基于ADAMS的液压驱动四足机器人步态规划与仿真_庄明

中图分类号：TH16，TP242 文献标识码：A
1 引言
2 机器人机构设计
四足机器人可以通过选择合适的落地点，既能以静态步行
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
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 为相同结构（长 95cm，宽 64cm，高 80cm）机器人本体重约 40kg，采
的四足机器人 JTUWM[1-2]以及华中科技大学研制的多足机器人具 体相连，完成腿在 XZ 平面中的旋转运动。在四足机器人受到侧
有不同的结构[3-4]，在机构设计和步行控制方面成果显著，但是机 向冲击时，可以通过控制 1# 液压缸与其他液压缸的协调运动来
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 调整机器人的步态，从而保持机器人稳定。2# 液压缸和 3# 液压
in the X，Y，Z Directions
angle（°）
12
俯仰角
10
横滚角
偏转角
8
6
4
2
0
-2
-4
0
1
2
3
4
5
6
（t s）
图 4 机器人本体 RPY 角变化曲线 Fig.4 The RPY Angle Curves of the Robot
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
ZHUANG Ming1，2，YU Zhi-wei1，GONG Da-ping3，XU Ming-li3，DAI Zhen-dong1
（1Institute of Bio-inspired Structure and Surface Engineering，Nanjing University of Aeronautics
规律性，现取（4~6）s 数据进行分析。右前腿 2#、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 1800N 左右，最小值为-3500N 左右，3# 缸驱
动力最大值为 1000N 左右，最小值为-1700N 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。
s（源自文库m）
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
0 0
X Y Z
1
2
3
4
5
6
（t s）
图 3 机器人质心在 X、Y、Z 方向的位移曲线 Fig.3 The Displacements of the Robot’s Center of Mass
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 607mm，偏
转角为 10°，说明机器人起步后沿 X 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
and Astronautics，Nanjing 210016，China）
（2College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics
and Astronautics，Nanjing 210016，China）
关键词：四足机器人；液压驱动；步态规划；ADAMS 【Abstract】To realize the robot's high load and high adaptability of walking on the uneven ground，a hydraulic driven quadruped robot is designed，who has the structure of less leg joints and more motion spaces.On the base of analysis of the mechanical structure，a kind of diagonal gait is designed and the dy－ namic walking behavior of the quadruped robot on the ground is simulated using ADAMS.The displacement of the robot’s center of mass，the hydraulic cylinder driving force as well as the contact force between the feet and ground，and other parameters are analyzed.Thus the hydraulic cylinder’s work flow，power parame－ ters are obtained.The simulation result verifies the feasibility of the gait planning and structure design， which provides references for the selection of hydraulic cylinder and engine. Key Words：Quadruped Robot；Hydraulic Drived；Gait Planning；ADAMS
可以在非结构环境路面上稳定行走，可以 5km/h 的速度小跑，可 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
以爬越 35°的坡面，负载 55kg[8-9]，这些指标相比于电机驱动的四 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
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。
100
文章编号：1001-3997（2012）07-0100-03
机械设计与制造 Machinery Design ＆ Manufacture
第7期 2012 年 7 月
先 进
基于 ADAMS 的液压驱动四足机器人
制 造
步态规划与仿真 *
技
术
庄 明 1，2 俞志伟 1 龚达平 3 许明理 3 戴振东 1
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 16.23mm，质心离地面的高度为 700mm，可得机器人质心
垂直波动率为 2.32％，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 6s 时间
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[10]。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[11]。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[12]，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 β 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。
（a）
（b）
（c）
（d）
（e）
图 2 机器人仿真动画图
Fig.2 A Frame of Robot Simulation Cartoon
表 1 足端接触力属性设置表 Tab.1 The P roperty S ettings of the Foot Contact Forces
接触力参数名称 静态摩擦系数 动态摩擦系数 刚度（/ N/mm） 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（/ mm/s） 粘质转换速度（/ mm/s）
数值大小 0.8 0.6 100 2.2
10000 1 100
1000
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，6s 时间内行走了 3828mm，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 0.638m/s，理论行走速度为 0.667m/s，存
第7期
庄 明等：基于 ADAMS 的液压驱动四足机器人步态规划与仿真
101
1# 液压缸
负载 机架
2# 液压缸
3# 液压缸
Z
足4
足3
X
Y
弹性关节
足2 足1
图 1 液压驱动四足机器人三维模型 Fig.1 Three-Dimensional Model of Quadruped
Robot With Hydraulic Drive
度高，负载能力强，能承受冲击力大。
＊来稿日期：2011-09-06 ＊基金项目：国家自然科学基金（60910007，51105201），中国博士后科学基金资助（20100471339），南京航空航天大学基本 科研业务费专项科研项目（NS2010223），南京航空航天大学引进人才科研启动基金（S0913-GXY）
（3Nanjing Engineering Institute of Aircraft Systems，Nanjing 210002，China）
【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 ADAMS 规划设计了四足运动步态，并在 ADAMS 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。
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。
No.7
102
机械设计与制造
July.2012
2000
液压缸内径为 27.2mm，推杆直径为 20cm，根据液压缸流量
某大学研制的 TITAN 系列四足机器人，能够实现对地面的自适 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
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 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，
中[5-7]，美国某公司设计制造的 BigDog 四足机器人采用液压驱动， 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
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 100kg；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 6s，仿真步长为 600。仿真结 束后可以在 ADAMS/PostProcessor 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。
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 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
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 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
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 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
（1 南京航空航天大学 仿生结构与材料防护研究所，南京 210016）
（2 南京航空航天大学 机电工程学院，南京 210016）（3 南京机电液压工程研究中心，南京 210002）
Gait Planning and Simulation of Quadruped Robot With Hydraulic Drive Based on ADAMS
0
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
-2000
所示。可以看到，在一个周期内流量保持在 68L/min 左右。取（1~