圖 4. 11 質(zhì)心在 Y 方向位移曲線 圖 4. 12 質(zhì)心在 Z 方向的位移曲線 由 圖 4. 10 質(zhì)心在 X 方向位移曲線 ，可以看出機(jī)器人在 0～ 2s 位移為零，未運(yùn)動(dòng)，結(jié)合圖 直行步態(tài)仿真分析可知，機(jī)器人在 0～ 2s 處于步態(tài)調(diào)整狀態(tài)。在第 10s 時(shí)，西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 46 位移為 ，由此可知，在 2～ 10s 時(shí)間里機(jī)器人運(yùn)動(dòng)了 850mm，平均速度 約 為 ，達(dá)到了指標(biāo) 。在 2～ 10s 的位移曲線接近直線，說明機(jī)器人在 X 方向運(yùn)動(dòng)速度較均勻，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較好。 圖 4. 11 質(zhì)心在 Y 方向位移曲線 表示機(jī)器人在前進(jìn)過程中質(zhì)心在橫向的偏移情況，由圖可看出，質(zhì)心在橫向在左右移動(dòng)， 即步態(tài)中的重心調(diào)整， 與規(guī)劃的 S 形運(yùn)動(dòng)軌跡符合。在第 4s 之后，質(zhì)心在橫向較最初值有所偏離，在第 10s 時(shí)，偏離量達(dá)到 ，偏離量在可接受范圍內(nèi)。 圖 4. 12 質(zhì)心在 Z 方向的位移曲線 表示質(zhì)心在豎直方向的運(yùn)動(dòng)情況，反映了機(jī)器人質(zhì)心上下顛簸情況。 由圖可以看出，機(jī)器人在 秒左右質(zhì)心由 下降到 ，此時(shí)處于步態(tài)調(diào)整過程中，在 1 秒之后質(zhì)心幾乎都位于 高度處。由此可知，機(jī)器人在正常行走后質(zhì)心高度沒有變化，即沒有發(fā)生上下顛簸狀況 ，充分說明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較好。 （ 3） 足端 質(zhì)心 位移 仿真 分析 分析足端運(yùn)動(dòng)位移可以了解機(jī)器人腿抬腿高度、每一步運(yùn)動(dòng) 步幅。機(jī)器人足端質(zhì)心位移運(yùn)動(dòng)軌跡如下圖 與圖 所示。 圖 4. 13 足端質(zhì)心 X 方向位移 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 47 圖 4. 14 足端質(zhì)心 Y 方向位移 由 圖 4. 13 足端質(zhì)心 X 方向位移 曲線可以 知 ，機(jī)器人在正常行走時(shí)，向前邁步每步步幅約為 ，每步運(yùn)動(dòng)時(shí)間為 ，間隙時(shí)間為 。由 圖 4. 14 足端質(zhì)心 Y 方向位移 曲線可知機(jī)器人抬腿高度約為 3cm，抬腿與放下腿時(shí)間為 ，抬腿時(shí)間間隔 。 （ 4）接觸力 四足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中足端與地面間斷性接觸， 接觸力只有在足端與地面接觸時(shí)才會(huì)產(chǎn)生，當(dāng)腿處于擺動(dòng)相時(shí)接觸力為零。 當(dāng)足端與腿接觸時(shí)，接觸力不應(yīng)過大 ，接觸力過大則對(duì)機(jī)器人沖擊較大，對(duì)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性將造成影響。 將各腿接觸力加載至同一圖幅如下 圖 4. 15 接觸力 所示。 圖 4. 15 接觸力 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 48 由 圖 4. 15 接觸力 圖可知，各腿與地面的接觸力幾乎都處于 500N 以下， leg2 在 時(shí)出現(xiàn)尖峰接觸力，大于 1000N， 這是由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的不平衡力矩所致。各腿與地面接觸力的變化情況與步態(tài)變化情況基本一致，即各腿在支撐 相時(shí)產(chǎn)生接觸力，在擺動(dòng)相時(shí)接觸力為零。 轉(zhuǎn)彎仿真分析 （ 1）轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析 四足機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)各腿運(yùn)動(dòng)情況如 圖 4. 16 轉(zhuǎn)彎步態(tài) 圖所示。圖 i 為機(jī)器人轉(zhuǎn)彎開始時(shí)初始步態(tài) ；圖 jk 為右側(cè)前腿、后腿依次向后邁步，并調(diào)整機(jī)體重心，使左側(cè)兩腿偏向機(jī)身后方，為左側(cè)腿向前邁步作準(zhǔn)備；圖 lm 分別為左側(cè) 后腿、前腿依次向前邁步，同時(shí)調(diào)整機(jī)體重心，使右側(cè)兩腿向前轉(zhuǎn)動(dòng)，為下一次向后邁步作準(zhǔn)備 ，完成左側(cè)前腿向前邁步時(shí)，四足機(jī)器人四條腿步態(tài)回到初始步態(tài)，如圖 i 與圖 m 所示 ，完成一個(gè)步態(tài)周期，此時(shí)機(jī)身相對(duì)初始位置向右轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，循環(huán)該步態(tài)可實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人 360 度轉(zhuǎn)彎。 由仿真可知，四足機(jī)器人轉(zhuǎn)彎步態(tài)與轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃效果相符。 需要左轉(zhuǎn)彎時(shí)，與右轉(zhuǎn)彎步態(tài)相反即可。 圖 o 初始 步 態(tài) 圖 p 右前腿后邁步 圖 q 右后腿后邁步 圖 r 左后腿前邁步 圖 s 左前腿前邁步 圖 4. 16 轉(zhuǎn)彎步態(tài) （ 2）質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 49 四足機(jī)器人 360 度轉(zhuǎn)彎時(shí)，質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)環(huán)繞一周，通過仿真跟蹤質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量 得 圖 4. 17 質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡 。 由圖可知，在 360 度轉(zhuǎn)彎過程中，機(jī)器人質(zhì)心運(yùn)動(dòng)范圍較小， 能在小區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn) 360 度轉(zhuǎn)彎。 軌跡中形成尖角是因?yàn)闄C(jī)器人重心的調(diào)整 ，質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡達(dá)到了理想效果。 圖 4. 17 質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡 （ 3） 運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析 四足機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性，主要考慮 機(jī)體 運(yùn)動(dòng)的 振 動(dòng)。 通過測(cè)量機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎過程中質(zhì)心在豎直方向 位移情況，可以得出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，如 圖 4. 18 質(zhì)心 Z 方向的位移 所示。 圖 4. 18 質(zhì)心 Z 方向的位移 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 50 由上圖可知，機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎過程中質(zhì)心在豎直方向幾乎處于 ～ 范圍內(nèi)，個(gè)別時(shí)刻達(dá)到 位置，整體上波動(dòng)小 ，充分 說明機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中上下振動(dòng)小，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較好。 爬坡仿真分析 （ 1） 爬坡角度理論計(jì)算 本 文假設(shè)在動(dòng)力足夠爬坡的情況下，從靜力學(xué)角度排除動(dòng)力學(xué)的影響分析 機(jī)器人 的最大爬坡角度。如 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 所示， 機(jī)器我 重量為 G，驅(qū)動(dòng)力為 F,摩擦 的阻力為 1F ，正壓力為 N， 地形的坡度為 ? ， 腿部 與地的摩擦系數(shù)為 ? ，計(jì)算過程如下： 圖 4. 19 爬坡理論分析模型 由于 1FF? ，所以 cos si nGG? ? ?? 即 tan??? ，可得： arctan??? 4 1 由 式 4 1，當(dāng)輪地摩擦系數(shù)為 的時(shí)候， 機(jī)器人 的最大爬坡角為 度 。 故理論上四足機(jī)器人完全能夠爬上坡度為 10 度的斜坡。 （ 2）爬坡仿真測(cè)試 為了提高 四足機(jī)器人 適應(yīng)性，其 爬坡步態(tài) 采用與 平路 一樣 步態(tài)， 對(duì)其進(jìn)行研究。本文設(shè)置四足機(jī)器人爬行斜坡坡度為 15 度，若機(jī)器人能夠爬上 15 度斜坡，必然能夠爬上10 度斜坡。截取仿真過程中個(gè)別時(shí)刻機(jī)器人在斜坡上運(yùn)動(dòng)位置， 得到部分 運(yùn)動(dòng)過程 圖 如下圖所示 ： 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 51 圖 t 斜坡底部 圖 u 剛上斜坡 圖 v 斜坡 爬行