刘保江
河北工程大学 河北省邯郸市 056004
摘要：四足机器人属仿生机器人系列，若想促使其性能要求得到充分满足，便需对其经过不断设计、试验、再设计。并且，在机械结构与步态规划两方面，四足机器人也有着极为独特的仿生学优势，通过将自然界中四足哺乳动物与爬行动物生物结构、行走原理作为参考，促进其负载能力、行走稳定、降低消耗。基于此，本文将主要以虚拟样机技术为基础，针对四足机器人结构展开设计。
关键词：虚拟样机；四足机器人；步态规划
若使用传统机械试验设计方法，便需经过不断设计才能令其性能达到相关要求，而通过虚拟样机技术针对四足机器人实施仿真模拟，能够对机器人各方面性能加以最为直观的观察，从而找出设计当中所存有不足，在修改后模型加以完善。
1四足机器人行走结构与运动学分析
四足机器人自身行走结构对其运动学特点与工作性能有着决定性作用，其中，步行腿为整体机械系统基础。
1.1四足机器人行走结构分析
在自然界中，依靠四足行走的生物数不胜数，不同动物步行方式与腿部结构也存有一定差异，根据相关仿生学知识，四足机器人仿生动物腿部结构配置形态主要可分为三种，分别为哺乳动物腿配置、爬行动物腿配置、仿昆虫腿配置、其中，仿哺乳动物行走结构四足机器人在腿部第一个旋转关节轴线处与其机身为平行状态，其能够对自身重力加以充分运用实现加速，适宜高速行走的动态步态，同时，其行走消耗也相对较低，并且具有更为优质的负载能力。但是由于其机身中心位置设置偏高，如何令其动态行走稳定性得到再次提升为此类型四足机器人亟待解决问题。而爬行动物腿配置则与昆虫腿配置分布方式相似，该类型四足机器人行走结构中，腿部第一个关节旋转轴线与躯干平面方向为垂直，其与各旋转关节轴线之间相互平行，并且同样与第一关节轴线相垂直。除此之外，四足机器人主要结构分为机械腿与躯干，其中，机械腿在为机器人机体提供支撑作用的同时，作为运动部件也会不停伴随机体动作，因此，机械腿为四足机器人结构关键所在。在这一条件下，四足机器人机械腿结构需满足以下要求。首先，机械腿足端工作空间应达到理想状态。其次，机械腿需具有优质承载能力，其不仅需要为机体负载提供支撑，同时也需能够推动机身前进，故而其刚性与强度需与系统要求相匹配。第三，机械腿自身质量与转动惯量不宜过高，否则其自身运作灵活性便无法得到保障。最后，机械腿结构应力若想令其简易控制需求得到充分满足，便需对其加以简单化处理[1]。
1.2基于虚拟样机技术的四足机器人设计流程
传统四足机器人开发过程为：概念设计—详细设计—制造四足机器人物理样机—物理样机试验—产品定型，在这一过程中，发现问题、修改、重新选择样机这一过程穿插于详细设计与物理样机试验步骤当中。由于四足机器人自身交媾较为复杂，因此，受到上述传统方式种种制约，导致其在早期设计过程中当中，往往只能够以以往经验为依托，对其中问题加以排查与解决。而四足机器人虚拟样机开发流程为：概念设计—详细设计—虚拟机实验与样机模型修改—产品定型。在建立第一台四足机器人虚拟样机物理样机之前，相关设计人员首先需建立一个四足机器人计算机模型，其能够对四足机器人外观、空间关系、运动学、动力特征等四足机器人特征以三维可视化处理方式加以反映，促使相关设计工作人员能够在概念设计阶段便将自身设计理念加以充分展现，从而为设计产品完整性打下坚实基础。随后，在四足机器人几何模型上施加力、力矩、运动激励等机制针对四足机器人模型实施完整性分析，同时，相关设计人员也可通过对四足机器人在真实环境系统下的运动与动力特性进行模拟，通过仿真分析与图形方式对该系统在真实环境下模拟所呈现的各种特性加以显示，从而促使方案在经过修改后得出最优设计。最后根据仿真结果对四足机器人进行净化与系统优化，直至产品最终定型[2]。
2四足机器人样机建模与仿真
经由上文所述可知，四足机器人设计灵感主要源自于四足动物。但是，为能够降低四足机器人结构设计与控制复杂程度，其腿部并不能完全与动物一般，因此，在确保四足机器人灵活性前提之下，需针对其肢体结构加以合理简化，在每条腿部配置三个关节，并在各关节处设计合理自由度，令其关节配置能够成为全肘式。另外，由于四足机器人腿部存有三个自由度，因此，在理论上需令其空间需求满足三种不同方向需求。在实际设计过程当中，根据上述内容，本文所设计四足机器人参数内容详见表一。随后，通过使用三维实体造型元件—Solid works对四足机器人部件三维实体模型进行构建，同时将系统中各部件位置关系作为基础，对四足机器人机械结构装配体进行组装。在开展方针分析工作前，需针对机械系统将四足机器人各部件实际情况作为基础，对其重量、中心、转动惯量等相关物理参数加以综合考虑，针对部分附加零件需最大限度加以简化，并予以方针与实物的几何外观相似度予以更大重视力度[3]。而对附加零件有效简化方式便是利用Solid works软件建立完整模型，在折算出实体体积与相应密度后，将所得最终参数附加到经过简化后的模型之上。最后，根据上述所设计虚拟样机模型，在将其转移至ADAMS当中后，针对四足机器人运动与动力学展开分析，通过与四足动物肢体运动相关的正弦函数与半波函数针对其髋关节与膝关节进行驱动，驱动函数具体内容如下。
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3仿真结果分析与结构改进
经过多次证明四足机器人运动干涉，能够按照既定运动规律前进，同时本文也发现：（1）四足机器人髋关节与膝关节不平衡驱动力主要在摆动相末端出现，在这一时刻当中，四足机器人所处相位被称之为雅克比奇异状态，故而其在仿真图像上存有力矩突变，即为曲线顶峰。（2）支撑相驱动力矩要高于摆动相。膝关节支撑相力矩要大于摆动相；摆动相力矩相对较小，始终处于3N·m这一范围之内，除去上述雅克比奇异状态外，在支撑相当中，四足机器人膝关节驱动主要在50N·m这一范围之内集中。除此之外，在四足机器人仿真过程中，其膝关节在前行过程中由于受到较大冲击力，导致四足机器人结构受到高于350N力量的破坏，因此，需针对四足机器人腿部结构进行修正，此外，本文通过在四足机器人小腿结构处增设弹性装置，并将其足底结构改为橡胶结构，促使其所受冲击力得到有效减少[4]。
结语：
综合上文所述，本文通过使用虚拟样机技术针对四足机器人结构展开设计，并在ADAMS环境当中，对虚拟四足机器人实施运动当中，并以此分析结果为依据，通过优化动力学、提升系统整体性等方式，促使四足机器人结构与控制效果得到有效提升。同时，也通过虚拟样机技术发现四足机器人结构方面所存有不足，从而在经过对设计方案改良后取得理想效果
参考文献：
[1]熊金刚, 肖志强, 刘光挺,等. 蜘蛛机器人的结构设计与运动步态仿真分析[J]. 机械制造, 2019, 57（01）:7-10,17.
[2]常同立, 和建增, 郭志鹏. 四足机器人的腿部拓扑结构研究及其动力学仿真[J]. 液压与气动, 2018.9（1）:4-4.
[3]汪永明, 马腾飞, 韦强. 闭链式四足机器人对角小跑步态规划与仿真分析[J]. 机电工程, 2020, 37（05）:553-558.
[4]翁杰弟, 余彦峰, 刘烁超,等. 应用契贝谢夫四杆机构的四足机器人仿真分析[J]. 智能制造, 2018, 279（11）:60-63.