基于ADAMS的仿尺蠖機械式爬行機器人運動分析

扈航 楊修平

摘 要：尺蠖利用背部肌肉伸縮從而實現運動，即伸展身體的前部，再挪移身體的后部。通過觀察尺蠖的運動形式，發現仿尺蠖類機器人具有結構簡單，原理簡單等特點。在分析過程中，首先利用Solidworks進行建模，然后利用ADAMS軟件進行仿真分析，模擬機器人的運動方式，驗證該運動的可行性。

關鍵詞：尺蠖；機器人；ADAMS；運動分析

1 機器人結構組成

該機器人大體由兩部分組成，分別為A.B。兩部分之間由橫桿進行連接。左側橫桿固連在A，右側橫桿固連在B。A，B與橫桿之間存在轉動副。內部電機驅動A，B以一定相位差繞橫桿轉動，即A先向前運動，然后B再跟進運動同樣的距離，按照這樣的運動形式實現向前運動。A，B質量均設置為40g，桿為2g。

2 機器人運動分析

2.1 在光滑平面上的運動分析

設置A，B之間為轉動副，轉動副之間存在摩擦力，靜摩擦系數為0.5，動摩擦系數為0.3，摩擦力臂為1.0。施加驅動disp（time）=0.1*cos（time）。設置A，B與地面接觸力不存在摩擦。通過Z向角速度與時間曲線可以看出，在沒有摩擦存在的情況下，機器人出現在原地打轉現象，不能正常運動。由此可得，機器人運動是依靠與地面的摩擦力進行運動的。

2.2 在粗糙平面上的運動分析

轉動副設置參數與光滑平面中的類似。設置A，B與地面接觸力存在庫倫摩擦，靜摩擦系數為0.3，動摩擦系數為0.1，得到圖2位移隨時間變化曲線。

可以看出，在摩擦系數較低的情況下，機器人在運動過程中存在頻繁的倒退現象，導致運動速度十分緩慢。

2.3 更改摩擦系數，在粗糙平面上的運動分析

分別取以下幾組摩擦系數代入仿真：

（1）靜摩擦系數為0.8 動摩擦系數為0.1。

（2）靜摩擦系數為0.3 動摩擦系數為0.8。

（3）動摩擦系數靜摩擦系數均為0.8。

得出位移隨時間變化曲線進行對比，可以得出（1）情況下相同時間運動位移最長，可以達到2（靜摩擦系數為0.3，動摩擦系數0.1情況下）位移長度的3倍（但是仍然存在后退現象）。

2.4 單向摩擦下的運動分析

將接觸力中的庫侖摩擦去除，在機器人與地面接觸面上加上單向力以模仿單向摩擦狀態（即機器人在正運動方向上不存在摩擦力，機器人在反向運動方向上存在摩擦力為0.04N（摩擦系數為0.5情況下）的摩擦力）。可以得到位移隨時間變化曲線。可以看出，在單向摩擦狀態下，機器人后退現象明顯減少，運動速度變快。

由此得出，機器人平均速度與靜摩擦系數成正比，與動摩擦系數成反比，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動，進行運動分析

目前仿尺蠖機器人廣泛應用于膠囊機器人與救援方面，其工作環境往往為狹窄的圓形管道，因此有必要進行機器人在管道中的運動分析。將機器人放置在一圓形管道內，設置動摩擦系數為0.5，靜摩擦系數為0.3，其余參數與2一致。得到位移隨時間變化曲線。由此可得機器人可以在管道內正常運動，但是在低摩擦系數的管道內，運動速度較慢。

4 機器人內部驅動

圖3為在A，B部分內的裝置，由一步進電機與一行星齒輪組成。以A中裝置舉例，一步進電機轉子帶動齒輪1轉動，齒輪1再驅動齒輪2轉動。齒輪2與固連在B上的橫桿相連接，帶動橫桿作行星運動從而帶動B運動；同時B中裝置同樣可以帶動A運動。由于步進電機的角位移與脈沖個數成正比，因此可以通過輸入同樣的脈沖個數，使A，B內步進電機角位移一致，從而驅動機器人運動。

5 仿尺蠖機器人的特點

通過仿真可以看出，仿尺蠖機械爬行式機器人對于運動表面粗糙度具有很高的要求，在高靜摩擦系數下可以較穩定的運動（依然存在后退現象），但是在低靜摩擦系數下則會出現原地打轉，運動失效。針對這個問題，可以在機器人表面采用單向摩擦且靜摩擦系數較大的材料以減小機器人運動過程中的頻繁后退。

該機器人不適合在重負載下運動，由于電機選用的為步進電機，在負載過大情況下會出現失步。

參考文獻：

[1]宋巖.新型尺蠖式爬行機器人的設計及樣機研制.

[2]李增剛.ADAMS入門詳解與實例.