大型六足仿生平台机器人机构设计及运动仿真

李杰

（南瑞集团公司，南京 210003）

0 引 言

目前，大型平台机器人应用较多，其平台上面配合不同的设备即可达到灵活移动、自动控制的目的，如各种挖掘机器人、打桩机器人、救援机器人等。平台的运动方式也很多，如轮式、履带式、足式。其中，轮式和履带式平台机器人目前的发展已经很成熟，也是大多数移动设备所采用的方式。而足式平台机器人具有像生物一样行走的特点，能根据实际环境的变化，调整步态，达到平稳行走，跨越障碍的目的，这也是足式机器人所具有的独特优势［1］。由于平台机器人可能要面对各种恶劣的环境，因此，足式移动方式将是以后平台机器人行进的主要发展方向。

1 六足机器人机构设计

图1 哺乳动物（左）及昆虫（右）腿部结构

如图1 所示，为哺乳动物（左）及昆虫（右）腿部结构，昆虫的腿部弯曲较大，从力学的角度来分析，腿部承受较大的弯曲应力，因而承受重载的能力有限，无法制作大型及重型设备的移动平台机器人；而哺乳动物的腿部基本接近直立状态，支撑力主要分解到腿部轴向受力状态，因而能承受较大的重载。昆虫类大多具有六足的特点，六足协调运动，能够保持较高的平衡度，对环境具有较强的适应能力，在行走过程中，始终有三足支撑，身体稳定性较高［2］。

本次设计的平台机器人综合了两种生物的优点，设计了大型仿生六足平台机器人腿部机构，如图2 所示。为达到机器人能直立行走和转弯的目的，腿部机构应具有一定的关节自由度。本次设计的机器人腿部机构包括4个关节，其中为保证机器人能够行走和转弯，根关节需要具有前后转动和左右摆动的自由度；股关节具有前后摆动自由度，确保能够抬腿动作；膝关节应当具有前后摆动的自由度，以便膝关节以下部分能够伸缩自如；足部关节也属于仿生关节，有转动自由度，主要目的是确保平台机器人足部能够根据实际地面环境及时调整足部转角，平稳落地。

图2 六足平台机器人整体结构设计图

2 六足机器人步态分析

2.1 行进方式选择

目前，对六足机器人行走分为直行步态和转弯步态。涉及到具体行走时现在典型的分解方式主要有五支撑一抬腿行走、四支撑二抬腿行走及三支撑三抬腿行走3 种主要方式。其中五支撑一抬腿行走顾名思义就是每次都有五只腿支撑平台，一只腿抬起移动，而后按顺序逐个完成所有的6 只腿的移动，已达到平台移动的目的，因此前进一步需要完成6 个动作；四支撑二抬腿行走是指每次都有四只腿支撑，二只腿抬起移动，而后按顺序完成其他两组腿的移动，达到平台移动的目的，因此前进一步需要3 个动作；三支撑三抬腿行走是指每次都有3 只腿支撑，3只腿抬起移动，后续交替完成平台机器人前行或后退，这样，每前进一步只需要完成2 个动作。

综上3 种方式分析，由于三点确定一平面，三支撑能够达到稳定支撑平台的目的，多于三支撑时，每一步都需要调整腿部支撑高度，才能达到除三支撑外的另一只腿或者两只腿能够接触地面，做到四支撑或者五支撑，效率较低；此外，三支撑三抬腿移动每一步只需要完成两个动作，行走速度较快。本次平台机器人行走选用了三支撑三抬腿方式。

2.2 直行前进步态分析

选用平台机器人一侧两只腿和另一侧一只腿作为一组，前行时，为达到步态对称，可以选用1、3、5 为一组，2、4、6 为一组，如图3 所示：当2、4、6 为一组支撑时，1、3、5三只腿前进一步，接触地面固定后，1、3、5 三只腿作为平台机器人支撑，2、4、6 三只腿前行跟进。调整平台后恢复初始六足支撑状态，完成一步前行。连续行走时重复上述过程即可。

2.3 转弯步态分析

图3 平台机器人前进步态分析

转弯步态相对于直行步态较为复杂，根据实际转弯环境的不同，可以分为定点转弯和弯道转弯，其中弯道转弯步态分析较为简单，相当于六足机器人在一个具有一定圆弧的轨道上直行前进，平台平衡性容易满足，只是每一步需要适当微调平台机器人的姿势。因此本次转弯仅做定点转弯步态分析。如图4 所示为定点转弯步态分析，同样按照三支撑三抬腿的行走方式进行。首先由2、4、6一组腿作为支撑，1、3、5 一组腿分别移动到指定的地面，同时平台重心向右方倾斜调整，1、3、5 完成动作后固定在地面作为平台机器人的支撑，2、4、6 一组腿也移动到指定的地面，同时平台重心随动调整，达到转弯角度的目的。该种方式转弯步态仅需要两步即可完成一定角度的转弯。

图4 平台机器人转弯步态分析

3 六足机器人运动仿真

为进一步验证大型六足平台机器人直行前进和转弯运动，本文对六足平台机器人的运动进行了仿真。仿真采用三维软件NX5.0 进行建模，然后导入到虚拟样机仿真软件ADAMS 内进行运动仿真。

3.1 直行运动仿真

将建模后的六足机器人导入到ADAMS 软件后，根据建模尺寸及材质属性设定，由ADAMS 软件计算出平台机器人的质量和重心所在位置［3］，根据自动计算，平台机器人的重心高度为1 800 mm，而后根据需要对模型腿部各个关节添加转动副，对机器人足部与地面添加接触，并对机器人添加驱动，本次驱动采用Step 阶跃函数，如图5 所示为建立后的运动仿真模型。

图5 六足平台机器人运动仿真模型

图6 、图7、图8 为平台机器人重心坐标在直行运动中的位移情况。

图6 平台重心（前进）X 方向位移

图7 平台重心Y（横向）方向位移

图8 平台重心Z 方向（上下）位移

由上述运动仿真结果可知，六足机器人三支撑三抬腿方式行走连续性较好，速度波动较小；平台重心上下波动比较小（相对于重心的高度），平台能够平稳前进；平台在前进过程中虽然存在横向Y 方向上的波动，但是波动较小，不影响平台机器人保持平衡与前行。

3.2 转弯运动仿真

图9、图10、图11 所示为平台机器人转动运动仿真过程中平台机器人重心坐标移动情况。

从运动仿真结果可以看出，六足机器人转弯步态分析较为合理，转弯整体比较平稳，平台机器人上下波动较小，能够平稳转弯；在水平方向X 轴和Y 轴虽然有些波动，但是波动较小，分析可能与在转弯过程中机器人足底打滑所致，说明在后续样机试制中要设置机器人足底防滑措施，以便六足机器人能够更加平稳地转动。

图9 平台重心X 方向位移

图10 平台重心Y（横向）方向位移

图11 平台重心Z 方向（上下）位移

4 结 论

本文通过对生物腿部结构及运动功能进行分析，完成了大型六足平台机器人的结构设计，并进行了前进和转弯步态分析，最后通过NX5.0 和ADAMS 联合运动仿真确定了大型六足平台机器人结构设计较为合理。之后在运动仿真中模拟了六足机器人直线运动和转弯运动，从仿真结果可以看出，所设定的前进和转弯步态具有速度快、运动平稳、对平台波动影响小等特点，为制作六足平台机器人真实样机提供了重要的参考。

［1］ 马东兴.四足机器人步态规划与仿真［D］.南京：南京航空航天大学，2008.

［2］ 王琛柱.从生理特点浅析昆虫繁盛原因［J］.昆虫知识，2001，38（6）：468-472.

［3］ 焦广发，周兰英.ADAMS 柔性体运动仿真分析及运用［J］.现代制造工程，2007（5）：51-53.