基于ADAMS六足高層建筑清潔機器人的建模與仿真

王再英，楊宇婷，尚東森

（1.西安科技大學 電氣與控制工程學院，西安 710054；2.西安科技大學 機械工程學院，西安 710054）

0 引言

隨著經濟的快速發展，城市高層建筑開始大量涌現。常年裸露造成的風化和復雜污染物的污染、酸堿侵蝕、灰塵堆積，都成為其清潔過程中需克服的困難[1～3]。我國高層建筑的清潔大多依賴人力，勞動強度大、施工效率低、危險性高，易出現高空墜落傷亡等各類安全事故，因此，用機器代替人工在高空進行清潔作業的智能清潔機器人具有非常廣闊的市場[4]。對上述問題，本文在原有智能化機器人系統的基礎上，提出了一種適合高空清潔作業的機器人，其目的主要是研發出適合在高空環境下的高層建筑清潔作業機器人。

由于機器人的研發需頻繁地改變設計與大量實驗，耗去大量的時間和精力。為此，選用SolidWorks三維建模軟件構建機器人的三維實體模型，并將并將模型導入ADAMS仿真軟件中。ADAMS系統輸出運動學仿真結果[5～7]，以實現對六足高層建筑清潔機器人的運動學研究[8,9]。

1 機器人結構設計

1.1 基本結構

本文設計了一種六爪高層建筑清潔機器人，結構設計如圖1所示。機器人本體是一個上下兩層的等邊三角形吸附結構，兩個三角形重疊部分構成六邊形，六邊形的內切圓放置六自由度運動平臺。為了保護機器人的核心部件，在設計安裝時，將清潔刷等硬件裝置安裝在下層底板，控制裝置安裝在上層底板，達到保護目的。

圖1 機器人結構設計圖

機器人在垂直立面上移動比在地面上移動更加困難。為了增大吸附力，提高吸附結構的可靠性，設計一個觸腳上安裝多個吸盤的結構，這也避免了當立面不平時因為單個吸盤漏氣而出現吸附力下降[10,11]。機器人的6條腿均勻安裝在三角形的頂角處，移動時依靠上下兩層的三角形中的3條腿分別構成穩定的三角形支撐，每條腿部觸腳部分別安裝三個硬質吸盤構成三角形以實現再次穩定。

1.2 工作原理

軀干部分安裝六自由度微動平臺，通過控制六個氣缸的伸縮運動，完成六自由度運動機構在空間六個自由度，即三維空間上的運動[12]，為移動提供條件。將機器上層3條腿標記為1、3、5，下層3條腿標記為2、4、6。每只腿頂端的半球形鉸鏈接頭與底板相接，腿部結構為電動推桿，實現可伸縮。

機器人沿壁面上移的過程可通過其爬升一個步程為例來說明。初始狀態如圖2(a)所示，6條腿全部吸附。啟動后，控制機器人中的氣缸使上層組中的1、3、5腿吸盤釋放空氣并使腿部縮回。六自由度運動平臺作用使上層底板上移帶動上層組中1、3、5腿向上移，腿部伸出，觸腳部真空吸盤吸附在壁面上。當1、3、5腿吸附穩定后，上層組上移并吸附完成，達到如圖2(b)所示的狀態。下層組同理進行上移與吸附，循環圖2左和右的運動狀態，以此達到前進目的。每完成一次完整的上移吸附后，控制系統控制下底盤中清潔裝置進行清潔，從而機器人完成攀爬與清潔。

圖2 機器人6條腿分布圖

2 機器人三維模型建立

2.1 模型假設

六足高層建筑機器人的運動形式及其過程比較復雜，并且擁有多個自由度。機器人內部各關節之間的相互作用關系很難準確定義，因此，很難建立機器人柔性系統模型[5]。為了簡化問題，研究中進行以下假設：

1）假設機器人只需要計算足部與壁面的接觸摩擦力，并且假定機器人所有部件都是質量均勻分布的 剛體。

2）每一層上的吸盤計算時等效為一個吸盤。

3）機器人所受合力等效于其中心點，其驅動函 數[13,14]如下式所示：

2.2 SolidWorks三維實體模型建立

SolidWorks是一款功能強大的三維建模軟件，操作使用便利，并且可以很好的和仿真軟件進行聯合建模仿真。利用SolidWorks進行實體建模的時，首先要明確機器人各部分零件，根據機器人各部分的尺寸創建零件圖。零件圖生成后，按設計要求逐個組裝各部件，并根據不同的連接方式進行相應的約束添加。在上述假設的基礎上，利用三維建模軟件SolidWorks建立六足高層建筑機器人的模型。

2.3 ADAMS虛擬樣機建立

在建立ADAMS虛擬樣機時，將裝配好的三維實體模型保存成Para solid格式后導入ADAMS中[15]，合并構件，賦予幾何材質定義各部件的材料屬性。根據六足機器人的結構、運動特征，對六足機器人的模型進行約束的添加，通過ADAMS中Tool/Model Verify功能，驗證模型能按照設計的六足高層建筑機器人的運動方式 運動。

在機器人的運動仿真中，首先要確定基礎運動面。為方便繪制，選用地面假設為壁面，則機器人中心點的運動激勵為y軸上的激勵，在壁面上的運動等效為在y軸上的運動。機器人上下底板與六自由度運動平臺固定，添加固定副（Fixed joint），六自由度平臺移動帶動機器人運動。軀干部分為六自由度運動平臺，六自由度平臺里每一個伸縮桿均為移動關節，每條腿的電動推桿亦為移動關節，添加12個移動副（Mobile joint） 。建立好的六足高層建筑機器人的ADAMS虛擬樣機模型如圖3所示。

3 機器人仿真分析

虛擬樣機建模完成后，可對模型在設計之初所預想達到的各種工況進行仿真分析, 查看模型的運動狀況，判斷各構件之間是否存在干涉，機構運行是否滿足設計要求，考察和評價機構的速度和加速度等特性，檢驗結構設計的合理性，最終使結構達到最優化，提高整機 性能[16]。

圖3 六足高層建筑機器人的ADAMS虛擬樣機模型

3.1 仿真設計

該機器人設計的關鍵是如何通過六自由度微動平臺和機器人腿部電動缸的伸縮，實現其穩定吸附與移動功能，使其能快速準確地到達指定位置進行清潔。利用ADAMS軟件對所設計的構件進行仿真分析，研究其能否滿足實際要求，為進一步優化設計奠定基礎。

對6個氣缸的伸縮量、速度、加速度進行分析，驗證機器人能否滿足在清潔過程中穩定要求。對機器人在3個方向的位移、速度、加速度變化進行分析，觀察機器人在三維空間的運動狀態是否滿足設計的清潔過程中在可上下移動以及穩定吸附功能。是否能做到在y軸上有上下移動和移動后穩定在該位移的狀態；是否在z軸上一直處于一定位移（機器人自身高度在運動中不發生變化）；是否在x軸上無位移（上下移動，無左右偏移）。

設置參數，對模型行運動仿真，中心點實現函數（1）、（2）、（3）所定義的運動激勵。利用ADAMS/View 提供的對象測量功能，得到機器人6個電動缸的伸縮量、速度、加速度變化曲線如圖4以及機器人在 x，y，z方向上的位移、速度、加速度變化曲線如圖5所示。

圖4 6個氣缸的伸縮量、速度、加速度隨時間變化圖

圖5 機器人在三個方向的位移、速度、加速度隨時間變化圖

3.2 仿真結果分析

從氣缸伸縮量隨時間變化圖（圖4(a)可以看出，機器人在上移過程中，氣缸2、4、5作為主支撐上移缸伸縮量數值變化明顯，氣缸1、3、6作為輔助上移缸伸縮量數值變化相對較弱，與實際情況相符合，說明整機設計比較合理。與此同時，根據圖中氣缸位移的最高與最低點，可以計算得到氣缸的伸縮量，為氣缸的選取提供理論參考。在圖4(b)，圖4(c)氣缸速度與加速度圖中，6個氣缸速度與加速度數值保持同步，說明能較好地滿足清潔機器人在清潔過程中穩定要求，圖中的數值變化可為氣缸的伺服電機的選取提供數據。

機器人在3個方向的位移隨時間變化圖（圖5(a)）可以看出：z軸位移保持不變，說明機器人吸附穩定，沒有出現由吸附不穩而墜落的可能；y軸有明顯的上升，下降和平穩的狀態，說明機器人可以實現在壁面上上下移動，以及機器人平穩時進行清潔過程，可實現清潔機器人的吸附移動與穩定清潔的功能；x軸有稍許波動，應是在機器人移動過程中有左右搖擺的可能，但并不影響整體效果。從整體看來，設計符合實際的高層建筑清潔的過程與要求。機器人在三個方向速度與加速度隨時間變化圖（圖5(b)，圖5(c)，圖中可以得到機器人在x，y，z三個方向上的運動規律與位移規律是一致的，再次驗證機器人工作過程中符合理論規劃，滿足設計要求。

4 結論

通過對六足高層建筑清潔機器人進行運動仿真，仿真結果表明：該清潔機器人結構合理、控制容易，能夠達到預先設計的運動要求。在清潔機器人3個方向的位移隨時間變化圖中可以觀察到機器人運動仿真過程中還存在一定的問題，如，在上移過程中有x軸有稍許波動，這表示機器人在上移過程中有左右搖擺的可能，需要進一步的優化運動學仿真中的驅動函數。通過 ADAMS強大的后處理模塊，得到了機器人的運動學特性與數據，為其樣機的研制提供參考依據。