從工業巡檢到災難救援，四足機器人的落地應用正加速推進。然而，如何在投入實體制造之前，精準預測其運動性能、優化步態設計，成為研發過程中的關鍵挑戰。多體動力學仿真，正是實現這一目標的“虛擬試驗場”。

本文將結合INTESIM-FMBD軟件，展示如何對四足機器人進行完整的地面行走仿真，為結構設計與步態規劃提供可靠依據。

01 案例背景：從現實場景到虛擬驗證

近年來，四足機器人憑借其在非結構化環境中的高機動性，已逐步走向實際應用場景。在工業領域，可用于礦山井下巡檢、倉儲貨物搬運；在民生領域，能承擔家庭服務、老人陪護等任務；在應急救援領域，可深入地震廢墟、核污染區域等人類難以抵達的地方，執行生命探測、物資投送等關鍵任務。

據行業數據顯示，全球四足機器人市場規模年均增長率超30%，對高性能、高可靠性的四足機器人的需求日益迫切。

圖1巡檢四足機器人     圖2搬運四足機器人

圖3家庭四足機器人    圖4救援四足機器人

本案例采用英特剛柔耦合多體動力學軟件（INTESIM-FMBD），對某型號四足機器人進行多體動力學仿真分析。在考慮足地摩擦的情況下，實時查看機器人運行狀態。通過多體動力學仿真計算以及可視化的虛擬顯示，對四足機器人的步態進行驗證，降低物理樣機研發與測試成本。

02 案例功能特點

案例所屬物理場模塊：多體動力學分析

案例主要驗證功能：幾何文件導入、運動副創建、復合時序驅動創建、接觸力創建、求解及后處理

03 技術實現：四足機器人多體動力學模型構建

本案例的四足機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5四足機器人模型

本案例主要展示采用INTESIM-FMBD軟件中的剛體建模、運動副、時序數學函數驅動及接觸力等模塊對四足機器人進行地面直線行走運動功能，仿真判斷機構設計及運動合理性。

模型導入及屬性編輯

在INTESIM-FMBD軟件中建立四足機器人的虛擬樣機模型，利用軟件的外部幾何文件導入功能，將四足機器人各部分模型以stp格式導入INTESIM-FMBD軟件，簡化模型由10個主要部件構成，各部件均采用剛體描述，設置部件的材料屬性，本案例選擇軟件內置材料Steel。

創建約束

根據各部件間的連接關系，合理創建部件間的運動副，包括固定副、轉動副共9個運動副。

（1）創建ground部件和Ground（大地）之間的固定副

點擊固定約束圖標（Fixed)，選擇用于創建固定副的相關物體，即可完成固定副的創建。

圖6固定副創建

（2）創建膝關節和髖關節的轉動副

點擊轉動約束圖標（Revolute），選擇用于創建轉動副的相關物體，即可完成轉動副的創建。

圖7轉動副創建

創建驅動

四足機器人的驅動分別在軀體與大腿連接處的髖關節、大腿與小腿連接處的膝關節添加，以左后腿髖關節為例，驅動添加位置、類型及函數如圖8所示。

圖8左后腿髖關節驅動創建

創建接觸

四足機器人行走在地面上，需要靠接觸來完成，因此需要創建四足機器人足部和ground部件之間的接觸。

 (1)創建幾何接觸面：對進行接觸的ground部件幾何上表面和四足機器人足部幾何下表面進行接觸面添加，并設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)接觸添加及參數設置：點擊接觸力圖標Contact，彈出接觸對話框，內容如圖10所示，選擇相應的接觸面并對接觸參數進行設置。

圖10接觸參數設置

求解設置

完成上述四足機器人的多體模型建立后，即可進行求解設置，提交求解器計算，軟件求解設置界面如圖11所示。

圖11求解設置

04 仿真結果：運動性能的仿真與對標

基于INTESIM-FMBD軟件進行運動學分析，四足機器人仿真動畫如下。

四足機器人軀干位置變化曲線

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

圖12四足機器人軀干位置變化曲線

四足機器人左后小腿質心速度變化曲線

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

圖13四足機器人左后小腿質心速度變化曲線

本案例INTESIM-FMBD和國外著名標桿對標商軟的計算結果對比如表1所示。

表1計算結果對比

05 總結展望：從仿真驗證到場景落地

本案例為四足機器人多體動力學案例，通過搭建某型號四足機器人多體動力學模型，考慮足地摩擦、運動姿態等關鍵因素，模擬四足機器人在地面行走的全運動過程，確定了機器人軀干位移變化情況及腿部連桿速度變化情況，為四足機器人步態規劃算法的設計與結構優化設計提供了依據。

同時，INTESIM-FMBD 軟件計算結果與國外著名標桿軟件計算結果基本一致，這驗證了 INTESIM-FMBD 軟件的仿真能力及結果的精確度。

INTESIM-FMBD 軟件已具備高效的控制聯合仿真能力，可憑借“多體仿真 + 高效控制聯合”的雙重優勢為廣大用戶提供從“動力學分析”到“控效驗證”的全流程仿真支持，更好地服務于四足機器人在工業巡檢、應急救援、民生服務等場景的研發應用。