2024年5月17日发(作者：诺基亚新机型最新消息)
专题研究
SPECIAL RESEARCH
基于ADAMS的步履式机器人铰点力及
作业参数仿真分析
王福德，寇智慧，张 云
（徐工集团道路机械事业部，江苏 徐州 221004）
［摘要］将Pro/E中创建的步履式机器人的三维模型导入ADAMS，建立了虚拟仿真模型，并添加约
束、运动、外力和step函数，通过多次仿真分析，得出步履式机器人各铰点力变化曲线及最大受力峰值，
并对各作业参数进行了仿真分析，得到最大挖掘半径、最大挖掘高度、最大卸载高度、最大挖掘深度以
及最小回转半径等作业参数。仿真过程及结果为步履式机器人结构的设计及优化、有限元分析、力学性
能的校核以及作业性能的提升提供了理论依据。
［关键词］步履式机器人；ADAMS；仿真模型；铰点力；作业参数
［中图分类号］TP242 ［文献标识码］A ［文章编号］1001-554X（2014）12-0084-05
Simulation analysis of hinge point power and operation parameters with
walking robot based on ADAMS
WANG Fu-de，KOU Zhi-hui，ZHANG Yun
步履式机器人是一种平地、山地、林地、沼
泽地通用的全地形、多功能的步行式越障挖掘机，
通过轮式驱动与步履式行进相结合的越障方式，能
在其它施工机械无法到达的恶劣地形环境进行灾害
抢险和施工作业（如图1所示），并通过安装破碎
锤、伐木机等各种作业机具，实现破碎、挖掘、钻
孔、伐木等各种功能。
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本文将Pro／E中创建的步履式机器人的三维
模型导入ADAMS中，建立步履式机器人的虚拟仿
真模型，并添加约束、运动、外力和step函数，通
过多次仿真分析，得出步履式机器人各铰点力变化
曲线及最大受力峰值，并对各作业参数进行了仿真
分析。
1 虚拟样机的建立和约束、运动的添加
将Pro/E中建立的步履式机器人整机三维实体
模型导入ADAMS中，通过布尔求和将同为一个运
动部件的零件合并，在各油缸的活塞杆与缸筒之间
添加移动副，在各铰点铰接处添加转动副，在各移
动副处创建移动驱动，在各车轮及回转平台转动副
处创建转动驱动。建立的虚拟样机三维模型如图2
所示，通过冗余检验工具检测，步履式机器人虚拟
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1. 工作臂 2. 液压系统 3. 电气系统 4. 驾驶室 5. 覆
盖件 6. 步履式底盘 7. 回转平台 8. 动力与传动系统
图1 步履式机器人作业图
［收稿日期］
2014
-
08
-
05
［基金项目］
国家“863”计划重点项目（项目编号：2012
AA041508）
［通讯地址］
王福德，江苏省徐州市经济技术开发区桃山
路1号徐工集团道路机械事业部军品部
84
建筑机械 2014.12
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样机三维模型没有冗余，自由度为0。
总转角为100°，所以
φ
max
=50°；
C
—— 土壤硬度系数，Ⅲ级土壤为
90～150，取
C
＝100或150；
R
——铲斗切削半径，取111cm；
铲斗瞬时转角，当
φ
=
φ
max
时，
Ft
最
φ
——
大，所以取
φ
=50°；
z
y
x
B
—— 切削刃宽度影响系数，
B
=1+2.6
b
，
b
为铲斗平均宽度（m），取
B
=2.04；
A
—— 切削角变化影响系数，一般取
A
＝
1.3；
Z
—— 斗齿影响系数，有齿时
Z
＝0.75，无齿
时
Z
＝1；
X
—— 斗侧壁厚度影响系数，
X
＝1+0.03s，
其中
s
为侧壁厚度（cm），取
X
=1.03；
D
—— 切削刃挤压土壤力，铲斗斗容为
0.2m³，一般取
D
＝6000。
当Ⅲ级土壤最大硬度系数
C
=150时，铲斗瞬时
转角为总转角之半（即铲斗瞬时转角为50°）时，
计算得最大切向挖掘阻力
F
t
max
＝40000N。
图2 步履式机器人虚拟样机三维模型图
2 地形的建立与接触力的加载
在ADAMS环境下利用拉伸体工具及栅格建立
如图3所示地形，并建立各车轮以及支爪与地面的
CONTACT接触力，设置静摩擦系数及动摩擦系数
均为0.8。
4 铰点力仿真时间分配及驱动函数设计
步履式机器人工作装置由主臂、主臂变幅液
图3 步履式机器人地形图
压缸、伸缩臂变幅液压缸、伸缩臂套筒、伸缩臂
（包含伸缩臂伸缩液压缸）、铲斗液压缸、快换
机构和铲斗等组成，其组成及各铰点布置如图4
所示。
2
JOINT_22
1
3
JOINT_27
JOINT_23
JOINT_25
JOINT_28
5
6
JOINT_49
7
8
3 铰点力仿真物料重力和挖掘阻力的加载
该步履式机器人工作臂的铲斗容量为0.2m³，
假设挖掘过程中土壤密实度为Ⅲ级，其密度为1.8t/
m³，计算得物料质量为360kg。在整个挖掘过程
中，物料重力由零逐渐增加到最大值3600N，铲斗
物料卸载前物料重力一直保持为3600N，加载在铲
斗中部。
如图4、图5所示，挖掘阻力作用在铲斗齿尖
上，并将挖掘阻力分解为切向挖掘阻力和法向挖掘
阻力，法向挖掘阻力很小，可以忽略不计。
挖掘机切向挖掘阻力为
cos
I
max
º
½
°
ª
°
F
t
C
®
R
«
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