液压驱动四足机器人机电液一体化建模与仿真教学案例

作者信息

所属院校：燕山大学
作者：马国梁

一、案例概述

本案例以液压驱动四足机器人稳定实现对角小跑为核心工程目标，依托国产MWORKS.Sysplorer平台搭建多领域统一混合仿真模型，完整覆盖三维CAD导入、多体动力学、液压作动、闭环伺服、足地碰撞、步态时序规划全仿真流程。
模型采用分层模块化封装架构，拆解为机械本体、液压驱动、PID控制、地面交互四层子系统，所有子模型接口标准化，既可整机联调演示完整行走工况，也可单独拆分用于单一知识点仿真练习。案例已投入燕山大学相关专业教学使用，能够直观展现机-液-控耦合作用机理，支撑机器人系统仿真、多场耦合建模相关教学与二次开发。

二、教学目标

知识目标

1. 掌握MWORKS中CAD三维模型导入、刚体质量与转动惯量自动提取流程，理解多刚体运动副建模原理；
2. 掌握TYHydraulics液压库元件建模方法，理解液压马达关节驱动工作机制；
3. 掌握Sysblock框图式PID控制器、对角小跑步态时序规划算法核心逻辑；
4. 理解PointToPlane点面接触动力学模型，明晰接触刚度、阻尼、恢复系数对碰撞冲击的影响；
5. 掌握Modelica物理模型与Sysblock控制框图混合协同仿真底层运行逻辑。

能力目标

1. 独立完成四足机器人多刚体本体建模，完成髋、膝八自由度机构搭建；
2. 搭建液压驱动回路并搭配PID实现关节位置闭环伺服；
3. 修改步态时序参数，生成对角同步运动指令，完成整机行走仿真；
4. 调试足地接触参数，输出关节转角、液压扭矩、足端冲击力、机身位姿时域曲线；
5. 拆分各子模型开展对照仿真，通过参数迭代优化机器人行走平稳性。

价值目标

1. 熟悉国产MWORKS建模仿真工具，树立自主可控工业软件应用意识；
2. 建立复杂机电装备分层拆解、分模块建模的工程分析思维；
3. 理解机器人、液压装备在智能制造领域应用价值，培育工程创新素养。

三、案例核心内容

3.1 四层分层建模架构

1. 机械本体层
   导入STEP三维装配模型，自动解析机身、四条大腿、四条小腿的质量、质心、转动惯量；每条腿设置髋关节、膝关节两级旋转副，合计8个驱动自由度；内置刚性地面与点面接触模型，完整复抬腿、迈步、落地全行走循环的碰撞交互过程。
2. 液压驱动层
   基于TYHydraulics与液压油介质库搭建标准化液压马达子模型，为8个关节独立配置驱动单元，接收控制器角位移指令输出驱动扭矩。
3. 伺服控制层
   封装通用PID位置闭环控制器；依托Sysblock开发对角小跑步态模块，复刻时序控制逻辑，输出四路对角同步运动指令。
4. 环境交互层
   采用PointToPlane点面接触动力学模型，可自定义接触刚度、阻尼、恢复系数，量化仿真足端落地冲击载荷。

3.2 模型包完整结构

顶层包命名JIANHUA，全部子模型标准化封装，目录结构如下：

JIANHUA/
├── package.mo                     # 顶层包定义
├── package.order                  # 模型加载顺序
├── demo.mo                        # 整机顶层联合仿真总模型
├── fuxian_matlab_zhong2.mo        # Sysblock对角小跑步态控制器
├── mada.mo                        # 单关节液压马达子模型
├── pid_kuan.mo                    # 通用PID闭环控制器
├── Contact_Demo.mol               # 足地接触动力学库文件
└── zhengji_xinV1/                 # 机器人机械本体子包
    ├── package.mo
    ├── zhengji_xinV1_main.mo      # 完整机械本体（内置接触）
    ├── zhengji_xinV2.mo           # 标准化对外封装机械模型
    ├── ZHENGJIJIA.mo              # 机身机架总成
    ├── pingdimian.mo              # 刚性地面模型
    ├── _01~_04xiaotui.mo          # 四条小腿构件
    ├── _01~_04xigangti.mo         # 四条大腿/膝缸构件
    ├── Cad/zhengji_xinV1.sys3d    # CAD三维装配文件
    ├── Data/zhengji_xinV1.csv     # 质量、惯量、关节元数据
    └── Visualizers/               # 可视化图标资源

整机拓扑：4条机械腿，每条包含髋、膝2个旋转自由度，共8组液压马达与PID控制器配合，通过对角时序控制实现trot稳定行走。

3.3 仿真输出内容

1. 三维实时动画：完整对角小跑行走动态可视化；
2. 时域仿真曲线：各关节转角、液压输出扭矩、足端接触冲击力、机身三轴位移；
3. 可变量调试：步态周期、PID参数、液压供油压力、接触力学参数均可自定义修改，开展对照仿真实验。

四、涉及技术与对应知识点

五、运行环境与仿真配置

1. 仿真平台：MWORKS.Sysplorer 26.6.0
2. 依赖库：Modelica 4.0.0.TY.1、TYMultibody 1.6.0、TYHydraulics 2.5.0、SysplorerEmbeddedCoder、Contact_Demo接触库
3. 求解器：Dassl变步长求解器
4. 基础仿真参数：仿真步长0.001s，推荐仿真时长3~5s，可完整展示1~2个对角小跑周期

六、文件使用操作说明

使用前置操作：先单独打开Contact_Demo.mol接触库文件完成加载，再打开JIANHUA文件夹内package.mo顶层包文件，软件自动解析加载全部依赖资源；

版本说明

V0.0.1，2026-08-17 11:46

• 初始版本

使用许可

本案例版权归属燕山大学马国梁老师，仅供非商业教学学习，请勿直接用于各类赛事及项目等内容的申报。