从工业巡检到灾难救援，四足机器人的落地应用正加速推进。然而，如何在投入实体制造之前，精准预测其运动性能、优化步态设计，成为研发过程中的关键挑战。多体动力学仿真，正是实现这一目标的“虚拟试验场”。

本文将结合INTESIM-FMBD软件，展示如何对四足机器人进行完整的地面行走仿真，为结构设计与步态规划提供可靠依据。

01 案例背景：从现实场景到虚拟验证

近年来，四足机器人凭借其在非结构化环境中的高机动性，已逐步走向实际应用场景。在工业领域，可用于矿山井下巡检、仓储货物搬运；在民生领域，能承担家庭服务、老人陪护等任务；在应急救援领域，可深入地震废墟、核污染区域等人类难以抵达的地方，执行生命探测、物资投送等关键任务。

据行业数据显示，全球四足机器人市场规模年均增长率超30%，对高性能、高可靠性的四足机器人的需求日益迫切。

图1巡检四足机器人     图2搬运四足机器人

图3家庭四足机器人    图4救援四足机器人

本案例采用英特刚柔耦合多体动力学软件（INTESIM-FMBD），对某型号四足机器人进行多体动力学仿真分析。在考虑足地摩擦的情况下，实时查看机器人运行状态。通过多体动力学仿真计算以及可视化的虚拟显示，对四足机器人的步态进行验证，降低物理样机研发与测试成本。

02 案例功能特点

案例所属物理场模块：多体动力学分析

案例主要验证功能：几何文件导入、运动副创建、复合时序驱动创建、接触力创建、求解及后处理

03 技术实现：四足机器人多体动力学模型构建

本案例的四足机器人模型主要由躯干、大腿连杆、小腿连杆、地面组成，如图5所示。

图5四足机器人模型

本案例主要展示采用INTESIM-FMBD软件中的刚体建模、运动副、时序数学函数驱动及接触力等模块对四足机器人进行地面直线行走运动功能，仿真判断机构设计及运动合理性。

模型导入及属性编辑

在INTESIM-FMBD软件中建立四足机器人的虚拟样机模型，利用软件的外部几何文件导入功能，将四足机器人各部分模型以stp格式导入INTESIM-FMBD软件，简化模型由10个主要部件构成，各部件均采用刚体描述，设置部件的材料属性，本案例选择软件内置材料Steel。

创建约束

根据各部件间的连接关系，合理创建部件间的运动副，包括固定副、转动副共9个运动副。

（1）创建ground部件和Ground（大地）之间的固定副

点击固定约束图标（Fixed)，选择用于创建固定副的相关物体，即可完成固定副的创建。

图6固定副创建

（2）创建膝关节和髋关节的转动副

点击转动约束图标（Revolute），选择用于创建转动副的相关物体，即可完成转动副的创建。

图7转动副创建

创建驱动

四足机器人的驱动分别在躯体与大腿连接处的髋关节、大腿与小腿连接处的膝关节添加，以左后腿髋关节为例，驱动添加位置、类型及函数如图8所示。

图8左后腿髋关节驱动创建

创建接触

四足机器人行走在地面上，需要靠接触来完成，因此需要创建四足机器人足部和ground部件之间的接触。

 (1)创建几何接触面：对进行接触的ground部件几何上表面和四足机器人足部几何下表面进行接触面添加，并设置合理的接触面精度，接触位置示意图9所示。

图9接触位置示意图

(2)接触添加及参数设置：点击接触力图标Contact，弹出接触对话框，内容如图10所示，选择相应的接触面并对接触参数进行设置。

图10接触参数设置

求解设置

完成上述四足机器人的多体模型建立后，即可进行求解设置，提交求解器计算，软件求解设置界面如图11所示。

图11求解设置

04 仿真结果：运动性能的仿真与对标

基于INTESIM-FMBD软件进行运动学分析，四足机器人仿真动画如下。

四足机器人躯干位置变化曲线

INTESIM-FMBD软件后处理支持仿真结果曲线的输出，可以输出四足机器人躯干在全局坐标系下的位置变化曲线，下图分别输出INTESIM-FMBD软件与国外著名标杆软件机器人躯干质心在全局坐标系下位置变化曲线，两者的结果曲线基本吻合。

图12四足机器人躯干位置变化曲线

四足机器人左后小腿质心速度变化曲线

INTESIM-FMBD软件后处理支持仿真结果曲线的输出，可以输出四足机器人左后小腿质心在全局坐标系下的速度变化曲线，下图分别输出INTESIM-FMBD软件与国外著名标杆软件机器人左后小腿质心在全局坐标系下位置变化曲线，两者的结果曲线基本吻合。

图13四足机器人左后小腿质心速度变化曲线

本案例INTESIM-FMBD和国外著名标杆对标商软的计算结果对比如表1所示。

表1计算结果对比

05 总结展望：从仿真验证到场景落地

本案例为四足机器人多体动力学案例，通过搭建某型号四足机器人多体动力学模型，考虑足地摩擦、运动姿态等关键因素，模拟四足机器人在地面行走的全运动过程，确定了机器人躯干位移变化情况及腿部连杆速度变化情况，为四足机器人步态规划算法的设计与结构优化设计提供了依据。

同时，INTESIM-FMBD 软件计算结果与国外著名标杆软件计算结果基本一致，这验证了 INTESIM-FMBD 软件的仿真能力及结果的精确度。

INTESIM-FMBD 软件已具备高效的控制联合仿真能力，可凭借“多体仿真 + 高效控制联合”的双重优势为广大用户提供从“动力学分析”到“控效验证”的全流程仿真支持，更好地服务于四足机器人在工业巡检、应急救援、民生服务等场景的研发应用。