基于ADAMS的仿尺蠖機(jī)械式爬行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析

扈航 楊修平

摘 要：尺蠖利用背部肌肉伸縮從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，即伸展身體的前部，再挪移身體的后部。通過(guò)觀察尺蠖的運(yùn)動(dòng)形式，發(fā)現(xiàn)仿尺蠖類機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。在分析過(guò)程中，首先利用Solidworks進(jìn)行建模，然后利用ADAMS軟件進(jìn)行仿真分析，模擬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，驗(yàn)證該運(yùn)動(dòng)的可行性。

關(guān)鍵詞：尺蠖；機(jī)器人；ADAMS；運(yùn)動(dòng)分析

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

該機(jī)器人大體由兩部分組成，分別為A.B。兩部分之間由橫桿進(jìn)行連接。左側(cè)橫桿固連在A，右側(cè)橫桿固連在B。A，B與橫桿之間存在轉(zhuǎn)動(dòng)副。內(nèi)部電機(jī)驅(qū)動(dòng)A，B以一定相位差繞橫桿轉(zhuǎn)動(dòng)，即A先向前運(yùn)動(dòng)，然后B再跟進(jìn)運(yùn)動(dòng)同樣的距離，按照這樣的運(yùn)動(dòng)形式實(shí)現(xiàn)向前運(yùn)動(dòng)。A，B質(zhì)量均設(shè)置為40g，桿為2g。

2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析

2.1 在光滑平面上的運(yùn)動(dòng)分析

設(shè)置A，B之間為轉(zhuǎn)動(dòng)副，轉(zhuǎn)動(dòng)副之間存在摩擦力，靜摩擦系數(shù)為0.5，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.3，摩擦力臂為1.0。施加驅(qū)動(dòng)disp（time）=0.1*cos（time）。設(shè)置A，B與地面接觸力不存在摩擦。通過(guò)Z向角速度與時(shí)間曲線可以看出，在沒(méi)有摩擦存在的情況下，機(jī)器人出現(xiàn)在原地打轉(zhuǎn)現(xiàn)象，不能正常運(yùn)動(dòng)。由此可得，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)是依靠與地面的摩擦力進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的。

2.2 在粗糙平面上的運(yùn)動(dòng)分析

轉(zhuǎn)動(dòng)副設(shè)置參數(shù)與光滑平面中的類似。設(shè)置A，B與地面接觸力存在庫(kù)倫摩擦，靜摩擦系數(shù)為0.3，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1，得到圖2位移隨時(shí)間變化曲線。

可以看出，在摩擦系數(shù)較低的情況下，機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在頻繁的倒退現(xiàn)象，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)速度十分緩慢。

2.3 更改摩擦系數(shù)，在粗糙平面上的運(yùn)動(dòng)分析

分別取以下幾組摩擦系數(shù)代入仿真：

（1）靜摩擦系數(shù)為0.8 動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1。

（2）靜摩擦系數(shù)為0.3 動(dòng)摩擦系數(shù)為0.8。

（3）動(dòng)摩擦系數(shù)靜摩擦系數(shù)均為0.8。

得出位移隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行對(duì)比，可以得出（1）情況下相同時(shí)間運(yùn)動(dòng)位移最長(zhǎng)，可以達(dá)到2（靜摩擦系數(shù)為0.3，動(dòng)摩擦系數(shù)0.1情況下）位移長(zhǎng)度的3倍（但是仍然存在后退現(xiàn)象）。

2.4 單向摩擦下的運(yùn)動(dòng)分析

將接觸力中的庫(kù)侖摩擦去除，在機(jī)器人與地面接觸面上加上單向力以模仿單向摩擦狀態(tài)（即機(jī)器人在正運(yùn)動(dòng)方向上不存在摩擦力，機(jī)器人在反向運(yùn)動(dòng)方向上存在摩擦力為0.04N（摩擦系數(shù)為0.5情況下）的摩擦力）。可以得到位移隨時(shí)間變化曲線。可以看出，在單向摩擦狀態(tài)下，機(jī)器人后退現(xiàn)象明顯減少，運(yùn)動(dòng)速度變快。

由此得出，機(jī)器人平均速度與靜摩擦系數(shù)成正比，與動(dòng)摩擦系數(shù)成反比，且使用單向摩擦材料可以避免后退。

3 模擬在水平放置管道運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析

目前仿尺蠖機(jī)器人廣泛應(yīng)用于膠囊機(jī)器人與救援方面，其工作環(huán)境往往為狹窄的圓形管道，因此有必要進(jìn)行機(jī)器人在管道中的運(yùn)動(dòng)分析。將機(jī)器人放置在一圓形管道內(nèi)，設(shè)置動(dòng)摩擦系數(shù)為0.5，靜摩擦系數(shù)為0.3，其余參數(shù)與2一致。得到位移隨時(shí)間變化曲線。由此可得機(jī)器人可以在管道內(nèi)正常運(yùn)動(dòng)，但是在低摩擦系數(shù)的管道內(nèi)，運(yùn)動(dòng)速度較慢。

4 機(jī)器人內(nèi)部驅(qū)動(dòng)

圖3為在A，B部分內(nèi)的裝置，由一步進(jìn)電機(jī)與一行星齒輪組成。以A中裝置舉例，一步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪1再驅(qū)動(dòng)齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪2與固連在B上的橫桿相連接，帶動(dòng)橫桿作行星運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)B運(yùn)動(dòng)；同時(shí)B中裝置同樣可以帶動(dòng)A運(yùn)動(dòng)。由于步進(jìn)電機(jī)的角位移與脈沖個(gè)數(shù)成正比，因此可以通過(guò)輸入同樣的脈沖個(gè)數(shù)，使A，B內(nèi)步進(jìn)電機(jī)角位移一致，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

5 仿尺蠖機(jī)器人的特點(diǎn)

通過(guò)仿真可以看出，仿尺蠖機(jī)械爬行式機(jī)器人對(duì)于運(yùn)動(dòng)表面粗糙度具有很高的要求，在高靜摩擦系數(shù)下可以較穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)（依然存在后退現(xiàn)象），但是在低靜摩擦系數(shù)下則會(huì)出現(xiàn)原地打轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)失效。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可以在機(jī)器人表面采用單向摩擦且靜摩擦系數(shù)較大的材料以減小機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的頻繁后退。

該機(jī)器人不適合在重負(fù)載下運(yùn)動(dòng)，由于電機(jī)選用的為步進(jìn)電機(jī)，在負(fù)載過(guò)大情況下會(huì)出現(xiàn)失步。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋巖.新型尺蠖式爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)及樣機(jī)研制.

[2]李增剛.ADAMS入門(mén)詳解與實(shí)例.