单足弹跳机器人联合仿真教学实践

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1、单足弹跳机器人联合仿真教学实践　　摘要：提出通过ADAMS软件建立单足弹跳模型，搭建ADAMS与MATLAB的联合仿真平台，阐述通过在仿真中实时观察机器人的运动过程，并结合模型反馈回的数据曲线，学生可以完成单足模型的腿部摆角控制实验、能量补偿实验等。　　关键词：机器人建模；联合仿真；摆角控制；能量补偿　　0引言　　机器人技术在近二三十年里得到了迅速的发展，其应用范围也从工业制造领域扩展到了航空航天、军事侦察、医疗服务等领域。随着机器人工作环境的日益复杂，对于机器人运动灵活性的要求也越来越高。目前，机器人运动主要分为轮式、步行以及弹跳等方

2、式，其中弹跳式运动所特有的突然性与爆发性，可以使机器人在面对突发状况时迅速地做出反应，躲避风险，正被越来越多的科研院校所关注。8　　目前，国内很多工科院校都把机器人学作为一门必修或选修的课程。然而，在传统的教学中，机器人学中的运动学、动力学建模部分涉及复杂的分析与运算。对于弹跳机器人，更包含着地相、腾空相、冲击过程等若干个阶段，建模十分复杂；此外，由于机器人设备价格昂贵，且对操作性以及场地要求较高，目前还很难做到让每个学生进行实际的机器人操作。随着虚拟样机技术的发展，在虚拟样机软件中建立用于仿真的模型，并与其他仿真软件相结合的联合仿真技

3、术，对于机器人的研究与教学工作发挥着重要的作用。　　1联合仿真技术简介　　ADAMS是一款对机械系统的运动学与动力学进行仿真与计算的软件。作为一款虚拟样机软件，ADAMS丰富的特性，使其成为目前世界上使用最多的机械系统仿真分析软件。这套软件可以对较为复杂的机械系统进行建模，并真实地反应实物的运动学、动力学等特性。然而，由于该软件自带的控制工具箱较为简易，因此只能满足比较简单的控制需求。　　MATLAB作为专业的数学计算与仿真软件，借助其丰富的工具箱以及强大的控制系统的设计能力，可以搭建出复杂的控制系统。但在建立复杂运动系统的模型时，需要

4、推导出系统中用于仿真的所有微分方程，导致工作量急剧增加，其中从分析模型到计算推导，任意一个环节出错都可能导致建模失败。　　通过将ADAMS软件中建立的模型导入到MATLAB的Simulink环境中，可以弥补ADAMS软件难以对模型进行较为复杂控制系统设计的缺陷，同时也避免了在MATLAB下建模的难度与时间长的弊端。二者的结合弥补了各自的缺陷，极大地提高了建模的效率，并使得仿真的结果更加趋近于实物。因此基于ADAMS和MATLAB的联合仿真技术在航空航天、机械制造、机器人等领域都得到了广泛的应用。　　2机器人联合仿真平台搭建8　　弹簧负载

5、倒立摆模型（SLIP）是用来研究机器人弹跳运动的经典模型，整个模型由一个有质量的身体以及与髋关节相连的轻质弹簧腿组成。位于髋关节处有一转动自由度，使得弹簧腿可以调整着地角度，以实现整个弹跳过程。由于联合仿真平台的搭建是本教学实践的一部分，只有了解平台的搭建过程，才可以在仿真平台上开展实验，并及时修改实验过程中出现的错误。因而，首先介绍联合仿真平台的搭建过程，如图1所示。　　2.1建立单足机器人的ADAMS模型　　首先介绍如何针对弹簧负载倒立摆模型，在ADAMS环境下搭建弹跳模型运动仿真平台。　　（1）添加构件。弹簧负载倒立摆模型主要由身

6、体和弹簧腿两部分组成，其中身体质心等效在髋关节，因此在建模时可以用有质量的球体代替。　　在ADAMS环境下，选取有质量信息的几何实体（Solids）模块，选择球体（Sphere）用来模拟身体质心，设置其半径为5.0cm，并拖动到图形区。在创建新构件时，系统会在球体的球心处创建一个质心坐标系（cm）和局部坐标系（Marker点），其中质心坐标系用于计算构件的质量信息，而局部坐标系用于确定球体的位置和方向。由于在ADAMS中新添加的构件根据大小以及密度自动计算质量，需手动修改其质量，改为4.5kg。　　创建新构件圆柱体（cylinder），

7、连接在球体正下方，作为弹簧腿刚性部分，设置半径为2.0cm，长度为20.0cm，并修改其质量为0.5kg。在圆柱体正下面50cm处添加新构件球体，用以代替足端，设置其半径为2.0cm，并修改其材质为Wood。在圆柱体与轻质球之间连接弹簧阻尼器，其长度为500mm，刚度系数设置为2N/mm，阻尼系数采用默认值。8　　（2）添加约束。已建立的模型由多个构件组成，各个构件之间通常存在某些约束关系，即一个构件限制另一个构件的运动，两个构件之间的约束关系通常称之为运动副。弹簧负载倒立摆模型有两个自由度，一个是髋关节处腿部的转动自由度，一个是弹簧腿

8、轴向的自由度。因此需要在球体质心位置（即髋关节）定义旋转副约束，如图2（a）；而为了约束弹簧在运动时只在轴向伸缩，需要在弹簧与圆柱体连接处定义滑动副约束，如图2（b）。　　（3）定义地面及接触力。当两个构件