基于虚拟样机的多足行走机构设计与步态规划*

张 蔚，乔生红

（常州纺织服装职业技术学院，江苏常州 213164）

0 引言

与轮式、履带式移动机器人相比，采用多足机构作为行走部的仿生机器人具有更多的自由度，对复杂路况路面的强适应性，使其尤为适合在复杂环境中执行对自主性、可靠性要求比较高的任务[1-3]。

在多足行走机构的设计过程中，一项重要的工作内容是选择合理的机构方案，并完成整体机构模型设计；另一项重要工作是基于开发的步行机构，完成运动步态的规划，尤其是基础步态的控制逻辑设计[4-5]。

在一般本科或高职机械设计教学过程中，由于学生在机构运动学和动力学方面缺乏较为深入的理论认知，在设计阶段对方案的设计验证开展得并不充分，往往是基于实物样机阶段在进行反复设计迭代。采用虚拟样机技术，可以很好地解决上述问题。一方面，基于CAD/CAE平台，可以实现快速设计建模；另一方面，通过虚拟样机模型的仿真，能够快速发现与设计目标之间存在的偏差并通过参数化方式实现快速调整，大大提高了实物样机开发的成功率[6-8]。

本文针对多足行走机构首先开展了整体机构方案设计以及基础运动步态规划，随后借助Solidworks软件建立了相应的虚拟样机模型并开展了运动步态的仿真校验，最终指导完成了实物样机的开发。

1 总体方案设计

1.1 多足行走机构足数

按照行走足的数量，多足机器人可分为双足、四足、六足、八足等形式。理论上看，多足机器人只需要和地面有3个独立的接触点，就能够保持静平衡。考虑到在行走中任何时刻都需要有3个稳定的支点，因此一般多足机器人需要4个以上的足。因此，四足和六足机器人为目前较为主流的设计方案[8-9]。

相对而言，足的数量越多，稳定性越好，六足机器人在机构设计上具有一定冗余性，但能够获得比四足机器人更高的稳定性。因此，本文选用六足设计方案。

1.2 足关节自由度

从多足机器人各足运动之间的关联性来看，一般可分为运动耦合式和运动独立式。运动耦合式的多足机器人将足分为若干组，每组中各足通过平面连杆机构进行运动耦合，大大减少运动自由度和设计复杂程度；但其运动灵活程度大打折扣，且通常无法实现运动转向。运动独立式的多足机器人每个足都具有多个（通常为2或3）运动自由度，可以实现各足间的独立控制，大大提高了运动灵活程度，但相应的控制策略也更为复杂。本文选用运动独立式的技术方案，每足采用3自由度设计。

根据上述机构方案，最终设计六足行走机构三维模型如图1所示。整体机构呈对称布置，各足具有3个运动自由度（胯关节AU、胯关节AL和膝关节AT），共计18个运动自由度。

图1 六足行走机构三维模型

2 步态规划

六足行走机构的基础运动步态主要包括直行和转向，各种行动策略均可采用直行步态和转向步态的组合实现。

2.1 直行步态

六足行走机构直行步态的策略，是将6条足分为2组，其中，1、3、5足为第一组，2、4、6足为第二组，两组足分时前进。具体动作过程如下。

（1）初始状态：6条足均处于相同的初始状态，6条足均落地。

（2）第一组足抬起：1、3、5足抬起，可通过胯关节AL或膝关节AT的单独或耦合动作实现；此时整个多足行走机构依靠2、4、6三足支撑，安装平台中心未产生位移，如图2所示。

图2 1、3、5足抬起

（3）第一组足前移：1、3、5足在持续抬起状态下，沿前进方向移动。当前进方向为1足方向时，1足通过膝关节AT1动作继续抬起，3足、5足通过胯关节AU动作向同步前移动，如图3所示。

图3 1、3、5足前移

（4）第一组足落地：1、3、5足重新落回地面，通过胯关节AL动作来实现，此时机构重新回到六足支撑状态；同时，1、3、5足落地点之间的相对位置与初始状态基本一致，但相对2、4、6足和安装平面的位置发生前移，如图4所示。

图4 1、3、5足落地

（5）第一足复位、第二组足抬起：1、3、5足各关节动作回复初始状态，2、4、6足通过胯关节AL或膝关节AT的单独或耦合动作实现抬起；此时整个多足行走机构依靠1、3、5三足支撑，并在1、3、5足复位过程中，安装平台中心产生位移，如图5所示。

图5 1、3、5足复位，2、4、6足抬起

随后第二组足重复上述第一组足的动作，两组足交替动作实现前行。

2.2 转向步态

六足行走机构转向步态的策略，同样是将6条足分为两组，两组足分时前进。具体动作过程如下。

（1）第一组足抬起：1、3、5足抬起，可通过胯关节AL或膝关节AT的单独或耦合动作实现；此时整个多足行走机构依靠2、4、6三足支撑，安装平台中心未产生位移，同图2所示。

（2）第一组足旋转：1、3、5足在持续抬起状态下，沿转动方向旋转。通过胯关节AU的同步动作，3条足旋转过相同角度，如图6所示。

图6 1、3、5足旋转

（3）第一组足落地：1、3、5足重新落回地面，通过胯关节AL动作来实现，此时机构重新回到六足支撑状态；同时，1、3、5足落地点之间的相对位置与初始状态基本一致，但相对2、4、6足和安装平面的位置发生旋转，如图7所示。

图7 1、3、5足落地

（4）第一组足复位、第二组足抬起：1、3、5足各关节动作回复初始状态，2、4、6足通过胯关节AL或膝关节AT的单独或耦合动作实现抬起；此时整个多足行走机构依靠1、3、5三足支撑，并在1、3、5足复位过程中，安装平台产生旋转动作，如图8所示。

图8 1、3、5足复位，2、4、6足抬起

随后第二组足重复上述第一组足的动作，经过若干次交替旋转动作后，实现机构转向。

3 样机搭建

3.1 虚拟样机仿真

根据上述直行和转向的步态规划策略，在Solidworks Motion环境下搭建六足步行机构的多体动力学虚拟样机模型。在各关节上设置旋转马达AL1～AL6、AU1～AU6、AT1和AT4共计14个驱动，由于采用以1足为前进方向的策略，2、3、5、6足上的膝关节可不设置运动参数。规划多足行走机构先沿直线前进4个周期，然后向左转向，再沿直线前进2个周期，整个运动过程共计24 s。关节电机通过角位移参数进行控制，单个直行周期和转向周期内各关键的运动参数如表1～2所示。

图9所示为多足行走机构安装平台质心的位置变化，图10所示为安装平台质心角速度变化。从图中可以看出，前12 s质心沿x方向（转向前直行方向）移动了-344 mm；12～18 s过程中质心未发生位移，该过程中行走机构为转向动作，从图10中角速度变化情况也可以直观看出这个过程；18～24 s过程中质心沿z方向（转向后直行方向）继续移动了132 mm。此外，从图中还可以看出，整个运动过程当中，安装平台质心在y方向（垂向）上的位移波动很小，说明在移动过程当中安装平台运行平稳性好。

3.2 实物样机构建

虚拟样机仿真结果验证了上述六足行走机构整体机构方案和基础运动步态的控制策略。根据验证后的行走机构设计方案，指导学生利用机械设计实验室中“探索者”实验器材，完成了相应的实物样机搭建，如图11所示。

表1 单个直行周期内各关节运动参数（°）

表2 单个转向周期内各关节运动参数（°）

图9 安装平台质心位置变化

图10 安装平台质心角速度变化

图11 实物样机

根据虚拟样机仿真过程中的运动参数设置，编制了实物样机的运动程序。最终，实物样机的运动状态基本与仿真设计结果相同。

4 结束语

本文设计了一种六足18关节的行走机构，通过对直行步态和转向步态下各足动作逻辑的规划及组合，实现了对六足行走机构的基本运动的控制。借助多体动力学仿真手段，开发了相应的虚拟样机模型，并通过实物样机对比验证了行走机构步态规划的合理性，也展示了虚拟样机手段应用于机械设计教学环节中的实用性与便捷性。