基于ADAMS的柔索行走機器人機構(gòu)仿真分析

劉毅　杜燕飛　孫漢文　劉志春

摘 要：針對柔索行走機器人結(jié)構(gòu)特點，建立柔索行走機器人三維模型，并基于ADAMS仿真軟件構(gòu)建機器人虛擬樣機模型，模擬了仿真機器人跨越防震錘的整個過程，并得到了機器人各行走輪的位移-時間曲線，驗證了模型設(shè)計和越障過程的合理性，為機構(gòu)設(shè)計提供數(shù)據(jù)方面的參考，為柔索行走機器人的研發(fā)提供可靠有力的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：柔索行走；機器人；ADAMS；運動學(xué)仿真

近年來，機器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。尤其是用機器人代替人工實現(xiàn)柔索線路的自動化巡檢已經(jīng)成為目前電力機器人研究的熱點之一。機器人仿真系統(tǒng)作為機器人設(shè)計和研究中方便、可靠的工具越來越受到重視，目前機器人動力學(xué)研究的主要方法有拉格朗日法、牛頓—歐拉法和凱恩方法等[ 1 ]，南京林業(yè)大學(xué)的陳波等人利用三維建模軟件SolidWorks和ADAMS聯(lián)合建立仿生六足機器人的仿真模型[ 2 ]。

本文根據(jù)巡檢機器人的工作環(huán)境及功能要求，對巡檢機器人的本體結(jié)構(gòu)進行了詳細設(shè)計，并對巡檢機器人的越障過程進行了規(guī)劃[ 3 ]。并利用ADAMS虛擬樣機對機器人的剛體模型和剛?cè)峄旌夏Ｐ偷脑秸线^程進行了詳細的仿真分析，驗證了機器人越障的穩(wěn)定性和動作規(guī)劃的合理性。

1 基于ADAMS的高空作業(yè)機器人越障過程仿真分析

機器人在跨越障礙時，需要通過各手臂的配合動作來調(diào)整機器人的姿勢，這就要求機器人具有良好的穩(wěn)定性[ 4 ]。

直接在ADAMS中建立機器人模型的過程較為復(fù)雜，因此為簡化操作步驟，在SolidWorks中建立機器人三維模型后，導(dǎo)入ADAMS軟件中[ 5 ]。具體操作步驟如圖1所示：

通過以上步驟，將機器人虛擬樣機導(dǎo)入ADAMS軟件中。

1.1 高空作業(yè)機器人越障過程分析

根據(jù)機器人實際跨越防震錘的情況，對各驅(qū)動添加相應(yīng)的函數(shù)表示[ 6 ]，仿真機器人跨越防震錘的整個過程。

具體越障過程如圖2所示：

機器人初始狀態(tài)如圖（1）所示。

三臂同時掛線，且處于收縮狀態(tài)，當前臂檢測到障礙時，手臂伸長，行走輪脫離導(dǎo)線然后打開，然后調(diào)整手臂關(guān)節(jié)完成前臂的越障，機器人繼續(xù)前行至中臂上安裝的光電傳感器檢測到障礙，為保證中臂和后臂的順利越障，前臂伸長掛線的同時調(diào)整后臂的姿態(tài)，增大前后臂行走機構(gòu)之間的距離。中臂伸長，行走輪打開，完成脫線動作，中臂收縮的同時前后臂伸長使控制箱下降，保證中臂行走輪的順利避障，如圖（2）-（4）所示。

因行走輪打開距離大于障礙物直徑，故行走輪可直接穿過障礙物，機器人繼續(xù)前行，后臂遇到障礙，中臂和后臂完成掛線動作，三臂恢復(fù)初始狀態(tài)，如圖（5）-（6）所示。機器人在三臂的配合下平穩(wěn)快速地完成了整個越障過程。

1.2 高空作業(yè)機器人運動學(xué)仿真分析

在對機器人跨越防震錘的過程進行仿真后，利用ADAMS的后處理模塊得到機器人行走輪在X、Y、Z三個方向的位移-時間曲線如圖3所示。

圖中X向表示機器人的前進方向，Y向表示機器人或手臂的豎直移動方向，Z向表示行走輪的開合方向。0-1.5s三個行走輪同時驅(qū)動機器人前進，X向位移增加，1.5s時前臂傳感器檢測到障礙，機器人停止前進；1.5s-6.5s前后臂配合動作完成前臂的越障過程，前臂伸長，行走輪打開脫線，重新掛線。由于行走輪和導(dǎo)線之間接觸力的存在，前行走輪在Z方向會出現(xiàn)突變，符合實際情況，。8-12.5s表示中臂檢測到障礙，前后臂伸長，Y向位移增大，然后前行走輪掛線，閉合，Z向位移發(fā)生相應(yīng)變化，如12.5-16s所示。中臂檢測到障礙，上升，行走輪打開，然后下降，中臂Y向曲線先上升后下降。26.5s時后臂檢測到障礙，中臂上升完成掛線，此時中臂越障過程結(jié)束；后臂在34-48s內(nèi)進行和前臂相同的越障過程，48-50s機器人繼續(xù)前行，整個越障過程需要50s。通過提高機器人的行走速度可進一步縮短越障時間。

通過分析機器人的整個越障過程可以看出：

1）機器人控制箱的質(zhì)心位移反映了整個機器人的重心變化，機器人在前、后機械臂脫離導(dǎo)線時會出現(xiàn)一定的波動，后逐漸趨于平穩(wěn)。

2）整個機器人在跨越防震錘是所需時間為50s，提高了越障效率。

3）各個行走輪在整個越障過程中位移的變化也比較平穩(wěn)，驗證了越障步驟規(guī)劃的科學(xué)性和合理性，同時驗證了模型的可行性。

2 結(jié)論

本文用ADAMS建立了巡檢機器人的虛擬樣機，對柔索行走機器人的越障過程進行了詳細的動力學(xué)仿真分析。得出機器人越障時各手臂以及行走輪的位移、速度仿真曲線，驗證了機器人越障（下轉(zhuǎn)第9頁）（上接第7頁）動作規(guī)劃的合理性和結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，對評價機器人的綜合性能起到了一定的借鑒作用。

參考文獻：

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[4] 連金玲.氣動式輸電線路除冰機器人機械本體研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2012.

[5] 鄭建榮.ADAMS虛擬樣機技術(shù)入門與提高[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[6] 蔡自興.機器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

作者簡介：

劉毅（1991-），男，漢族，山東德州人，碩士，山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，機械制造及其自動化專業(yè)；

杜燕飛（1994-），男，漢族，山東菏澤人，本科，山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，過程裝備與控制工程專業(yè)；

孫漢文（1995-），男，漢族，山東棲霞人，本科，山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，過程裝備與控制工程專業(yè)；

劉志春（1996-），男，漢族，山東滕州人，本科，山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，機械電子工程專業(yè)。