基于ADAMS的蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真研究

韓興言，岳 林

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治046011）

基于ADAMS的蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真研究

韓興言，岳 林

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治046011）

本文主要對(duì)蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，給出結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)蛇形機(jī)器人主要的爬坡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)作規(guī)劃，并利用ADAMS軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行仿真，分析了爬坡運(yùn)動(dòng)參數(shù)和關(guān)節(jié)力矩變化情況，為蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃提供了較為完整的技術(shù)依據(jù)。

蛇形機(jī)器人；受力分析；ADAMS模擬仿真

0 引言

蛇形機(jī)器人在軍事和民用領(lǐng)域中應(yīng)用很廣泛，隨著對(duì)機(jī)器人研究的不斷進(jìn)步其功能增強(qiáng)，為人類(lèi)提供更好的服務(wù)。在軍事上，蛇形機(jī)器人可以執(zhí)行偵察、監(jiān)視敵情等任務(wù)，這可以降低人員受到傷害甚至減少傷亡；還適用于復(fù)雜操作環(huán)境像沙漠、海洋等[1]。在民用領(lǐng)域中，蛇形機(jī)器人相對(duì)于輪式機(jī)器人與地面的接觸面積較大，在單位面積上的重量較小，適合在土質(zhì)松軟的地區(qū)執(zhí)行檢測(cè)任務(wù)，能代替人類(lèi)在危險(xiǎn)的未知區(qū)域執(zhí)行探索任務(wù)。由于其細(xì)長(zhǎng)靈活的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以用于飛機(jī)維修、檢測(cè)環(huán)境、獲取氣體或土壤樣品等任務(wù)[2]。本文以蛇形機(jī)器人爬坡過(guò)程的運(yùn)行規(guī)劃和仿真為例，得出蛇形機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所需要的條件以及在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的干擾，為蛇形機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供足夠的技術(shù)支撐。

1 機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該蛇形機(jī)器人模塊單元由單元體和連接關(guān)節(jié)組成，單元體用四周履帶主動(dòng)驅(qū)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)用具有偏轉(zhuǎn)與仰俯自由度結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1.

圖1 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)：關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械范圍±90°，質(zhì)量為0.84 kg，外形尺寸為54 mm×54 mm×208 mm（與單元體組裝后占用模塊單元空間長(zhǎng)度為104 mm）。

本關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方案連接板采用U型，能承受較大的外力；在傳動(dòng)方式上采用圓弧齒同步帶傳動(dòng)，使傳動(dòng)比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕；在模塊間的連接方式上，采用了快速接頭，可實(shí)現(xiàn)模塊間的快速組裝與拆卸。關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方案采用差速齒輪耦合結(jié)構(gòu)，可以使關(guān)節(jié)提供很大的驅(qū)動(dòng)力矩，關(guān)節(jié)以相同的方式抬起多個(gè)前端模塊。

2 蛇形機(jī)器人的爬坡運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

在蛇形機(jī)器人進(jìn)行爬坡運(yùn)動(dòng)時(shí)，使關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)自由度固定，仰俯自由度方向可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)履帶驅(qū)動(dòng)使之前進(jìn)[3]。機(jī)器人爬坡時(shí)，各個(gè)模塊履帶驅(qū)動(dòng)速度相同，由于其速度較小，可忽略其空氣阻力，機(jī)器人所受阻力主要為上坡阻力和地面阻力，機(jī)器人單個(gè)模塊爬坡時(shí)的受力平衡方程為：

其中F為穩(wěn)定工作時(shí)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)在履帶上產(chǎn)生的牽引力，m為單個(gè)模塊質(zhì)量，μ為履帶與地面的摩擦系數(shù)，α為坡度角，v為履帶卷繞速度。

機(jī)器人模塊要在斜坡上平穩(wěn)行走需要滿(mǎn)足兩個(gè)條件：

（1）驅(qū)動(dòng)條件

即履帶的牽引力大于或等于地面阻力。

（2）附著條件

其中μ0為地面附著系數(shù)，即地面最大牽引力系數(shù)。如果不能滿(mǎn)足條件（1），履帶牽引力不能克服地面阻力，機(jī)器人不能前行；如果不能滿(mǎn)足條件（2），地面附著力不能提供機(jī)器人前進(jìn)的動(dòng)力，機(jī)器人會(huì)原地滑轉(zhuǎn)不能前進(jìn)[7]。只有同時(shí)滿(mǎn)足以上兩個(gè)條件時(shí)機(jī)器人模塊才能穩(wěn)定爬坡，即

由上式可知機(jī)器人能否正常爬坡與參數(shù) μ、μ0、α有關(guān)[6]。μ和μ0由地面與履帶性質(zhì)決定，表 1、2列出了幾種路面與橡膠履帶的摩擦系數(shù)μ和地面附著系數(shù) μ0的數(shù)值。

同時(shí)蛇形機(jī)器人能否爬上α角度的斜坡還與履帶的外側(cè)齒形有關(guān)[4]。經(jīng)查閱相關(guān)資料得到橡膠與其他材料的摩擦系數(shù)（表1）和地面平均附著系數(shù)（表2）.

表1 橡膠與其它材料摩擦系

表2 地面平均附著系數(shù)

在 μ=0.3、μ0=0.8時(shí)，α 的影響如圖 2所示。

圖2 爬坡角度與機(jī)械人受力關(guān)系

由圖2可以看出：隨著坡度角的增大，地面附著能力會(huì)不斷下降，地面阻力將增加，當(dāng)履帶驅(qū)動(dòng)力F位于陰影區(qū)域內(nèi)時(shí)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)爬坡運(yùn)動(dòng)，兩曲線交點(diǎn)A對(duì)應(yīng)坡度角α為該工況下的最大爬坡角度。

3 蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)

如圖3所示，為了提高其通過(guò)能力，機(jī)器人爬坡過(guò)程中呈直線垂直于斜坡方向前進(jìn)，蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)自由度方向鎖緊，仰俯自由度方向可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠履帶驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)機(jī)器人爬坡。其運(yùn)動(dòng)形式與直線運(yùn)動(dòng)形式相同，只是驅(qū)動(dòng)力需要克服機(jī)器人重力做功。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，仿真中該蛇形機(jī)器人能夠爬越坡度為30°的斜坡。蛇形機(jī)器人爬坡過(guò)程的位移、速度、加速度曲線如圖4所示，前進(jìn)速度在 0.28 m/s左右波動(dòng)，其加速度會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)的較大峰值。由圖5各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度曲線可知，在蛇形機(jī)器人爬坡過(guò)程中關(guān)節(jié)角度會(huì)發(fā)生波動(dòng)；由圖6各關(guān)節(jié)力矩曲線可知各關(guān)節(jié)只會(huì)在某一瞬時(shí)出現(xiàn)較大力矩，這是由于在蛇形機(jī)器人爬坡時(shí)發(fā)生振動(dòng)引起的。

圖3 爬坡運(yùn)動(dòng)仿真

圖4 爬坡運(yùn)動(dòng)各模塊位移、速度、加速度曲

圖5 爬坡運(yùn)動(dòng)各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度曲線

圖6 爬坡運(yùn)動(dòng)各關(guān)節(jié)力矩曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)考古用預(yù)探測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)研，設(shè)計(jì)了具有通用性模塊化的蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，模塊間可以實(shí)現(xiàn)快速組裝，對(duì)蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析規(guī)劃，并利用ADAMS虛擬樣機(jī)仿真軟件對(duì)各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)蛇形機(jī)器人基于可重構(gòu)思想采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模塊間可以實(shí)現(xiàn)快速拆卸與組裝，可以根據(jù)環(huán)境作業(yè)需要增減模塊數(shù)量及其構(gòu)型；其關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)采用差速耦合驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，大大提高了關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力矩。是該蛇形機(jī)器人的一個(gè)特點(diǎn)。

[1]張玲玲．蛇形機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

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[3]崔 春.仿生蛇的設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)仿真[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

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[6]孫 洪.攀爬蛇形機(jī)器人的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[7]何海東.關(guān)于蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)及控制的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2005.

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Snake-like Robot Motion Simulation Based on ADAMS

HAN Xing-yan，YUE Lin
（Shanxi Institute of Mechanical Electrical＆ Engineering，Changzhi Shanxi 046011，China）

In this paper，the modular design of the joint structure of snake-shaped robot is mainly analyzed and the structural parameters are given.The motion analysis and motion planning of the main creep movement of snake robot were carried out，and the motion condition was simulated by ADAMS software，and the variation of the parameters of the climbing motion and the joint moment was analyzed.It provides a complete technical basis for the motion planning of snake robot.

snake like robot；force analysis；ADAMS simulation

TH112

A

1672-545X（2017）09-0029-03

2017-06-29

韓興言（1977-），男，河南永城人，講師，研究方向：機(jī)械制造與維修。