用户手册
MoHub/QuadrupedRobot
仓库范围 四足机器人对角线运动
简介：--
教学案例机器人多领域融合仿真系统建模与仿真电气工程控制科学与工程mcp servers
介绍 文件

QuadrupedRobot 四足机器人对角线小跑模型

QuadrupedRobot 是一个基于 Sysplorer 默认 Modelica 标准库的四足机器人多体仿真模型库。模型使用 Modelica.Mechanics.MultiBody 搭建机身、四条两自由度机械腿、足端地面接触和对角线小跑步态控制器，用于展示四足机器人依靠足端交替接触地面实现行走的过程。

模型特点

  • 使用 Sysplorer 默认加载的 Modelica 标准库，不依赖外部第三方机器人库。
  • 机身为三维自由刚体，四条腿对称安装在机身四角。
  • 每条腿包含髋关节、大腿、膝关节、小腿和足端。
  • 每条腿具有 2 个主动关节自由度：髋关节摆动和膝关节屈伸。
  • 每个足端都有独立的弹簧-阻尼-摩擦地面接触模型。
  • 控制器实现对角线小跑步态：LF + RH 同相，RF + LH 同相，两组相差 180 度。
  • 顶层示例仿真时间为 60 s。
  • 自定义组件包含 Icon 和 Diagram 注解，便于在 Sysplorer 图形界面中查看。

目录结构

QuadrupedRobot/
  package.mo
  package.order
  Components/
    RobotBody.mo
    RobotLeg.mo
    FootGroundContact.mo
    TrotGaitController.mo
  Examples/
    QuadrupedTrotDemo.mo
  Interfaces/
    LegCommandBus.mo
  Utilities/
    RobotParameters.mo
  Tests/
    QuadrupedTrotShortCheck.mo

核心模型说明

Components.RobotBody

机身模型使用 MultiBody 刚体表示机器人主体，质量、尺寸和惯量由参数给定。机身中心坐标系作为自由刚体参考点，并通过四个 FixedTranslation 生成四个腿部安装坐标系：

  • frame_LF: 左前腿安装点
  • frame_RF: 右前腿安装点
  • frame_LH: 左后腿安装点
  • frame_RH: 右后腿安装点

机身动画采用长方体显示，视觉中心与机身坐标系对齐，便于在三维动画中观察四腿是否对称安装。

Components.RobotLeg

单腿模型由两段刚体和两个主动转动副组成：

  • hipJoint: 髋关节摆动
  • thigh: 大腿刚体
  • kneeJoint: 膝关节屈伸
  • shank: 小腿刚体
  • footBody: 足端小球刚体

髋关节和膝关节由 Modelica.Mechanics.Rotational.Sources.Position 位置源驱动，输入信号来自步态控制器。

Components.FootGroundContact

足端接触模型连接到每个足端坐标系，实时测量足端在世界坐标系中的位置和速度，并施加地面对足端的反力。

接触逻辑如下：

  • 当足底高于地面时，法向力为 0。
  • 当足底低于或接触地面时，计算穿透深度。
  • 法向力采用弹簧-阻尼模型，并限制为非负值。
  • 切向摩擦力与法向力相关，使用 tanh 平滑近似，避免零速附近的数值不连续。

主要参数：

参数 含义 默认值
groundHeight 地面高度 0 m
contactStiffness 法向接触刚度 14000 N/m
contactDamping 法向接触阻尼 500 N.s/m
frictionCoefficient 足端地面摩擦系数 0.75
slipVelocity 摩擦平滑速度 0.15 m/s

Components.TrotGaitController

步态控制器输出四条腿的髋关节和膝关节目标角度。相位关系为：

  • LF 与 RH 为一组对角腿，同相运动。
  • RF 与 LH 为另一组对角腿，同相运动。
  • 两组对角腿相位差为 180 度。

控制器使用周期正弦信号区分支撑相和摆动相：

  • 摆动相：膝关节增加屈曲量，足端抬起并向前摆动。
  • 支撑相：膝关节小幅伸展，足端压地并通过摩擦推动机身前进。

顶层示例

顶层示例模型为：

QuadrupedRobot.Examples.QuadrupedTrotDemo

该模型包含：

  • world: MultiBody 世界坐标系，重力方向为 -z，地面为 z=0。
  • robotBody: 机身刚体。
  • legLF, legRF, legLH, legRH: 四条机械腿。
  • contactLF, contactRF, contactLH, contactRH: 四个足端接触模型。
  • controller: 对角线小跑控制器。

仿真设置：

experiment(StopTime=60, Interval=0.01, Tolerance=1e-5)

参数配置

默认参数集中在：

QuadrupedRobot.Utilities.RobotParameters

关键参数如下：

参数 默认值 说明
bodyLength 0.8 m 机身长度
bodyWidth 0.35 m 机身宽度
bodyHeight 0.18 m 机身高度
bodyMass 8 kg 机身质量
thighLength 0.28 m 大腿长度
shankLength 0.28 m 小腿长度
footRadius 0.04 m 足端半径
initialBodyHeight 0.56 m 机身初始高度
gaitPeriod 1.0 s 步态周期
stepLength 0.10 m 名义步长
liftHeight 0.045 m 名义抬腿高度
contactStiffness 14000 N/m 接触刚度
contactDamping 500 N.s/m 接触阻尼
frictionCoefficient 0.75 摩擦系数

使用方法

  1. 启动 MWORKS.Sysplorer。

  2. 加载模型包：

    c:\Users\TR\Desktop\new\QuadrupedRobot\package.mo

  3. 打开示例模型：

    QuadrupedRobot.Examples.QuadrupedTrotDemo

  4. 执行检查和翻译。

  5. 运行仿真，仿真时间为 60 s。

  6. 在三维动画中观察机身、四条腿、足端接触、支撑相、摆动相和换腿过程。

已完成验证

已在 Sysplorer MCP 中完成以下验证：

项目 结果
QuadrupedRobot.Examples.QuadrupedTrotDemo 检查 通过
QuadrupedRobot.Examples.QuadrupedTrotDemo 翻译 通过
QuadrupedRobot.Tests.QuadrupedTrotShortCheck 2 秒短时仿真 通过
QuadrupedRobot.Examples.QuadrupedTrotDemo 60 秒仿真 通过

最近一次 60 秒仿真末端结果：

  • 机身 x 位移约 3.777 m
  • 机身 y 偏移约 0.052 m
  • 机身高度约 0.570 m

这些结果表明机器人能够在足端接触力参与下完成持续小跑运动，且横向漂移较小。

调参建议

如果仿真出现跳动、穿透过大或不稳定，可以按以下顺序调整：

  1. 减小 stepLength，降低髋关节摆动幅值。
  2. 增大 gaitPeriod，放慢步态。
  3. 增大 contactDamping，抑制落地冲击。
  4. 适当降低 contactStiffness，减小刚性接触带来的数值困难。
  5. 减小 liftHeight，降低摆动腿对机身俯仰的扰动。
  6. 调整 initialBodyHeight，使足端初始为轻微接触或接近地面。

注意事项

  • 模型用于步态和接触建模演示，不是高精度机器人控制器。
  • 足地接触为简化模型，摩擦采用平滑近似，适合稳定演示和结构验证。
  • 机身是自由刚体，不能直接固定到世界坐标系，否则会破坏行走效果。
  • 三维动画中机身显示中心已与机身坐标系对齐，四条腿通过机身四角安装坐标系连接。