基于ADAMS的仿尺蠖机械式爬行机器人运动分析

扈航 杨修平

摘 要：尺蠖利用背部肌肉伸缩从而实现运动，即伸展身体的前部，再挪移身体的后部。通过观察尺蠖的运动形式，发现仿尺蠖类机器人具有结构简单，原理简单等特点。在分析过程中，首先利用Solidworks进行建模，然后利用ADAMS软件进行仿真分析，模拟机器人的运动方式，验证该运动的可行性。

关键词：尺蠖；机器人；ADAMS；运动分析

1 机器人结构组成

该机器人大体由两部分组成，分别为A.B。两部分之间由横杆进行连接。左侧横杆固连在A，右侧横杆固连在B。A，B与横杆之间存在转动副。内部电机驱动A，B以一定相位差绕横杆转动，即A先向前运动，然后B再跟進运动同样的距离，按照这样的运动形式实现向前运动。A，B质量均设置为40g，杆为2g。

2 机器人运动分析

2.1 在光滑平面上的运动分析

设置A，B之间为转动副，转动副之间存在摩擦力，静摩擦系数为0.5，动摩擦系数为0.3，摩擦力臂为1.0。施加驱动disp（time）=0.1*cos（time）。设置A，B与地面接触力不存在摩擦。通过Z向角速度与时间曲线可以看出，在没有摩擦存在的情况下，机器人出现在原地打转现象，不能正常运动。由此可得，机器人运动是依靠与地面的摩擦力进行运动的。

2.2 在粗糙平面上的运动分析

转动副设置参数与光滑平面中的类似。设置A，B与地面接触力存在库伦摩擦，静摩擦系数为0.3，动摩擦系数为0.1，得到图2位移随时间变化曲线。

可以看出，在摩擦系数较低的情况下，机器人在运动过程中存在频繁的倒退现象，导致运动速度十分缓慢。

2.3 更改摩擦系数，在粗糙平面上的运动分析

分别取以下几组摩擦系数代入仿真：

（1）静摩擦系数为0.8 动摩擦系数为0.1。

（2）静摩擦系数为0.3 动摩擦系数为0.8。

（3）动摩擦系数静摩擦系数均为0.8。

得出位移随时间变化曲线进行对比，可以得出（1）情况下相同时间运动位移最长，可以达到2（静摩擦系数为0.3，动摩擦系数0.1情况下）位移长度的3倍（但是仍然存在后退现象）。

2.4 单向摩擦下的运动分析

将接触力中的库仑摩擦去除，在机器人与地面接触面上加上单向力以模仿单向摩擦状态（即机器人在正运动方向上不存在摩擦力，机器人在反向运动方向上存在摩擦力为0.04N（摩擦系数为0.5情况下）的摩擦力）。可以得到位移随时间变化曲线。可以看出，在单向摩擦状态下，机器人后退现象明显减少，运动速度变快。

由此得出，机器人平均速度与静摩擦系数成正比，与动摩擦系数成反比，且使用单向摩擦材料可以避免后退。

3 模拟在水平放置管道运动，进行运动分析

目前仿尺蠖机器人广泛应用于胶囊机器人与救援方面，其工作环境往往为狭窄的圆形管道，因此有必要进行机器人在管道中的运动分析。将机器人放置在一圆形管道内，设置动摩擦系数为0.5，静摩擦系数为0.3，其余参数与2一致。得到位移随时间变化曲线。由此可得机器人可以在管道内正常运动，但是在低摩擦系数的管道内，运动速度较慢。

4 机器人内部驱动

图3为在A，B部分内的装置，由一步进电机与一行星齿轮组成。以A中装置举例，一步进电机转子带动齿轮1转动，齿轮1再驱动齿轮2转动。齿轮2与固连在B上的横杆相连接，带动横杆作行星运动从而带动B运动；同时B中装置同样可以带动A运动。由于步进电机的角位移与脉冲个数成正比，因此可以通过输入同样的脉冲个数，使A，B内步进电机角位移一致，从而驱动机器人运动。

5 仿尺蠖机器人的特点

通过仿真可以看出，仿尺蠖机械爬行式机器人对于运动表面粗糙度具有很高的要求，在高静摩擦系数下可以较稳定的运动（依然存在后退现象），但是在低静摩擦系数下则会出现原地打转，运动失效。针对这个问题，可以在机器人表面采用单向摩擦且静摩擦系数较大的材料以减小机器人运动过程中的频繁后退。

该机器人不适合在重负载下运动，由于电机选用的为步进电机，在负载过大情况下会出现失步。

参考文献：

[1]宋岩.新型尺蠖式爬行机器人的设计及样机研制.

[2]李增刚.ADAMS入门详解与实例.