四足機(jī)器人trot步態(tài)的上下坡仿真機(jī)械設(shè)計(jì)論文,機(jī)器人,trot,步態(tài),下坡,仿真,機(jī)械設(shè)計(jì),論文 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）論文（設(shè)計(jì)）題目：四足機(jī)器人 trot 步態(tài)的上下坡仿真姓 名：學(xué) 號(hào)：學(xué) 院：專 業(yè)：年 級(jí)：指導(dǎo)教師：年 6 月 8 日I目錄摘要 .IABSTRACT.第 1 章 緒論 .51.1 四足機(jī)器人研究背景 .51.2 四足機(jī)器人的當(dāng)今發(fā)展現(xiàn)狀 .51.3 本論文主要研究?jī)?nèi)容 .7第 2 章 四足機(jī)器人三維簡(jiǎn)化模型和虛擬樣機(jī)模型建立 .82.1 引言 .82.2 建模仿真軟件介紹 .82.2.1 Pro/E 軟件介紹 .82.2.2 Adams 軟件與虛擬樣機(jī)技術(shù)介紹 .82.3 四足機(jī)器人 PRO/E 簡(jiǎn)化模型建立 .92.4 ADAMS 四足機(jī)器人虛擬樣機(jī)建模 102.4.1 導(dǎo)入模型與創(chuàng)建約束 102.4.2 添加關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)與添加足和地面的接觸力 132.5 本章小結(jié) .15第 3 章 四足機(jī)器人 TROT 步態(tài)平地行走的運(yùn)動(dòng)仿真分析 .163.1 引言 .163.2 四足機(jī)器人 TROT 步態(tài)平地運(yùn)動(dòng)虛擬樣機(jī)仿真分析 163.2.1 建立四足機(jī)器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)函數(shù)及驅(qū)動(dòng)函數(shù)組 163.2.2 四足機(jī)器人 trot 步態(tài)平地行走運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析 223.2.3 四足機(jī)器人 trot 步態(tài)平地行走動(dòng)力學(xué)仿真分析 283.2.4 四足機(jī)器人 trot 步態(tài)不同組驅(qū)動(dòng)函數(shù)的仿真分析 293.3 四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性影響的仿真分析 .343.3.1 機(jī)器人不同行走周期 T 的穩(wěn)定性分析 .353.3.2 機(jī)器人不同行走步長(zhǎng) 的穩(wěn)定性分析 .37?3.4 四足機(jī)器人的雙腿 trot 步態(tài)仿真403.4.1 機(jī)器人 RF 與 LF 腿的位移和速度分析 41II3.4.2 機(jī)器人 RF 與 LF 腿的力和力矩分析433.5 本章小結(jié)……………………………………………………………………… 43第 4 章 四足機(jī)器人 TROT 步態(tài)的上下坡仿真分析 .444.1 引言 444.2 四足機(jī)器人上下坡運(yùn)動(dòng)的理論知識(shí) 444.3 四足機(jī)器人上下坡運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)優(yōu)化分析 454.4 四足機(jī)器人上下坡的仿真分析554.4.1 機(jī)器人上下坡的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 554.4.2 機(jī)器人上下坡的動(dòng)力學(xué)分析 564.5 本章小結(jié) 57結(jié)論與展望 .58參考文獻(xiàn) .59致謝 .60外文翻譯 .61摘要隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)機(jī)器人適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和行走穩(wěn)定性的要求也越來越高，足式機(jī)器人在環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性方面更占有優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)今機(jī)器人研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容，可應(yīng)用于國(guó)家防護(hù)、科考探險(xiǎn)以及外星球的空間環(huán)境探索等。仿生四足機(jī)器人在現(xiàn)今機(jī)器人研究領(lǐng)域中非常熱門，四足動(dòng)物的行走方式為四足機(jī)器人步態(tài)研究提供了設(shè)計(jì)思路。基于四足機(jī)器人還難以適應(yīng)高速靈活的運(yùn)動(dòng)，對(duì)四足機(jī)器人 trot 步態(tài)生成和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性研究具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜，還要適應(yīng)復(fù)雜的地面環(huán)境，就需要對(duì)機(jī)器人走不同復(fù)雜路面環(huán)境情況進(jìn)行研究。與傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)的過程不同的是，虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，可以把設(shè)計(jì)錯(cuò)誤控制在生產(chǎn)前，這樣有效地降低了開發(fā)成本，也提高了新產(chǎn)品研發(fā)的效率。本論文從斜度為 的破平面路況來對(duì)四足機(jī)器人 trot 步態(tài)的行10?走狀態(tài)進(jìn)行研究，通過虛擬樣機(jī)規(guī)劃路徑，確定四足機(jī)器人穩(wěn)定的行走狀態(tài)。首先，用 Pro/E 軟件建立四足機(jī)器人的三維模型，之后導(dǎo)入到 ADAMS 軟件中建立虛擬樣機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)了平地行走的 trot 步態(tài)的運(yùn)動(dòng)仿真。仿真模擬過程中，采用不同的運(yùn)動(dòng)周期 T 和步長(zhǎng) 對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得到該模型平地行走?的最佳的周期 T 和最佳的步長(zhǎng) 。此外，還建立了四足機(jī)器人的雙腿模型，此時(shí)機(jī)器人做軀體質(zhì)心位移為 0 的擺動(dòng)，此模型可被看作為倒立擺模型。其次，研究四足機(jī)器人在 10°坡平面的 trot 步態(tài)上下坡運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，根據(jù)反復(fù)仿真的結(jié)果，建立了四足機(jī)器人不同路況關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)函數(shù)調(diào)用時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，最后，利用實(shí)際例子驗(yàn)證了模型的可行性和合理性，實(shí)現(xiàn)了四足機(jī)器人穩(wěn)定連續(xù)地上下坡運(yùn)動(dòng)。關(guān)鍵字：ADAMS 仿真 四足機(jī)器人 trot 步態(tài)上下坡 數(shù)學(xué)建模山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文4AbstractWith the rapid development of robot technology, it has higher and higher requirements of robot ,for it’s adaptability to the complex environment and walking stability .Legged robot is more dominant on the adaptability and stability in the environment .It is nowadays an important aspect of robotics research.It can be applied to national protection, expedition adventure and the outer planet space environment exploration and so on. Bionic quadruped robot is very popular in today's field of robotics .Walking manner of four-legged animals has provided design ideas for the quadruped robot gait research . Based on the difficulty of four-legged robot to adapt to the rapid and flexible movement, studies of quadruped robot trot gait generation and dynamic stability have very important practical significance.The structure of quadruped robot is usually more complex, but also to be able to adapt to the complex ground environment, we need to study robot walking on different complex road conditions.Different with the traditional product development process ，the using of virtual prototyping technology can help us controll design errors at the pre-production, which effectively reduces the development costs, but also improve the efficiency of research and development of new products.In this thesis, we use the slope gradient of 10 flat road as the research object,and do research on the trot gait of quadruped walking robot state planing a route by a virtual prototype to determine quadruped walking robot stable state.Firstly,we used the Pro / E software to establish a three-dimensional model of quadruped robot, and then imported into the ADAMS software to create a virtual prototype model.Now we have realized the plains trot gait motion simulation.In simulation process, using a different motion cycle T and different step stability of the robot, we have ?gained the best period T and the best step of the model . In simulation process, by using a different type of knee movement cycle T and step of the robot motion amplitude stability research, we get the optimal period T and the best step.In addition, we have established a model of the robot's legs, when the robot body centroid make the swing displacement of 0.This model can be viewed as an inverted pendulum model.Secondly, we study the quadruped robot in the slope plane of 10 ° slope downhill trot gait kinematics and dynamics simulation. According to repeated simulation results, we have established a different road conditions quadruped robot joint calling time of driving function mathematical model.Finally, we use practical examples validate the feasibility and rationality of the model, and achieve a quadruped robot simulation of continuous and stable movement up and down slopes. Keywords：ADAMS simulation Quadruped robot Trot gait on the uphill and downhill Mathematical modeling山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文5第 1 章 緒論1.1 四足機(jī)器人研究背景隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)器人自身的環(huán)境適應(yīng)能力有了越來越高的要求，在三種移動(dòng)機(jī)器人（即輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人以及足式機(jī)器人）中，足式機(jī)器人利用孤立的地面支撐，不需要連續(xù)的地面支撐，相比于輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人對(duì)復(fù)雜路況具有更好的適應(yīng)性。足式機(jī)器人又分為二足、四足、和六足等類型的，相比之下，四足機(jī)器人支撐穩(wěn)定性比“二足”要好 ,而在且機(jī)構(gòu)的冗余和控制復(fù)雜程度比六足簡(jiǎn)單，宗以上所述，四足機(jī)器人具有較佳的綜合性能，實(shí)用性價(jià)值也比較大。四足機(jī)器人可以代替人來完成很多危險(xiǎn)的工作，比如核泄漏場(chǎng)地探查、軍事偵探、搶險(xiǎn)救災(zāi)等任務(wù)，因此四足機(jī)器人具有深遠(yuǎn)的研究意義和廣泛的應(yīng)用前景。1.2 四足機(jī)器人的當(dāng)今發(fā)展現(xiàn)狀在國(guó)外，四足機(jī)器人自誕生也有了幾十年的發(fā)展，當(dāng)今功能最強(qiáng)大的四足機(jī)器人當(dāng)屬由波士頓動(dòng)力學(xué)工程公司（Boston Dynamics）專門為美國(guó)軍隊(duì)研究設(shè)計(jì)的形似機(jī)械狗的“ 大狗” （Big dog） [1]，如圖 1-1 所示。這只機(jī)器狗與真狗一般大小，它可以承載 40 多公斤的裝備，約相當(dāng)于其重量的 30%。 “大狗” 還可以自行沿著簡(jiǎn)單的路線行進(jìn)，或是被遠(yuǎn)程控制?？梢耘试?35 度的斜坡。液壓裝置由單缸兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其原理是由汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)能夠帶動(dòng)其有關(guān)節(jié)的四肢運(yùn)動(dòng)。陀螺儀和其他傳感器幫助機(jī)載計(jì)算機(jī)規(guī)劃每一步的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人依靠感覺來保持身體的平衡，如果有一條腿比預(yù)期更早地碰到了地面,計(jì)算機(jī)就會(huì)認(rèn)為它可能踩到了巖石或是山坡,然后 Big Dog 就會(huì)相應(yīng)地調(diào)節(jié)自己的步伐。 圖 1-1 美國(guó) “大狗” （Big dog） 圖 1-2 美國(guó)研制“機(jī)械狗”LS3山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文6如圖 1-2 所示，美國(guó)研制的“機(jī)器狗” [2]可以在負(fù)重 181 千克行走 30 千米，跟隨士兵在崎嶇地帶作戰(zhàn)。在最近一次演示中，LS3 表現(xiàn)出了極佳的穩(wěn)定性，即使在不慎翻倒后也能自行站起，繼續(xù)前進(jìn)。 日本東芝日前公布了一款四足機(jī)器人“福島探索者” [3]，如圖 1-3 所示。 正如它的名字，這款機(jī)器人將被用于探索福島 1 號(hào)核電站，檢測(cè)其放射性物質(zhì)的殘留影響。福島 1 號(hào)核電站因?yàn)楸淮蟮卣鹌茐模斐纱罅糠派湫晕镔|(zhì)泄漏。 “福島探索者” 高1 米，配備有攝像頭和傳感器，可以進(jìn)行無線遠(yuǎn)程控制。它的四足設(shè)計(jì)可以輕松通過崎嶇的地形，每小時(shí)最高時(shí)速 0.6 英里（約合 966 米） 。官方稱機(jī)器人的四足關(guān)節(jié)被一個(gè)專門的運(yùn)動(dòng)算法控制，可以行走在崎嶇不平的道路表面，也能躲避障礙物和上下樓，可以進(jìn)入非常危險(xiǎn)的地區(qū)。此外，還能通過折疊手臂釋放出一個(gè)體形更小的機(jī)器人伙伴，并安裝第二個(gè)攝像頭。小機(jī)器人通過電纜與“福島探索者” 連接，每小時(shí)最高時(shí)速 0.12 英里（約合 193 米） ，續(xù)航時(shí)間為 1 小時(shí)。圖 1-3 日本東芝“福島探索者” 圖 1-4 中國(guó)似“機(jī)械狗”在中國(guó)，正在研制的四足機(jī)器人 [4]，如圖 1-4 所示 ，這款機(jī)器人由 4 條長(zhǎng)長(zhǎng)的腿和一個(gè)機(jī)身組成，就如同一只沒有頭的狗。從外形上看，這款機(jī)器人與美國(guó)研制的“大狗”（Bigdog）軍用機(jī)械狗十分相似，都采用了相同的四足設(shè)計(jì)，只是中國(guó)的這款機(jī)器人在尺寸上稍微小一些。2012 年 11 月，上海交通大學(xué)科研人員設(shè)計(jì)的四足仿生“小象” [5]，如圖 1-5 所示 凝結(jié)了仿生技術(shù)的“小象” 可以用于替代人工、采用人機(jī)交互遠(yuǎn)程操控方式完成復(fù)雜危險(xiǎn)環(huán)境下搬運(yùn)、搜索、探測(cè)和救援作業(yè)等任務(wù)。 “小象” 最大負(fù)重超過 70 千克，速度大于每小時(shí) 4 公里，最大行走坡度大于 10 度，具有步行、對(duì)角小跑、失穩(wěn)瞬間的平衡快速調(diào)節(jié)等功能，還擁有液壓驅(qū)動(dòng)單元、自帶動(dòng)力源，無外接動(dòng)力線纜和通訊線纜等先進(jìn)設(shè)備，這是我國(guó)四足仿生機(jī)器人先進(jìn)代表。山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文7圖 1-5 上海交通大學(xué)“小象” 圖 1-6 山東大學(xué)液壓四足仿生機(jī)器人山東大學(xué)四足仿生機(jī)器人是 863 計(jì)劃主題項(xiàng)目，圍繞突破仿生機(jī)構(gòu)、高功率密度液壓驅(qū)動(dòng)、環(huán)境感知、仿生步態(tài)規(guī)劃、狀態(tài)感知與動(dòng)態(tài)控制、關(guān)鍵單元與系統(tǒng)測(cè)試等關(guān)鍵核心技術(shù)，取得了一批自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成果 [6]。該機(jī)器人是國(guó)內(nèi)第一個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人，是當(dāng)時(shí)四足機(jī)器人在中國(guó)的先進(jìn)代表。整體上，我國(guó)在四足機(jī)器人設(shè)計(jì)研究方面和國(guó)外還有一定差距，需要我們多付出努力，苦心鉆研，在四足機(jī)器人設(shè)計(jì)方面趕超世界先進(jìn)水平。1.3 本論文主要研究?jī)?nèi)容1、 闡述了四足機(jī)器人研究的背景及意義，以及四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制策略；2、 Pro/E 建立四足機(jī)器人的三維簡(jiǎn)化模型，并在 ADAMS/View 環(huán)境中建立虛擬樣機(jī)模型；3、 四足機(jī)器人 trot 步態(tài)平地行走的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，再者，通過仿真分析了不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)周長(zhǎng) T 和步長(zhǎng) 對(duì)四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響情況；?4、 研究四足機(jī)器人在 坡平面的 trot 步態(tài)上下坡運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，根據(jù)10?反復(fù)仿真的結(jié)果，分析并建立了四足機(jī)器人不同路況關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)函數(shù)調(diào)用時(shí)間段確定的數(shù)學(xué)模型；5、 研究四足機(jī)器人 trot 步態(tài)的 ADAMS 和 MATLAB 聯(lián)合仿真，在MATLAB/Simulink 模塊中建立四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡控制的控制框圖，實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人平地行走和上下坡運(yùn)動(dòng)的聯(lián)合仿真。山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文8第 2 章 四足機(jī)器人三維簡(jiǎn)化模型和虛擬樣機(jī)模型建立2.1 引言現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外機(jī)器人機(jī)器人已經(jīng)得到了高速發(fā)展，真正能利用的的機(jī)器人通常結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，為了能利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析研究，我們可以利用 Pro/E 建立機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型，導(dǎo)入到 Adams 軟件中進(jìn)行相關(guān)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)推進(jìn)力及運(yùn)動(dòng)能耗等方面的分析。2.2 建模仿真軟件介紹2.2.1 Pro/E 軟件介紹Pro/E 是美國(guó) PTC 公司旗下的產(chǎn)品 Pro/Engineer 軟件的簡(jiǎn)稱，是一款集 CAD/CAM/CAE功能一體化的綜合性三維軟件。其三維實(shí)體造型不僅可以提供模型的幾何參數(shù)，還可以設(shè)置材料類型、重心位置及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等信息，其功能完善的實(shí)體造型模塊，可以準(zhǔn)確地完成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維實(shí)體建模，Pro/E 三維建模軟件成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)師們的鐘愛。Pro/E 軟件支持 Parasolid（.x_t ）數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，保準(zhǔn)了其跟 Adams 軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸。Pro/E 第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決牲的相關(guān)性問題。采用模塊化方式，機(jī)械設(shè)計(jì)師可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、加工處理、鈑金設(shè)計(jì)等。此外，Pro/E 的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。2.2.2 Adams 軟件與虛擬樣機(jī)技術(shù)介紹1、Adams 軟件的介紹ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems） ，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析，是由美國(guó) MDI（Mechanical Dynamics Inc.）公司開發(fā)的一款樣機(jī)分析軟件 [7]。該軟件占有當(dāng)今虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)分析軟件 71%的市場(chǎng)。ADAMS 軟件使用交互式圖形環(huán)境，借助零件庫、約束庫、力庫，可以創(chuàng)建完全參數(shù)化的虛擬樣機(jī)模型。通過建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，其求解器可對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度、力等曲線。為分析曲線結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行不斷優(yōu)化，有效地縮短了設(shè)計(jì)周期。2、虛擬樣機(jī)技術(shù)介紹虛擬樣機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)新生的工程技術(shù)。借助于這項(xiàng)技術(shù)，工程師們可以在計(jì)算機(jī)上建立機(jī)械系統(tǒng)的模型，伴之以三維可視化處理，模擬在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，并根據(jù)仿真結(jié)果精化和優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與過程。虛擬樣機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域里，例如汽車制造業(yè)、工程機(jī)械、航天航空業(yè)、國(guó)防工業(yè)、造船、通用機(jī)械制造業(yè)等諸多方面。山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文9虛擬樣機(jī)技術(shù)是在 CAD、CAE、CAM 等和 DFA、DFM 等技術(shù)基礎(chǔ)上的發(fā)展起來的，它融合信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和先進(jìn)仿真技術(shù)于一體，將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)整個(gè)生命周期、整個(gè)系統(tǒng)，并對(duì)它們進(jìn)行綜合管理跟蹤 [8]。該技術(shù)有諸多特點(diǎn)：輔助物理樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試；強(qiáng)調(diào)在系統(tǒng)層次上模擬產(chǎn)品的外觀、功能及行為；在相同時(shí)間內(nèi)“試驗(yàn)”更多的設(shè)計(jì)方案，從而更容易獲得最佳的方案設(shè)計(jì)；應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)生命周期，并隨著產(chǎn)品生命周期的的演進(jìn)而不斷豐富和完善；支持產(chǎn)品全方位測(cè)試、分析和評(píng)估；能提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少開發(fā)周期，減少設(shè)計(jì)費(fèi)用等。2.3 四足機(jī)器人 PRO/E 簡(jiǎn)化模型建立我們所知四足哺乳動(dòng)物的每條腿通過軀體連接都有五個(gè)關(guān)節(jié)，其中冗余的自由度限制了其運(yùn)動(dòng)的靈活性，為了有效降低機(jī)器人行走控制的復(fù)雜程度，我們?cè)O(shè)計(jì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型，設(shè)計(jì)兩關(guān)節(jié)的內(nèi)膝式四足機(jī)器人，即為機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)（hip）和膝關(guān)節(jié)（knee） 。該機(jī)器人每天腿上的自由度為 2。根據(jù)優(yōu)化原則，四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [10]如圖圖 2-1，其尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)見表格 2-1 。圖 2-1 機(jī)器人的三維簡(jiǎn)化模型山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文10表格 2-1 四足機(jī)器人的尺寸參數(shù)部件 參數(shù) 數(shù)值長(zhǎng)度/mm 450大腿（Thigh）質(zhì)量/kg 1.5長(zhǎng)度/mm 445腿小腿（Leg）質(zhì)量/kg 2.0長(zhǎng)度 *寬*高（mm） 1200*400*100軀體（Main body） 質(zhì)量/kg 45.02.4 ADAMS 四足機(jī)器人虛擬樣機(jī)建模2.4.1 導(dǎo)入模型與創(chuàng)建約束1、導(dǎo)入模型在 Pro/E 軟件中建立好四足機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)模型后，保存為 Parasolid.*x_t格式的文件，之后在創(chuàng)建的 Adams 環(huán)境中執(zhí)行 File 菜單下的命令 Inport，插入剛才保存的文件，導(dǎo)入模型對(duì)話框見下圖：圖 2-2 模型導(dǎo)入對(duì)話框點(diǎn)擊 OK 按鈕，得到 ADAMS 環(huán)境中四足機(jī)器人的模型如圖 2-3 所示：山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文11圖 2-3 ADAMS 環(huán)境下四足機(jī)器人的模型 2.設(shè)置環(huán)境和建立約束模型導(dǎo)入 ADAMS 后根據(jù)自己的喜好，在 Setting 菜單下設(shè)置工作空間的背景顏色，設(shè)置基本單位，并調(diào)整工作柵格的的尺寸范圍。圖 2-4 工作環(huán)境設(shè)置對(duì)話框?yàn)榱酥亓铀俣鹊奶砑臃奖悖{(diào)整四足機(jī)器人的模型的位置，使其能夠站立在與 X-Z 平行的平面上，并使得其在正視圖中軀體下表面與 x 軸平行。設(shè)置重力加速度沿 y 軸的負(fù)方向，質(zhì)量設(shè)置參數(shù)見表格 2-1。山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文12圖 2-5 四足機(jī)器人重力加速度和質(zhì)量的設(shè)置在四足機(jī)器人 ADAMS 系統(tǒng)環(huán)境中添加“地面”——長(zhǎng)寬高分別為6000*2000*100（mm）長(zhǎng)方體，并調(diào)整路面（Surface road）的位置，使得四足機(jī)器人四個(gè)足端站立在路面上，并給路面添加與 Ground 的固定約束。建立四足機(jī)器人模型有 8 個(gè)關(guān)節(jié)，即為 4 個(gè)髖關(guān)節(jié)和 4 個(gè)膝關(guān)節(jié)，在左側(cè)工具欄中分別給各個(gè)關(guān)節(jié)添加旋轉(zhuǎn)副約束 ，并把把各部件和各關(guān)節(jié)重命名可以容易識(shí)別的名稱：模型如下：圖 2-6 添加路面后模型圖山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文132.4.2 添加關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)與添加足和地面的接觸力1、添加關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)對(duì)上面建立的四足機(jī)器人的 8 個(gè)旋轉(zhuǎn)副，分別添加驅(qū)動(dòng)，鼠標(biāo)選中各驅(qū)動(dòng)右鍵點(diǎn) 可添加和修改驅(qū)動(dòng)函數(shù)，驅(qū)動(dòng)函數(shù)是以時(shí)間為自變量，讓各關(guān)節(jié)產(chǎn)生角位移，以驅(qū)動(dòng)大小腿的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，可以根據(jù)模型建立的不同和步態(tài)的不同改變函數(shù)表達(dá)式，以實(shí)現(xiàn)規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)軌跡和步態(tài)的運(yùn)動(dòng)。下面是 RB_hip(右后髖關(guān)節(jié))的驅(qū)動(dòng)函數(shù)添加示意：圖 2-7 RB_hip 關(guān)節(jié)處驅(qū)動(dòng)函數(shù)修改對(duì)話框添加驅(qū)動(dòng)后，關(guān)節(jié)處 Thigh（大腿）與 Main body(軀體)之間，以及 Thigh(大腿)與 Leg(小腿) 之間已經(jīng)產(chǎn)生了相互的摩擦力，現(xiàn)在只需要進(jìn)行修改，其參數(shù)設(shè)置如下：山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文14圖 2-8 RB_hip 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)副摩擦力參數(shù)設(shè)置對(duì)話框2、添加足和地面的接觸力四足機(jī)器人的的足與地面接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生接觸力，這種接觸力是時(shí)斷時(shí)續(xù)的。在機(jī)器人行走的過程伴隨著能量的轉(zhuǎn)換：足與地面接觸時(shí)，之間的相對(duì)速度為零，這一過程是將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為了足部材料的壓縮勢(shì)能，足離開地面時(shí)是材料的壓縮勢(shì)能轉(zhuǎn)化為足移動(dòng)的動(dòng)能。在這一過程中摩擦力產(chǎn)生熱，伴隨能量的消耗。接觸力設(shè)置有幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，如下表所示：表格 2-2 接觸力設(shè)置時(shí)重要的參數(shù) [11]參數(shù) 含義與作用 取值Stiffness（剛度） 用于計(jì)算碰擊模型法向力的材料剛度 100Force Exponent（力指數(shù)）用于計(jì)算完全阻尼值 2.2Damping（阻尼） 表示碰擊模型的衰減特性的參數(shù) 1.0E+005Penetration Depth（穿透深度）為全阻尼的穿透值，在零穿越值時(shí)，阻尼系數(shù)也為0。 0.1山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文15圖 2-9 足與地面接觸力設(shè)置參數(shù)對(duì)話框經(jīng)過以上步驟后，建立的最終模型如下所示：圖 2-10 虛擬樣機(jī)建立模型2.5 本章小結(jié)本章首先介紹了 Pro/e、ADAMS 及 MATLAB 等相關(guān)建模軟件的產(chǎn)生背景及組成功能，其中分析了虛擬樣機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上的聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，然后介紹了三維建模和樣機(jī)建模的實(shí)現(xiàn)步驟，主要內(nèi)容包括如下：1、三種建模軟件的介紹；2、虛擬樣機(jī)技術(shù)和聯(lián)合仿真原理介紹；3、三維建模導(dǎo)出和導(dǎo)入，以及虛擬樣機(jī)建模添加路面、添加約束、添加驅(qū)動(dòng)和添加接觸力等。山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文16第 3 章 四足機(jī)器人 trot 步態(tài)平地行走的運(yùn)動(dòng)仿真分析3.1 引言四足動(dòng)物可以通過腿的不同方式抬起放下動(dòng)作實(shí)現(xiàn)行走，四足動(dòng)物通常的行走步態(tài)：walk（行走） 、trot（對(duì)角小跑） 、pace（遛跑） 、gallop（飛奔） 。四足??12機(jī)器人的 trot 步態(tài)是對(duì)角兩條腿相繼處于擺動(dòng)相和支撐相的過程，對(duì)角兩條腿同時(shí)著地同時(shí)抬起，相鄰兩腿依次著地且著地時(shí)間相同，也就是說始終有兩條腿處于支撐相，對(duì)角腿的占空比 β=0.5，trot 步態(tài)的的相對(duì)相位為 。給四足機(jī)器人的對(duì)21??角腿的 hip（髖關(guān)節(jié)）添加相同的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，并給對(duì)角腿的 knee（膝關(guān)節(jié)）添加相位相同但旋轉(zhuǎn)方向相反的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人的對(duì)角腿同時(shí)擺起或著地，生成理想的 trot 步態(tài)。此外，隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)機(jī)器人本身的性能要求也越拉越高，其中機(jī)器人適應(yīng)復(fù)雜的地面狀況，要求機(jī)器人具有更高控制協(xié)調(diào)能力，對(duì)機(jī)器人適應(yīng)復(fù)雜地面研究也成為了當(dāng)今比較熱話題。那么我們研究四足機(jī)器人上下坡路線控制就有極高的現(xiàn)實(shí)意義。3.2 四足機(jī)器人 trot 步態(tài)平地運(yùn)動(dòng)虛擬樣機(jī)仿真分析3.2.1 建立四足機(jī)器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)函數(shù)及驅(qū)動(dòng)函數(shù)組我們模仿四足哺乳動(dòng)物肢體運(yùn)動(dòng)的 trot 步態(tài)的行走模式，給四足機(jī)器人髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)分別添加正弦函數(shù)和半坡函數(shù)驅(qū)動(dòng).在模型中，RF_thigh 為右前大腿，LF_leg 為左前小腿，RB_hip 為右后髖關(guān)節(jié)，LB_knee 為左后膝關(guān)節(jié)，其他符號(hào)符合該命名規(guī)則。1.以下是四足機(jī)器人的各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)函數(shù)：RF_hip 與 LB_hip 驅(qū)動(dòng)函數(shù)表達(dá)式：（3-2-1）)*4.02sin(36???tLF_hip 與 RB_hip 驅(qū)動(dòng)函數(shù)表達(dá)式：3-2-2）)*4.02sin(36tRF_knee 驅(qū)動(dòng)函數(shù)表達(dá)式：山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文17（3-2-3）)2*4.0sin(3624)*.02sin(364 ?????????ttLF_knee 驅(qū)動(dòng)函數(shù)表達(dá)式：（3-2-4）)2*4.0sin(3624)*.02sin(364 ?ttRB_knee 驅(qū)動(dòng)函數(shù)表達(dá)式：（3-2-5）)2*4.0sin(3624)*.02sin(364 ???????ttLB_knee 驅(qū)動(dòng)函數(shù)表達(dá)式：（3-2-6）)2*4.0sin(3624)*.02sin(364 ?tt用 MATLAB 軟件繪出各驅(qū)動(dòng)函數(shù)曲線，見下圖所示：圖 3-1 四足機(jī)器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)函數(shù)曲線山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文18其繪圖程序： clear all x=0:0.005:3; y1=(pi/30)*sin(5*x+pi); y2=(pi/30)*sin(5*x); y3=(-pi/90)*sin(5*x+pi/2)-abs((pi/90)*sin(5*x+pi/2)); y4=(-pi/90)*sin(5*x-pi/2)-abs((pi/90)*sin(5*x-pi/2)); y5=(pi/90)*sin(5*x-pi/2)+abs((pi/90)*sin(5*x-pi/2)); y6=(pi/90)*sin(5*x+pi/2)+abs((pi/90)*sin(5*x+pi/2)); subplot(2,3,1) plot(x,y1) title('RF y1=(-pi/90)*sin(5*x)-abs((pi/90)*sin(5*x)); y2=(-pi/90)*sin(5*x+pi/2)-abs((pi/90)*sin(5*x+pi/2)); y3_5=(-pi/90)*sin(5*x+pi)-abs((pi/90)*sin(5*x+pi)); y4=(-pi/90)*sin(5*x-pi/2)-abs((pi/90)*sin(5*x-pi/2)); plot(x,y1,x,y2,x,y3_5,x,y4) title('RF-knee')山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文22 xlabel('t/s') ylabel('y/Angle') legend('y1','y2','y3_5','y4')3.2.2 四足機(jī)器人 trot 步態(tài)平地行走運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析機(jī)器人經(jīng)過仿真 后，可以在其后處理 環(huán)境下同時(shí)觀察到四足機(jī)器人的測(cè)量量的曲線變化和機(jī)器人行走動(dòng)畫，直觀有效地掌握機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，以便于及時(shí)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本節(jié)分析的內(nèi)容包括四足機(jī)器人 Main_body_cm（軀體質(zhì)心)的位移和速度、Leg_MARKE_foot(足端點(diǎn))的位移和速度、Hip&Knee 關(guān)節(jié)處角位移、機(jī)器人軀體角速度及角加速度以及五組不同驅(qū)動(dòng)函數(shù)下的四足機(jī)器人質(zhì)心的位移和速度狀況。一般意義下四足機(jī)器人在 ADAMS 環(huán)境中， x 軸方向?yàn)槠淝昂筮\(yùn)動(dòng)方向，y 軸方向?yàn)槠湄Q直運(yùn)動(dòng)方向，z 軸方向?yàn)槠錂M向運(yùn)動(dòng)方向，本模型在各軸正方向分別為其向前、向上及向右運(yùn)動(dòng)方向。1、四足機(jī)器人軀體質(zhì)心的位移和速度圖 3-4 軀體質(zhì)心在前后、上下及左右方向上的位移曲線及動(dòng)畫山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文23圖 3-5 軀體質(zhì)心在前后、上下及左右方向上的速度曲線及動(dòng)畫（1）通過數(shù)據(jù)分析，四足機(jī)器人在前進(jìn)方向上，圖 3-4 中仿真動(dòng)態(tài)符號(hào)處開始產(chǎn)生向前的位移，0.8s 后運(yùn)動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，平穩(wěn)均速接近 0.85m/s.（2）在豎直方向上，有向上的位移，但比較穩(wěn)定，在大約 53.5mm 處浮動(dòng)，平均速度接近零。（3）而在左右方向上，因 0.8s 前啟動(dòng)不穩(wěn)，產(chǎn)生向右的 22.5mm（圖 3-4 小黑圈標(biāo)示）的最大浮動(dòng)位移，四足機(jī)器人自動(dòng)調(diào)整后基本上走直線。本模型的平穩(wěn)性較好，達(dá)到了優(yōu)化的效果。2、四足機(jī)器人四個(gè)小腿上足端的位移和速度先以機(jī)器人的 LB_leg 上的足端為分析對(duì)象，分析其在三個(gè)方向上行走的位移和速度變化情況，再分析四個(gè)足端在前進(jìn)方向上的位移和速度曲線，仿真曲線如圖 3-6、圖 3-7 及圖 3-8 所示：山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文24圖 3-6 LB_leg 足端在前后、上下及左右方向上的位移曲線及動(dòng)畫圖 3-7 LB_leg 足端在前后、上下及左右方向上的速度曲線及動(dòng)畫山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文25圖 3-8 四足機(jī)器人的四個(gè)足端在前進(jìn)方向上的位移和速度曲線（1）在前進(jìn)方向上，LF_leg 足端位移曲線為折線，這符合了四足機(jī)器人足著地時(shí)處于支撐相，沒有位移，足擺起后位移沿直線上升，說明該足平穩(wěn)前移。（2）在豎直方向上，LF_leg 足端最大偏移幅度為-0.81-（-0.843）=0.027（m ） ，27mm 偏移位移較小，且在 2.0s 后速度變化曲線規(guī)律化，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)平穩(wěn)起來。（3）在左右橫向方向上，LF_leg 足端最大偏移幅度為-0.137-（-0.157）=0.020（m） ， 20mm 偏移位移也較小， 2.0s 后速度變化曲線趨于規(guī)律化，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)平穩(wěn)起來。（4）足處于擺動(dòng)相時(shí)，最大速度接近 2.5m/s（如圖 3-5 的黑圈標(biāo)記） ，由此分析速度由 0m/s 增加到 2.5m/s 的過程為四足機(jī)器人的抬腿過程，而速度由 2.5m/s 減小到 0m/s 的過程為四足機(jī)器人的放腿過程。3、Hip（髖關(guān)節(jié)）&Knee （膝關(guān)節(jié)）處角位移山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文26圖 3-9 髖關(guān)節(jié)的角位移曲線圖 3-10 RF 與 LB 膝關(guān)節(jié)的角位移曲線山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文27圖 3-11 LF 與 RB 膝關(guān)節(jié)的角位移曲線把四足機(jī)器人的角位移曲線與前面圖 3-1 各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)作比較，可以看出各關(guān)節(jié)角位移與其添加的驅(qū)動(dòng)函數(shù)變化方向全都相反，這符合了作用力與反作用力原理，比如人在路面行走，人向前走的過程中，人給地面一個(gè)向后的摩擦力，地面會(huì)給人一個(gè)向前的摩擦力。整體上符合規(guī)劃的角位移規(guī)律。4、機(jī)器人軀體角速度和角加速度圖 3-12 機(jī)器人軀體角速度山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文28圖 3-13 機(jī)器人軀體角加速度有以上圖可以看出，在2s后軀體運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定，如圖上標(biāo)記的小黑圈所示，這與前面的分析結(jié)果相同，優(yōu)化模型良好。3.2.3 四足機(jī)器人 trot 步態(tài)平地行走動(dòng)力學(xué)仿真分析四足機(jī)器人 trot 步態(tài)的髖關(guān)節(jié)對(duì)角驅(qū)動(dòng)相同，而膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)都不相同，由此只需分析六組數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果見下圖：圖 3-14 四足機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)力矩和前兩腿的足端速度山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文29圖 3-15 四足機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)力矩（1） 由圖 3-14， 從其足端的速度曲線上可以清晰地觀察到足著地對(duì)應(yīng)的時(shí)間段，即速度為零時(shí)足處于支撐相，和速度不為零時(shí)足處于擺動(dòng)相。對(duì)足端速度曲線上面該條腿上關(guān)節(jié)的力矩曲線，可以看出四足機(jī)器人處于支撐相的關(guān)節(jié)力矩大于其處于擺動(dòng)相時(shí)的力矩。（2） 由 RF_leg 足端速度變化曲線知，0s-0.2s 該腿處于放下狀態(tài)，該腿的髖關(guān)節(jié)力矩和膝關(guān)節(jié)力矩有微微凸起，力矩由小增大，后又；在 0.2s-0.4s 時(shí)間段里，四足機(jī)器人處于抬腿狀態(tài)，該腿的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)力矩也都有顯著的增加。（3） 觀察每個(gè)關(guān)節(jié)的力矩曲線，可以發(fā)現(xiàn)在一個(gè)周期內(nèi)都存在兩個(gè)尖峰值，并且都發(fā)生在足端速度達(dá)到最大值的瞬間，較大的尖峰發(fā)生在擺動(dòng)相足端加速度為零的時(shí)刻。（4） 由于髖關(guān)節(jié)添加驅(qū)動(dòng)的角位移幅值大，整體上髖關(guān)節(jié)力矩比膝關(guān)節(jié)要大。3.2.4 四足機(jī)器人 trot 步態(tài)不同組驅(qū)動(dòng)函數(shù)的仿真分析在表格 3-1 中，Group5 數(shù)據(jù)組改變了驅(qū)動(dòng)函數(shù)同一條腿上的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的相位差，周期和幅值參數(shù)不變，四足機(jī)器人各關(guān)節(jié)在 ADAMS 中輸入的驅(qū)動(dòng)函數(shù)表示式：RF_hip 與 LB_hip 輸入函數(shù)表示式：