采用虚拟样机技术的四足机器人仿真研究.pdf

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1、机器人现代制造工程(ModemManufacturingEngineering)2013年第4期采用虚拟样机技术的四足机器人仿真研究张锦荣1，李锋2，张建华1(1长安大学，西安710064；2中航工业西安飞行自动控制研究所，西安710065)摘要：针对机器人抬腿和落腿时刻足端与地面冲击力过大的特点，建立了四足机器人的虚拟样机并进行仿真分析，对机器人的结构进行优化。通过对四足哺乳动物的结构分析，确定了四足机器人的结构框架；利用ADAMS软件建立四足机器人的仿真模型，并在仿真模型的基础上，分析机器人的运动特性，针对薄弱环节进行改进和验证，最终获得最优的结构设计方案。关键词：四足机器

2、人；虚拟样机；仿真中图分类号：TP242文献标志码：A文章编号：1671—3133(2013)04—0026—04SimulationofaquadrupedrobotbasedonvirtualprototypingtechniqueZhangJinron91，LiFen92，ZhangJianhual(1Chang’anUniversity，Xi’an710064，China；2AvicXi’anFlightAutomaticControlResearchInstitute．Xi’an710065，China)Abstract：Astheimpactbetweenrobot

3、’Slegsandthegroundistoolargewhileitliftinganddowning，aquadrupedmammal—likerobot’Svirtualprototypehasbeenestablishedandsimulationanalysishasbeendonetooptimizethestructureoftherobot．Designthestructureofaquadrupedmammal-likerobotbysimplifyingthestructureofaquadrupedmammal．Establishsimulationmod

4、elofaquadrupedmammal—likerobotusingADAMS，andanalyzetherobotkinematicsbasedonthesimulationmodel，improveandvalidateweaknesses，ultimately，obtainoptimalstructureofthefinaldesign．Thismethodimprovedtherobotdesign，andthemove-mentcharacteristicsoftherobotcanbeknownbeforethephysicalprototypeisproduce

5、d．Keywords：quadrupedrobot；virtualprototype；simulation0引言四足机器人具有很强的环境适应性和运动灵活性，可广泛运用于抢险救灾、排雷、探险、娱乐和军事等领域，因此，对四足机器人的研究已成为机器人研究领域的重要方向¨J。由于四足机器人的结构复杂，利用传统的机械系统实物试验研究方法设计和研制机器人时，往往需要先设计出样机模型尺寸，然后制成物理样机，再对物理样机进行调试和分析，发现问题后再重新设计。因此，设计周期长，成本高。本文利用虚拟样机技术对四足机器人进行研究旧J，在制造四足机器人物理样机之前，建立虚拟样机，通过对虚拟样机进行测试

6、，找出和发现潜在的问题并及时改进，从而缩短了产品开发周期，降低了开发成本，提高了设计质量，其开发流程如图l所示。26图1四足机器人开发流程1四足机器人虚拟样机的建立1．1本体结构的三维模型四足机器人是一种基于仿生理念的多足步行机器人。四足哺乳类动物的每条腿由五段组成，通过与躯干的连接构成五个关节，每个关节至少有一个自由度，这种超冗余自由度使动物的运动极其灵活。但是，在四足机器人的结构设计中，为了降低控制的复杂程度，它的腿部不可能像动物那样具有五段和超冗余自由度∞J。因此，在力求达到机器人灵活运动的前提下，对机器人的肢体结构进行合理简化，每条腿具张锦荣，等：采用虚拟样机技术的四足

7、机器人仿真研究2013年第4期有三个关节，分别为侧摆、髋关节和膝关节；每个关节设计一个自由度，均为旋转自由度，其关节配置形式为全肘式，即前、后两对腿全部为肘式关节。由于它的每条腿有三个自由度，所以理论上能同时满足空间三个方向的自由度要求。根据以上原则设计的四足机器人机械结构如图2所示。图2四足机器人的机械结构1．2简化模型对于一个机械系统，通常要建立许多个三维实体零件或子装配体。电动机、轴承座和轴承以及传动机构等很多附加零件，在进行运动学、动力学仿真时不必考虑这些附加零件的外形，只需要考虑它