北航adams實(shí)驗(yàn)報(bào)告-四足機(jī)器人

1、1EUS共鴛髓空航素蟲學(xué)盲磴If-A,狗七他恆1顰定k&IlTi采用ADAMS和MATLAB建立機(jī)械裝置或機(jī)電裝置虛擬樣機(jī)四足機(jī)器人建模與仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告院（系）名1稱自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程專業(yè)名稱控制工程學(xué)生學(xué)號(hào)0學(xué)生姓名0指導(dǎo)教師02016年4月一、實(shí)驗(yàn)背景1. 參照自然界四足哺乳動(dòng)物如貓狗的運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)四足機(jī)器人進(jìn)行建模，結(jié)合虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件ADAMS,對(duì)四足機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，使四足機(jī)器人模型良好運(yùn)行。2. 利用拉格朗日能量法建立四足機(jī)器人坐標(biāo)系并對(duì)四足機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。3. 在Solidworks中建立四足機(jī)器人三維模型，之后將三維模型導(dǎo)入至虛擬樣機(jī)軟件AD

2、AMS中，在ADAMS中建立虛擬樣機(jī)模型，并利用樣條曲線來規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線行走。二、實(shí)驗(yàn)原理2.1 研究對(duì)象背景分析移動(dòng)機(jī)器人按移動(dòng)方式大體分為兩大類；一是由現(xiàn)代車輛技術(shù)延伸發(fā)展成輪式移動(dòng)機(jī)器人（包括履帶式）；二是基于仿生技術(shù)的運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)器人。運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)器人按移動(dòng)方式分為足式移動(dòng)、蠕動(dòng)、蛇行、游動(dòng)及撲翼飛行等形式,其中足式機(jī)器人是研究最多的一類運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)器人。自然環(huán)境中有約50的地形，輪式或履帶式車輛到達(dá)不了，而這些地方如森林，草地濕地，山林地等地域中擁有巨大的資源，要探測(cè)和利用且要盡可能少的破壞環(huán)境，足式機(jī)器人以其固有的移動(dòng)優(yōu)勢(shì)成為野外探測(cè)工作的首選，另外，如

3、海底和極地的科學(xué)考察和探索，足式機(jī)器人也具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而足式機(jī)器人的研究得到世界各國的廣泛重視。現(xiàn)研制成功的足式機(jī)器人有1足，2足，4足，6足，8足等系列，大于8足的研究很少。曾長期作為人類主要交通工具的馬，牛，驢，駱駝等四足動(dòng)物因其優(yōu)越的野外行走能力和負(fù)載能力自然是人們研究足式機(jī)器人的重點(diǎn)仿生對(duì)象。因而四足機(jī)器人在足式機(jī)器人中占有很大的比例，四足機(jī)器人的研究深具社會(huì)意義和實(shí)用價(jià)值。2.2 研究對(duì)象數(shù)學(xué)模型分析四足機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)由軀體、左前腿、右前腿、左后腿、右后腿五部分組成。四足機(jī)器人的設(shè)計(jì)為兩腿包含兩個(gè)關(guān)節(jié)，分別為髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，在關(guān)節(jié)位置添加驅(qū)動(dòng)，這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)為主動(dòng)自由度，小腿為被動(dòng)自

4、由度。因此四足機(jī)器人整體包含4個(gè)髖關(guān)節(jié)自由度、4個(gè)膝關(guān)節(jié)自由度、以及4個(gè)小腿位置的被動(dòng)自由度。選其中一條腿進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析常用的方法有牛頓一歐拉方程和拉格朗日法。拉格朗日法是一種功能平衡法，它只需要速度而不必求內(nèi)作用力，是一種直截了當(dāng)和簡便的方法。利用拉格朗日法來分析和求解了三自由度步行足的動(dòng)力學(xué)方程。四足機(jī)器人的肢體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，側(cè)擺關(guān)節(jié)在YOZ平面轉(zhuǎn)動(dòng)，m、m12和m分別為側(cè)擺、大腿和小腿的質(zhì)量，且以腿末端的點(diǎn)質(zhì)量表示，9、0和93123是關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，g為重力加速度。圖2.1四足機(jī)器人的肢體結(jié)構(gòu)(2)機(jī)械系統(tǒng)的拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程為(1)q是為關(guān)節(jié)的角度i仆dBEBEBE

5、T=kk+P-idtBqBqBqiii式（1）中，E為系統(tǒng)的總動(dòng)能，E為系統(tǒng)的總勢(shì)能,KP坐標(biāo)，q為關(guān)節(jié)的角速度，t稱為關(guān)節(jié)力矩。桿件i質(zhì)心的線速度和角速度可表ii示成：v二JiqhfJiqJiqiL11LiiLco=JiqHFJiq=JiqiA11AiiA式（2）、式（3）中J和J分別是與第i個(gè)連桿重心位置的平移速度和轉(zhuǎn)動(dòng)LiAi速度相關(guān)的雅可比矩陣，則：系統(tǒng)的平動(dòng)動(dòng)能E=-藝(i)qK2iLL4)i=1系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能E=藝qtJa)TlJ(i)qK22AiA5)i=1系統(tǒng)的總動(dòng)能為平動(dòng)動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能之和，為E=EHEKK1K2=為(mqtJ(i)tJ(i)q+qtJtIJ(i)q)2iLL

6、AiAi=11=2qTHq式（6）中H由公式（7）獲得H=2(mJq)tj(i)HJ(i)TIJ(i)iLLAiA7)i=1系統(tǒng)的總勢(shì)能為：E=2npmgTri0,ii=8)式（8）式中的r是第i根桿件的質(zhì)心在參考坐標(biāo)系中的位置0,i由（1）、（6）、（8）式，得各關(guān)節(jié)力矩T=2Hq+工工hqq+工mgTJjiijjijkjkjLij=j=k=dHdH式(9)中，h=j-0.5j=1jkdqi10)2.3 ADAMS專項(xiàng)技術(shù)原理分析在ADAMS中建立模型的方法有2種：一種是利用ADAMS自己的零件庫建立虛擬樣機(jī)模型；一種是在其他三維建模軟件建立模型，導(dǎo)入到ADAMS中，通過添加約束、運(yùn)動(dòng)函數(shù)和

7、力等建立虛擬樣機(jī)模型。雖然ADAMS有強(qiáng)大的仿真分析功能,但在實(shí)體建模功能比較薄弱,因此采用第2種方法，即在SolidWorks中建立三維模型，保存為*.x_t格式再導(dǎo)入（import）到ADAMS中。再加上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和約束，就能實(shí)現(xiàn)模型在ADAMS中的仿真。研究的四足機(jī)器人的足部結(jié)構(gòu)為面接觸式，同時(shí)抬起2條腿足以保證其穩(wěn)定性，因此，在提高機(jī)器人爬行速度的考慮下，規(guī)劃了機(jī)器人的爬行步態(tài)為以對(duì)角線的2條腿同時(shí)抬起行走；機(jī)器人重心在地面投影為直線；抬腿過程中，腳底板始終與地面平行；運(yùn)動(dòng)過程中四足爬行機(jī)器人機(jī)體始終保持與地面平行。這種步態(tài)可以在保證機(jī)器人平穩(wěn)行走的同時(shí)，提高機(jī)器人的行走速度及效率。在

8、1個(gè)周期內(nèi)，機(jī)器人相當(dāng)于邁步2次。機(jī)器人腿部抬起向前擺動(dòng)，落地時(shí)通過腳面摩擦力使2條腿恢復(fù)原狀同時(shí)帶動(dòng)機(jī)器人向前位移，2條腿同時(shí)抬起、同時(shí)恢復(fù)原位的方案也可以大大提高向前的動(dòng)力。根據(jù)四足機(jī)器人的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)參數(shù)能夠計(jì)算機(jī)體的運(yùn)動(dòng)位置和速度。機(jī)器人四條腿依次“抬起一擺動(dòng)一放下”構(gòu)成一個(gè)步態(tài)周期，一個(gè)步態(tài)周期需要分成若干個(gè)階段以對(duì)應(yīng)于每條腿“抬起一擺動(dòng)一放下”。需要合理控制每條腿來保證行走的穩(wěn)定性?；贛ATLAB建立其逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析運(yùn)動(dòng)曲線，將MATLAB生成的各個(gè)關(guān)節(jié)的變化曲線作為四足爬行機(jī)器人虛擬樣機(jī)上各個(gè)相應(yīng)舵機(jī)的輸入量來控制舵機(jī)的變化，所以將MATLAB中得到的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行離散化，離散后的

9、數(shù)據(jù)保存為文本文件。將離散后的數(shù)據(jù)（選擇輸入的.txt文件格式為TextData格式）導(dǎo)入到ADAMS中生成樣條曲線（Spline）指定到相應(yīng)的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)中，這樣，機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)就能夠按照規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)。2.4ADAMS建模過程1三維建模首先根據(jù)模型的相關(guān)尺寸在SolidWorks中建立四足機(jī)器人的零件進(jìn)行三維模型，并最后裝配成一個(gè)裝配體。如圖2.2所示。圖2.2四足機(jī)器人三維模型然后保存在自己指定的目錄(英文目錄)下，文件名自定義，這里我定義為robotWmyl223，注意保存格式為parasolid(*.x_t),點(diǎn)擊確定。打開adams,進(jìn)入界面后在菜單欄點(diǎn)擊file/import，然后選

10、擇FileType為Parasolid(*.xmt_txt,*.x_t),在FileToRead中雙擊選擇自己之前保存的目錄(英文目錄)，F(xiàn)ileType不用管，在ModelName右邊欄目里右鍵，依次點(diǎn)擊Model/Create，然后點(diǎn)擊ok，再點(diǎn)擊ok。選擇鋼鐵為模型的主要材料，ADAMS軟件會(huì)自動(dòng)為各個(gè)部件生成相應(yīng)的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等其他相關(guān)參數(shù)。定義完成后的模型如圖2.3所示。圖2.3定義材料屬性之后2調(diào)整工作網(wǎng)格調(diào)整網(wǎng)格寬度為750mmX500mm,網(wǎng)格間距為50mmX50mm,調(diào)整方向?yàn)閅Z平面，使工作網(wǎng)格與四足機(jī)器人軀體平行，便于后期添加約束。添加質(zhì)量后，要設(shè)置重力大小及方向

11、。重力大小設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)重力9.85，方向沿著Y軸負(fù)方向。3添加約束和驅(qū)動(dòng)在軀體和髖關(guān)節(jié)處添加固定約束，保證髖和軀體同步運(yùn)動(dòng)。在髖關(guān)節(jié)添加旋轉(zhuǎn)約束，保證大腿繞軀體旋轉(zhuǎn)；在膝關(guān)節(jié)處添加旋轉(zhuǎn)約束，保證小腿繞大腿旋轉(zhuǎn)。添加一塊2000X100mm的板作為地面，在板與地面之間添加固定約束，使板固定于地面上。在髓關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)約束上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，作為四足機(jī)器人的動(dòng)力。4建立狀態(tài)變量膝關(guān)節(jié)和骸關(guān)節(jié)總共有八個(gè)驅(qū)動(dòng)，與之相對(duì)應(yīng)要建立八個(gè)狀態(tài)變量。從build菜單中選擇systemelements，再選擇statevariable選項(xiàng)，創(chuàng)建8個(gè)變量，分別命名為RHKV，LHKV，RFKV，LFKV，RHHV，L

12、HHV，RFHV，LFHV。狀態(tài)變量建立完成之后，要將這8個(gè)狀態(tài)變量與驅(qū)動(dòng)相關(guān)聯(lián)。將MATLAB中得到的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行離散化，離散后的數(shù)據(jù)保存為文本文件。將離散后的數(shù)據(jù)（選擇輸入的.txt文件格式為TextData格式）導(dǎo)入到ADAMS中生成樣條曲線（Spline）指定到相應(yīng)的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)中。在ADAMS中的模型上創(chuàng)建motion的位置，打開各個(gè)motion進(jìn)行修改，選擇樣條函數(shù)CUBSPL（time,0,LFx3,0）。5接觸力及摩擦力設(shè)定足端與地面間斷性接觸，產(chǎn)生了接觸力和摩擦力，使得四足機(jī)器人正常前進(jìn)，并對(duì)穩(wěn)定性有相當(dāng)大的影響。所以對(duì)四個(gè)足端與地面進(jìn)行力設(shè)置。接觸力設(shè)定采用solidtos

13、olid，采用基于碰撞函數(shù)的接觸算法Impact計(jì)算接觸力，參數(shù)設(shè)定如圖2.4。FForceDsplayRedNomnalForceImpactJStiffness1000.0ForceExponent2.2Damping100PenetrationDepth0.1廠AugmentedLagrangianFrictionForceCculombTCoulombFrictionOn*StaticCoefficient0.JDynamicCoefficient0.3StictionTransitionVel.01FrictionTransitonVel1.0OKApplyClose圖2.4接觸力參

14、數(shù)設(shè)定三、實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果31仿真過程打開simulation仿真參數(shù)設(shè)置，設(shè)置結(jié)束時(shí)間為5s,步長為0.01，點(diǎn)擊start進(jìn)行仿真。3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果四足機(jī)器人基本能穩(wěn)定地向前行走，由于與地面之間存在一定的滑動(dòng)，所以行走路線偏移了規(guī)劃好的直線。四、結(jié)果分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)論1. 觀察膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)曲線如圖3.1所示（以左前腿LF為例）。MODEL220.01SDnfl-6.Q.uVuVudJOINT2GMEA115.0-I.»».»»<0J）1.DZD3.Q4.05.0&.07.0B.0901D.0aJrsis:Lasi_Runnmefsec&

15、gt;201fi-Dt8-1322.D5:4B圖3.1膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)角位移可知：1）行走的過程中，同一腿的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)具有固定的相位關(guān)系；基本上膝關(guān)節(jié)優(yōu)先于髖關(guān)節(jié)半個(gè)周期；2）腿在擺動(dòng)相時(shí)，髖關(guān)節(jié)前擺，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)同步運(yùn)動(dòng)。2. 質(zhì)心坐標(biāo)變化如下OcmMEA2X圖3.2質(zhì)心的X坐標(biāo)變化曲線cmMEA1X915.0900.0385.Time:.-*Curend8.01八UUyIv、5.010.0圖3.3質(zhì)心的Y坐標(biāo)變化曲線ncm_MEA_3X由質(zhì)心坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)曲線可知，四足機(jī)器人基本上保持400mm/s的速度，由于步態(tài)和先后抬腿的原因，質(zhì)心向X方向會(huì)出現(xiàn)左右擺，Y方向出現(xiàn)上下擺，基本上可以判定四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)比較穩(wěn)定。結(jié)論：對(duì)四足哺乳類動(dòng)物觀察、測(cè)量，建