基于虛擬樣機的多足行走機構設計與步態規劃*

張 蔚，喬生紅

（常州紡織服裝職業技術學院，江蘇常州 213164）

0 引言

與輪式、履帶式移動機器人相比，采用多足機構作為行走部的仿生機器人具有更多的自由度，對復雜路況路面的強適應性，使其尤為適合在復雜環境中執行對自主性、可靠性要求比較高的任務[1-3]。

在多足行走機構的設計過程中，一項重要的工作內容是選擇合理的機構方案，并完成整體機構模型設計；另一項重要工作是基于開發的步行機構，完成運動步態的規劃，尤其是基礎步態的控制邏輯設計[4-5]。

在一般本科或高職機械設計教學過程中，由于學生在機構運動學和動力學方面缺乏較為深入的理論認知，在設計階段對方案的設計驗證開展得并不充分，往往是基于實物樣機階段在進行反復設計迭代。采用虛擬樣機技術，可以很好地解決上述問題。一方面，基于CAD/CAE平臺，可以實現快速設計建模；另一方面，通過虛擬樣機模型的仿真，能夠快速發現與設計目標之間存在的偏差并通過參數化方式實現快速調整，大大提高了實物樣機開發的成功率[6-8]。

本文針對多足行走機構首先開展了整體機構方案設計以及基礎運動步態規劃，隨后借助Solidworks軟件建立了相應的虛擬樣機模型并開展了運動步態的仿真校驗，最終指導完成了實物樣機的開發。

1 總體方案設計

1.1 多足行走機構足數

按照行走足的數量，多足機器人可分為雙足、四足、六足、八足等形式。理論上看，多足機器人只需要和地面有3個獨立的接觸點，就能夠保持靜平衡。考慮到在行走中任何時刻都需要有3個穩定的支點，因此一般多足機器人需要4個以上的足。因此，四足和六足機器人為目前較為主流的設計方案[8-9]。

相對而言，足的數量越多，穩定性越好，六足機器人在機構設計上具有一定冗余性，但能夠獲得比四足機器人更高的穩定性。因此，本文選用六足設計方案。

1.2 足關節自由度

從多足機器人各足運動之間的關聯性來看，一般可分為運動耦合式和運動獨立式。運動耦合式的多足機器人將足分為若干組，每組中各足通過平面連桿機構進行運動耦合，大大減少運動自由度和設計復雜程度；但其運動靈活程度大打折扣，且通常無法實現運動轉向。運動獨立式的多足機器人每個足都具有多個（通常為2或3）運動自由度，可以實現各足間的獨立控制，大大提高了運動靈活程度，但相應的控制策略也更為復雜。本文選用運動獨立式的技術方案，每足采用3自由度設計。

根據上述機構方案，最終設計六足行走機構三維模型如圖1所示。整體機構呈對稱布置，各足具有3個運動自由度（胯關節AU、胯關節AL和膝關節AT），共計18個運動自由度。

圖1 六足行走機構三維模型

2 步態規劃

六足行走機構的基礎運動步態主要包括直行和轉向，各種行動策略均可采用直行步態和轉向步態的組合實現。

2.1 直行步態

六足行走機構直行步態的策略，是將6條足分為2組，其中，1、3、5足為第一組，2、4、6足為第二組，兩組足分時前進。具體動作過程如下。

（1）初始狀態：6條足均處于相同的初始狀態，6條足均落地。

（2）第一組足抬起：1、3、5足抬起，可通過胯關節AL或膝關節AT的單獨或耦合動作實現；此時整個多足行走機構依靠2、4、6三足支撐，安裝平臺中心未產生位移，如圖2所示。

圖2 1、3、5足抬起

（3）第一組足前移：1、3、5足在持續抬起狀態下，沿前進方向移動。當前進方向為1足方向時，1足通過膝關節AT1動作繼續抬起，3足、5足通過胯關節AU動作向同步前移動，如圖3所示。

圖3 1、3、5足前移

（4）第一組足落地：1、3、5足重新落回地面，通過胯關節AL動作來實現，此時機構重新回到六足支撐狀態；同時，1、3、5足落地點之間的相對位置與初始狀態基本一致，但相對2、4、6足和安裝平面的位置發生前移，如圖4所示。

圖4 1、3、5足落地

（5）第一足復位、第二組足抬起：1、3、5足各關節動作回復初始狀態，2、4、6足通過胯關節AL或膝關節AT的單獨或耦合動作實現抬起；此時整個多足行走機構依靠1、3、5三足支撐，并在1、3、5足復位過程中，安裝平臺中心產生位移，如圖5所示。

圖5 1、3、5足復位，2、4、6足抬起

隨后第二組足重復上述第一組足的動作，兩組足交替動作實現前行。

2.2 轉向步態

六足行走機構轉向步態的策略，同樣是將6條足分為兩組，兩組足分時前進。具體動作過程如下。

（1）第一組足抬起：1、3、5足抬起，可通過胯關節AL或膝關節AT的單獨或耦合動作實現；此時整個多足行走機構依靠2、4、6三足支撐，安裝平臺中心未產生位移，同圖2所示。

（2）第一組足旋轉：1、3、5足在持續抬起狀態下，沿轉動方向旋轉。通過胯關節AU的同步動作，3條足旋轉過相同角度，如圖6所示。

圖6 1、3、5足旋轉

（3）第一組足落地：1、3、5足重新落回地面，通過胯關節AL動作來實現，此時機構重新回到六足支撐狀態；同時，1、3、5足落地點之間的相對位置與初始狀態基本一致，但相對2、4、6足和安裝平面的位置發生旋轉，如圖7所示。

圖7 1、3、5足落地

（4）第一組足復位、第二組足抬起：1、3、5足各關節動作回復初始狀態，2、4、6足通過胯關節AL或膝關節AT的單獨或耦合動作實現抬起；此時整個多足行走機構依靠1、3、5三足支撐，并在1、3、5足復位過程中，安裝平臺產生旋轉動作，如圖8所示。

圖8 1、3、5足復位，2、4、6足抬起

隨后第二組足重復上述第一組足的動作，經過若干次交替旋轉動作后，實現機構轉向。

3 樣機搭建

3.1 虛擬樣機仿真

根據上述直行和轉向的步態規劃策略，在Solidworks Motion環境下搭建六足步行機構的多體動力學虛擬樣機模型。在各關節上設置旋轉馬達AL1～AL6、AU1～AU6、AT1和AT4共計14個驅動，由于采用以1足為前進方向的策略，2、3、5、6足上的膝關節可不設置運動參數。規劃多足行走機構先沿直線前進4個周期，然后向左轉向，再沿直線前進2個周期，整個運動過程共計24 s。關節電機通過角位移參數進行控制，單個直行周期和轉向周期內各關鍵的運動參數如表1～2所示。

圖9所示為多足行走機構安裝平臺質心的位置變化，圖10所示為安裝平臺質心角速度變化。從圖中可以看出，前12 s質心沿x方向（轉向前直行方向）移動了-344 mm；12～18 s過程中質心未發生位移，該過程中行走機構為轉向動作，從圖10中角速度變化情況也可以直觀看出這個過程；18～24 s過程中質心沿z方向（轉向后直行方向）繼續移動了132 mm。此外，從圖中還可以看出，整個運動過程當中，安裝平臺質心在y方向（垂向）上的位移波動很小，說明在移動過程當中安裝平臺運行平穩性好。

3.2 實物樣機構建

虛擬樣機仿真結果驗證了上述六足行走機構整體機構方案和基礎運動步態的控制策略。根據驗證后的行走機構設計方案，指導學生利用機械設計實驗室中“探索者”實驗器材，完成了相應的實物樣機搭建，如圖11所示。

表1 單個直行周期內各關節運動參數（°）

表2 單個轉向周期內各關節運動參數（°）

圖9 安裝平臺質心位置變化

圖10 安裝平臺質心角速度變化

圖11 實物樣機

根據虛擬樣機仿真過程中的運動參數設置，編制了實物樣機的運動程序。最終，實物樣機的運動狀態基本與仿真設計結果相同。

4 結束語

本文設計了一種六足18關節的行走機構，通過對直行步態和轉向步態下各足動作邏輯的規劃及組合，實現了對六足行走機構的基本運動的控制。借助多體動力學仿真手段，開發了相應的虛擬樣機模型，并通過實物樣機對比驗證了行走機構步態規劃的合理性，也展示了虛擬樣機手段應用于機械設計教學環節中的實用性與便捷性。