基于ADAMS的液压驱动四足机器人步态规划与仿真.pdf

1 0 0 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa nu f a c t u r e 第 7期 2 0 1 2年 7月 文章编 号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 7 0 1 0 0 0 3 基于 A D AMS的液压驱动四足机器人 步态规划与仿真 木 庄 明 俞志伟 龚达平 许明理 戴振 东 ’ 南京航空航天大学 仿生结构与材料防护研究所， 南京 2 1 0 0 1 6 南京航空航天大学 机电工程学院， 南京 2 1 0 0 1 6 。 南京机电液压工程研究中心， 南京 2 1 0 0 0 2 Ga i t Pl a n n i n g a n d Si mu l a t i o n o f Qu a d r u p e d Ro b o t W i t h Hy d r a u l i c Dr i v e Ba s e d o n ADAMS Z HUANG Mi n g ‘ ， YU Z h i w e i ， GON G D a p i n g ， XU Mi n g l i ， DAI Z h e n d o n g ’ I n s t i t u t e o f B i o i n s p i r e d S t r u c t u r e a n d S u rf a c e E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d As t r o n a u t i c s ． Na r i i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a N a n j i n g E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e o f A i r c r a f t S y s t e m s ， N a n i i n g 2 1 0 0 0 2 ， C h i n a 【 摘要】 为实现机器人的高负载、 不平地面的高适应性运动要求， 设计了一种液压驱动的四足机 器人。分析了四足机器人的机械结构，机器人腿结构具有运动关节少、运动空间范围大特点，利用 A D A MS规划设计 了四足运动步态， 并在 A D A MS中进行动力学仿真。仿真分析 了对角步态下机器人质 心位移、 液压缸驱动力以及与地面的接触力等参数， 获得了液压缸工作流量、 功率参数。仿真结果验证 了 机器人结构设计、 步态规划的可行性， 为液压缸、 发动机选型提供了参考依据。 关键词 四足机器人； 液压驱动； 步态规划 ； AD A MS 【 A b s t r a c t 】T o r e a l i z e t h e r o b o t h i g h l o a d a n d h i g h a d a p t a b i l i t y o f w al k i n g o n t h e u n e v e n g r o u n d ， a h y d r a u l i c d r i v e n q u a d r u p e d r o b o t i s d e s i g n e d ， w h o h a s t h e s t r u c t u r e of l e s s l e g j o i n t s a n d m o r e m o t i o n s p a c e s ． O n t h e b ase o fa n a l y s i s oft h e m e c h a n i c al s t r u c t u r e ， a k i n d of d i a g o n al g a i t i s d e s i gne d a n d t h e d y n a m i c w alk i n g b e h a v i o r of t h e q u adr u p e d r o b o t o n t h e gro u n d i s s i mu l e d u s i n g A D A MS ． T h e d i s p l a c e m e n t Q 厂 r o b o t ’ S c e n t e r of m a s s ， t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r d r i v i n g f o r c e w e l l t h e c o n t a c t f o r c e b e t w e e n t h e f e e t and g r o u n d ， a n d o t h e r p a r a me t e r s a r e a n al y z e d ． T h U S t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r ’ S w o r k fl o w， p o w e r p a r a me t e r s av e o b t a i n e d ． The s i mu l i o n r e s u l t v e r ifie s t h e f e asi b i l i t y of t h e g a i t p l ann i n g and s t r u c t u r e d e s i gn ， w h i c h p r o v i d e s r e f e r e n c e s f o r t h e s e l e c t i o n ofh y d r aul i c c y l i n d e r a n d e n g ／ n e ． Ke y Wo r d s Qu a d r u p e d Ro b o t ； Hy d r a u l i c Dr i v e d ； Ga i t P l a n n i n g ； A DA MS 中图分类号 T H1 6 ， T P 2 4 2 文献标识码 A 1 引言 四足机器人可以通过选择合适的落地点，既能以静态步行 方式实现非结构环境下的行走 ， 又能以动态步行方式实现高速行 走， 体现了四足机器人对地面的良好适应性。 基于这一特点， 四足 机器人在野外作业 、 军事应用、 科教娱乐等方面有很好的应用前 景， 近年来成为机器人领域研究热点之一。国内上海某大学研制 的四足机器人 J T U wM 以及华中科技大学研制的多足机器人具 有不同的结构 ， 在机构设计和步行控制方面成果显著， 但是机 器人均采用电机驱动， 运动速度慢， 不能承受较大负载。 国外日本 某大学研制的T I T A N系列四足机器人 ，能够实现对地面的自适 应静态稳定行走， 其多种型号的机器人已经应用于不同作业领域 中1 7 1 ， 美国某公司设计制造的 B i g D o g四足机器人采用液压驱动， 可以在非结构环境路面上稳定行走，可以5 k m ／ h的速度小跑， 可 以爬越 3 5 。 的坡面， 负载 5 5 k g z ， 这些指标相比于电机驱动的四 足机器人有了实质性改变， 已经成为四足机器人的典型代表。 2机器人机构设计 液压驱动四足机器人三维模型， 如图 1 所示。 该机器人四条腿 为相同结构 长9 5 c m， 宽 6 4 c m， 高 8 0 e m L 器人本体重约 4 0 k g ， 采 用对称布置方式， 腿为开链式关节型结构， 每条腿有4个自由度 髋 关节有两个主动自由度， 膝关节有一个主动自由度， 小腿有一个被 动弹性关节 ， 负责机器人腿侧摆的 1 号液压缸直接和机器人本 体相连， 完成腿在 x z平面中的旋转运动。在四足机器人受到侧 向冲击时 ，可以通过控制 1 样液压缸与其他液压缸 的协调运动来 调整机器人的步态， 从而保持机器人稳定。2 群液压缸和 3 液压 缸分别控制髋关节和膝关节的转动 ， 实现机器人腿 的抬起和前进 后退动作， 小腿上装有一定刚度系数的弹簧， 构成一个弹性关节， 该 弹簧可以根据 四足机器人行走的外部环境 以及 自身负载进行 更换， 使机器人在结构上对环境具有更好的适应性。这样的腿结 构具有运动关节少 、 运动空 间范围大特点 ； 采用液压驱动 ， 运动速 度高， 负载能力强， 能承受冲击力大。 -k 来稿 日期 2 0 1 l O 9 0 6 ★基金项 目 国家 自然科学基金 6 0 9 1 0 0 0 7 ， 5 1 1 0 5 2 01 ， 中国博士后科学基金资助 2 01 0 0 4 7 1 3 3 9 ， 南京航空航 天大学基本 科研业务费专项科研项 目 N S 2 0 1 0 2 2 3 ， 南京航空航天大学引进人才科研启 动基金 s 0 9 l 3 - G X Y ． T ● t ● t t 第 7期 庄 明等 基 于A D A MS的液压驱动四足机器人步态规划与仿真 1 0 1 图 1液压驱动四足机器人三维模型 F i g ． 1 T h r e e Di m e n s i o n a l Mo d e l o f Q u a d r u p e d Ro b o t W i t h Hy d r a u l i c Dr i v e 3步态规划 针对机器人高负载性和高速行走要求，足端轨迹的规划设 计及生成尤为重要㈣。步态是指机器人的每条腿按一定的顺序和 轨迹的运动过程I l l】 。在自然界中， 四足动物存在着成千上万种步 态， 每一种步态都有其特有的适用环境I ， 研究机器人在平坦路 面行走时的动力学特性， 采用规则步态行走。规则步态是指机器 人所有腿的占空系数JB 都相等的步态， 机器人只需用到2 、 3 液 压缸就可完成规则步态的行走， 其中经常采用的步态有对角小跑 步态、 三角步态、 跳跃步态等。 4运动仿真及结果分析 4 ． 1运动仿真 设定机器人材料为铝合金， 地面为木质平面， 机器人负载为 l O O k g ； 根据四足机器人实际运动设定个关节约束， 机器人腿与机 体及腿关节处用转动副约束， 液压缸用移动副约束， 小腿处被动 自由度用移动副约束。 设置仿真时间 6 s ， 仿真步长为6 0 0 。 仿真结 束后可以在 A D A M S ／ P o s t P r o c e s s o r 中查看运动学、动力学分析结 果并可以以动画形式表现 出来，对所设计的机器人进行验证 ， 仿 真动画， 如图2所示。足端接触力属性设置表， 如表 1 所示。 a b c d e 图 2机器人仿真动画图 F i g ．2 A F r a me o f Ro b o t S i mu l a t i o n C a r t o o n 表 1足端接触力属性设置表 Ta b ． 1 Th e Pr o p e r t y S e t t i n g s o f t h e F o o t Co n t a c t F o r c e s 接触力参数名称 数值大小 静态摩擦系数 动态摩擦系数 刚度／ N ／ m m 力 的非线性指数 最大粘滞阻尼系数 N ．s ／ mm 最大阻尼时变形深度／ mm 摩擦转换速度， re n d s 粘质转换速度／ mm ／ s 4 ． 2仿真结果分析 机器人质心在X、 Y、 Z三个方向的位移曲线， 如图3所示。 Y方 向为机器人的主运动方向， 可以看出， 6 s 时间内行走了3 8 2 8 m m， 曲 线比较平滑和规律， 说明机器人在该规则步态下能够比较协调和稳 定地行走。平均运动速度为 0 ．6 3 8 m ／ s ， 理论行走速度为0 ．6 6 7 m ／ s ， 存 在较小误差的原因是机器人在行走过程中与地面存在一定的滑动 摩擦。 z方向与机器人重力方 向相反 ， 机器人质心在 z方 向上波动 幅度为 1 6 ． 2 3 ram， 质心离地面的高度为 7 0 0 ra m， 可得机器人质心 垂直波动率为2 ． 3 2 ％， 运动比较平稳。机器人本体相对于世界坐 标系的横滚角、 俯仰角、 偏转角变化曲线， 如图 4 所示。 在 6 s 时间 内机器人俯仰角变化范围小于3 。 ， 横滚角变化范围小于 6 。 。X方 向为机器人质心的左右移动方向， 沿 x方向偏转量为 6 0 7 m m， 偏 转角为 1 0 。 ， 说明机器人起步后沿 方向发生偏转， 这是因为机 器人腿在初始状态摆动到开始仿真时刻各液压缸的位置会有一 个突变， 这会引起机器人身体较大范围的波动； 在行走过程中由 于机器人姿态变化每条腿并不是同时落地， 同时抬起， 这会引起 各条腿与地面的摩擦力不同。 这两个原因引起机器人身体发生偏 转， 这也正是需要通过运动控制反馈系统解决的问题之一。 图 3机器人质心在 X、 Y、 Z方 向的位移曲线 Fi g ． 3 Th e Di s p l a c e me n t s o f t h e Ro b o t ’ s C e n t e r o f Ma s s i n t h e X ， Y， Z Di r e c t io n s 图 4机器人本体 R P Y角变化曲线 F i g ．4 T h e RPY An g l e Cu r v e s of t h e Ro b o t 由以上的运动学分析可知 ，机器人在经历第一个周期的自 身调整后运动规律且平稳， 液压缸驱动力的变化情况也应该富有 规律性， 现取 4 ～ 6 s 数据进行分析。右前腿 、 3 液压缸驱动力 曲线， 如图5所示。不考虑瞬间某些时刻的冲击力， 可以看到， 2 缸驱动力最大值为 1 8 0 0 N左右，最小值为一 3 5 0 0 N左右， 3 缸驱 动力最大值为 I O 0 0 N左右， 最小值为一 1 7 0 0 N左右 液压缸力为 正值时为拉力， 为负值时为推力 。 液压缸自身所能提供的推力大 于拉力 ，可以看出机器人关节需要较大力驱动时液压缸为推力 ， 需要力较小时为拉力， 证明液压缸系统的布置是正确可行的。这 种足端轨迹下液压缸驱动力比较平稳，不会出现瞬时冲击现象 ， 提高了液压缸驱动效率。 ％ 1 0 2 机 械 设 计 与 制 造 No ． 7 J u l y ． 2 0 1 2 t s a 右前腿 缸驱动力 t s b 右前腿 3 缸驱动力 图 5右前腿 2 缸 、 3 缸驱动力 F i g ．5 T h e Driv i n g F o r c e C u r v e s o f Ri g h t F o r e l e g ’ s S e c o n d、 T h i r d Hy d r a u l i c C y l i n d a r 机器人右前腿 z向接触力曲线， 如图 6 所示。 可以看出整个 运动过程中机器人腿与地面接触力不存在瞬时冲击， 接触力最大 值约为 1 2 5 0 N ， 为机器人腿处于静态时与地面接触力的 1 ． 7 8倍， 这与理论计算值相吻合。 在机器人运动过程中主运动方向上受到 的接触力比较小，在脚掌与地面的碰撞瞬间会产生明显的力冲 击， 摩擦力为正值时与主运动方向相反， 可以看到， 在机器人腿落 地时刻受到与机器人前进方向相反的力， 即出现打滑现象， 这与 速度计算值相吻合。 图 6右前腿重力方 向接触力 、 主运动方 向摩擦力 曲线 Fi g ． 6 Th e Ri s h t F o r e l e g ’ S Co n t a c t F o r c e i n t h e Gr a v i t y Di rec t i o n a n d F ric t i o n F o r c e i n t h e Ma i n Di r e c t i o n o f Mo t i o n 图 7液压缸工作流量曲线 F i g ． 7 T h e W o r k F l o w C u r v e o f Hy d r a ul i c Cy l i n d e r 液压缸内径 为 2 7 ． 2 m m， 推杆直径为 2 0 e m， 根据液压缸流量 计算公式得到的机器人运动过程中液压缸工作流量曲线， 如图7 所示。可以看到， 在一个周期内流量保持在 6 8 IJ mi n左右。取 1 ～ 4 s 内机器人运动比较平稳的几个周期利用 公式求得液压 缸运动的总功率曲线， 如图8所示。功率峰值为 4 5 0 0 W， 平均值 为 1 0 0 0 W左右。 考虑到理论值与实际值存在一定偏差， 为满足实 际机器人更高负载要求， 所选用发动机功率为 1 2匹， 即 9 k W， 应 能符合实际工况要求。 50 oO 45 00 4o o0 3 5 0o 一3 0 0 0 25 0 0 2 0 0 0 1 5 o 0 1 o0 o 5 o 0 0 图 8机器人行走过程中液压缸总功率曲线 F i g ． 8 Th e P o we r Cu r v e of Hy d r a u l i c C y l i n d e r 结 诊 一 I - 4 ，u 1 基于 A D AM S 创建了机器人腿步态规划的模 型， 通过输入 足端运动轨迹的参数方程 ， 获得 了液压缸的运动曲线 ， 免去 了大量 的计算， 同时这种基于自身模型的步态规划方法， 大大提高 步态 规划的精度和效率， 方法简便可行， 使机器人运动的平稳性大大提 高。 2 通过仿真实验分析， 确定液压缸运动行程约在 ] O O m m范周 内， 液压缸系统油量在 6 0 8 0 ／ mi n左右， 总运动功率约 4 ．5 k W， 为 四足机器人物理样机的液压缸、 发动机选型提供了参考依据。 参考文献 [ 1 ] 何冬青， 马培荪． 四足机器动态步行仿真及步行稳定性分析[ J ] 计 算机 仿真 ， 2 0 0 5 2 1 4 6 - - 1 4 9 ． [ 2 ] 陈佳品， 程君实， 席裕庚． 四足机器人对角小跑直线步行的虚拟模型 [ J ] ．上海交通大学学报 ， 2 0 0 1 1 2 1 7 7 1 - 1 7 7 5 ． [ 3 ] 陈学东． 四足机器人爬行步态的正运动学分析[ J ] ．机械工程学报， 2 0 0 3 2 8 1 2 ． [ 4 ] 王新杰， 李培根， 陈学东． 四足步行机器人关节位姿和稳定性研究[ J 】 _ 中国机械工程 ． 1 6 1 7 1 5 6 1 1 5 6 6 ． 1 5 J H o d o s h i ma ， R F u k u mu r a ， Y A ma n o ．D e v e l o p m e n t of t r a c k- c h a n g e a b l e q u a d r u p e d wa l k i n g r o b o t T I T AN X-d e s i g n of l e g d ri v i n g me c h a n i s m a n d b a s i c e x p e ri m e n t l C J ． I E E E ／ R S J I n t e r n a t i o n a l C o n f e ren c e o n I n t e l l i g e n t Ro b es a n d S y s t e ms ， 2 01 0 3 3 4 0 - 3 3 4 5 ． 【 6 J Ke i s u k e K AT O， S h i g e o H I R O S E ． D e v e l o p m e n t o f t h e q u a d r u p e d w a l k i n g robot T I T AN I X[ C] ．A n n u mC o e r e n c e o f t h e I E E Eo n I n d u s t r i a l E l e c t ron i e s S o c i e t y ， 2 0 00 4 45 ． 1 7 j H i ros e S ， Y o n e d a K， T s u k a g o s h i H．T I T A N V I I q u a d r u p e d w a l k i n g a n d m a n i p u l a t i n g rob o t o n a s t e e p s l o p e [ C ] ． I E E EI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Ro b o t i c s a n d Au t o ma t i o n， 1 9 9 7 4 9 4 5 0 0 ． [ 8 ] B i g D o g O v e r V i e w ．B o s t o n D y n a m i c s ．2 0 0 8 ， 1 1 2 2 ． [ 9 ]Wo o d e n D， Ma l c h a n o M， B l a n k e s p o o r K．A u t o n o mo u s n a v i g a t i o n f o r B i g D o g [ C J ． I E E E I n t e r n a t i o n 【a l C o n f e r e n c e o n R o b o t i c s a n d A u t o ma t i o n ． 2 01 0 4 73 6 - 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