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從工業(yè)巡檢到災(zāi)難救援，四足機(jī)器人的落地應(yīng)用正加速推進(jìn)。然而，如何在投入實(shí)體制造之前，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)其運(yùn)動(dòng)性能、優(yōu)化步態(tài)設(shè)計(jì)，成為研發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。多體動(dòng)力學(xué)仿真，正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的“虛擬試驗(yàn)場(chǎng)”。

本文將結(jié)合INTESIM-FMBD軟件，展示如何對(duì)四足機(jī)器人進(jìn)行完整的地面行走仿真，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與步態(tài)規(guī)劃提供可靠依據(jù)。

01 案例背景：從現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景到虛擬驗(yàn)證

近年來(lái)，四足機(jī)器人憑借其在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的高機(jī)動(dòng)性，已逐步走向?qū)嶋H應(yīng)用場(chǎng)景。在工業(yè)領(lǐng)域，可用于礦山井下巡檢、倉(cāng)儲(chǔ)貨物搬運(yùn)；在民生領(lǐng)域，能承擔(dān)家庭服務(wù)、老人陪護(hù)等任務(wù)；在應(yīng)急救援領(lǐng)域，可深入地震廢墟、核污染區(qū)域等人類難以抵達(dá)的地方，執(zhí)行生命探測(cè)、物資投送等關(guān)鍵任務(wù)。

據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，全球四足機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模年均增長(zhǎng)率超30%，對(duì)高性能、高可靠性的四足機(jī)器人的需求日益迫切。

圖1巡檢四足機(jī)器人     圖2搬運(yùn)四足機(jī)器人

圖3家庭四足機(jī)器人    圖4救援四足機(jī)器人

本案例采用英特剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)軟件（INTESIM-FMBD），對(duì)某型號(hào)四足機(jī)器人進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真分析。在考慮足地摩擦的情況下，實(shí)時(shí)查看機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算以及可視化的虛擬顯示，對(duì)四足機(jī)器人的步態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證，降低物理樣機(jī)研發(fā)與測(cè)試成本。

02 案例功能特點(diǎn)

案例所屬物理場(chǎng)模塊：多體動(dòng)力學(xué)分析

案例主要驗(yàn)證功能：幾何文件導(dǎo)入、運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建、復(fù)合時(shí)序驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建、接觸力創(chuàng)建、求解及后處理

03 技術(shù)實(shí)現(xiàn)：四足機(jī)器人多體動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

本案例的四足機(jī)器人模型主要由軀干、大腿連桿、小腿連桿、地面組成，如圖5所示。

圖5四足機(jī)器人模型

本案例主要展示采用INTESIM-FMBD軟件中的剛體建模、運(yùn)動(dòng)副、時(shí)序數(shù)學(xué)函數(shù)驅(qū)動(dòng)及接觸力等模塊對(duì)四足機(jī)器人進(jìn)行地面直線行走運(yùn)動(dòng)功能，仿真判斷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)合理性。

模型導(dǎo)入及屬性編輯

在INTESIM-FMBD軟件中建立四足機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型，利用軟件的外部幾何文件導(dǎo)入功能，將四足機(jī)器人各部分模型以stp格式導(dǎo)入INTESIM-FMBD軟件，簡(jiǎn)化模型由10個(gè)主要部件構(gòu)成，各部件均采用剛體描述，設(shè)置部件的材料屬性，本案例選擇軟件內(nèi)置材料Steel。

創(chuàng)建約束

根據(jù)各部件間的連接關(guān)系，合理創(chuàng)建部件間的運(yùn)動(dòng)副，包括固定副、轉(zhuǎn)動(dòng)副共9個(gè)運(yùn)動(dòng)副。

（1）創(chuàng)建ground部件和Ground（大地）之間的固定副

點(diǎn)擊固定約束圖標(biāo)（Fixed)，選擇用于創(chuàng)建固定副的相關(guān)物體，即可完成固定副的創(chuàng)建。

圖6固定副創(chuàng)建

（2）創(chuàng)建膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)副

點(diǎn)擊轉(zhuǎn)動(dòng)約束圖標(biāo)（Revolute），選擇用于創(chuàng)建轉(zhuǎn)動(dòng)副的相關(guān)物體，即可完成轉(zhuǎn)動(dòng)副的創(chuàng)建。

圖7轉(zhuǎn)動(dòng)副創(chuàng)建

創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)

四足機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)分別在軀體與大腿連接處的髖關(guān)節(jié)、大腿與小腿連接處的膝關(guān)節(jié)添加，以左后腿髖關(guān)節(jié)為例，驅(qū)動(dòng)添加位置、類型及函數(shù)如圖8所示。

圖8左后腿髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建

創(chuàng)建接觸

四足機(jī)器人行走在地面上，需要靠接觸來(lái)完成，因此需要?jiǎng)?chuàng)建四足機(jī)器人足部和ground部件之間的接觸。

 (1)創(chuàng)建幾何接觸面：對(duì)進(jìn)行接觸的ground部件幾何上表面和四足機(jī)器人足部幾何下表面進(jìn)行接觸面添加，并設(shè)置合理的接觸面精度，接觸位置示意圖9所示。

圖9接觸位置示意圖

(2)接觸添加及參數(shù)設(shè)置：點(diǎn)擊接觸力圖標(biāo)Contact，彈出接觸對(duì)話框，內(nèi)容如圖10所示，選擇相應(yīng)的接觸面并對(duì)接觸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖10接觸參數(shù)設(shè)置

求解設(shè)置

完成上述四足機(jī)器人的多體模型建立后，即可進(jìn)行求解設(shè)置，提交求解器計(jì)算，軟件求解設(shè)置界面如圖11所示。

圖11求解設(shè)置

04 仿真結(jié)果：運(yùn)動(dòng)性能的仿真與對(duì)標(biāo)

基于INTESIM-FMBD軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，四足機(jī)器人仿真動(dòng)畫如下。

四足機(jī)器人軀干位置變化曲線

INTESIM-FMBD軟件后處理支持仿真結(jié)果曲線的輸出，可以輸出四足機(jī)器人軀干在全局坐標(biāo)系下的位置變化曲線，下圖分別輸出INTESIM-FMBD軟件與國(guó)外著名標(biāo)桿軟件機(jī)器人軀干質(zhì)心在全局坐標(biāo)系下位置變化曲線，兩者的結(jié)果曲線基本吻合。

圖12四足機(jī)器人軀干位置變化曲線

四足機(jī)器人左后小腿質(zhì)心速度變化曲線

INTESIM-FMBD軟件后處理支持仿真結(jié)果曲線的輸出，可以輸出四足機(jī)器人左后小腿質(zhì)心在全局坐標(biāo)系下的速度變化曲線，下圖分別輸出INTESIM-FMBD軟件與國(guó)外著名標(biāo)桿軟件機(jī)器人左后小腿質(zhì)心在全局坐標(biāo)系下位置變化曲線，兩者的結(jié)果曲線基本吻合。

圖13四足機(jī)器人左后小腿質(zhì)心速度變化曲線

本案例INTESIM-FMBD和國(guó)外著名標(biāo)桿對(duì)標(biāo)商軟的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1計(jì)算結(jié)果對(duì)比

05 總結(jié)展望：從仿真驗(yàn)證到場(chǎng)景落地

本案例為四足機(jī)器人多體動(dòng)力學(xué)案例，通過(guò)搭建某型號(hào)四足機(jī)器人多體動(dòng)力學(xué)模型，考慮足地摩擦、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等關(guān)鍵因素，模擬四足機(jī)器人在地面行走的全運(yùn)動(dòng)過(guò)程，確定了機(jī)器人軀干位移變化情況及腿部連桿速度變化情況，為四足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃算法的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

同時(shí)，INTESIM-FMBD 軟件計(jì)算結(jié)果與國(guó)外著名標(biāo)桿軟件計(jì)算結(jié)果基本一致，這驗(yàn)證了 INTESIM-FMBD 軟件的仿真能力及結(jié)果的精確度。

INTESIM-FMBD 軟件已具備高效的控制聯(lián)合仿真能力，可憑借“多體仿真 + 高效控制聯(lián)合”的雙重優(yōu)勢(shì)為廣大用戶提供從“動(dòng)力學(xué)分析”到“控效驗(yàn)證”的全流程仿真支持，更好地服務(wù)于四足機(jī)器人在工業(yè)巡檢、應(yīng)急救援、民生服務(wù)等場(chǎng)景的研發(fā)應(yīng)用。