韓興言，岳 林

（山西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治046011）

基于ADAMS的蛇形機器人運動仿真研究

韓興言，岳 林

（山西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治046011）

本文主要對蛇形機器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進行模塊化設(shè)計，對結(jié)構(gòu)特點進行分析，給出結(jié)構(gòu)參數(shù)。對蛇形機器人主要的爬坡運動進行運動分析和動作規(guī)劃，并利用ADAMS軟件對運動情況進行仿真，分析了爬坡運動參數(shù)和關(guān)節(jié)力矩變化情況，為蛇形機器人的運動規(guī)劃提供了較為完整的技術(shù)依據(jù)。

蛇形機器人；受力分析；ADAMS模擬仿真

0 引言

蛇形機器人在軍事和民用領(lǐng)域中應(yīng)用很廣泛，隨著對機器人研究的不斷進步其功能增強，為人類提供更好的服務(wù)。在軍事上，蛇形機器人可以執(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，蛇形機器人相對于輪式機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)行檢測任務(wù)，能代替人類在危險的未知區(qū)域執(zhí)行探索任務(wù)。由于其細長靈活的結(jié)構(gòu)特點，可以用于飛機維修、檢測環(huán)境、獲取氣體或土壤樣品等任務(wù)[2]。本文以蛇形機器人爬坡過程的運行規(guī)劃和仿真為例，得出蛇形機器人在運動過程中所需要的條件以及在運動過程中受到的干擾，為蛇形機器人的設(shè)計提供足夠的技術(shù)支撐。

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

該蛇形機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驅(qū)動式結(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)計方案見圖1.

圖1 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)：關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動機械范圍±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度為104 mm）。

本關(guān)節(jié)設(shè)計方案連接板采用U型，能承受較大的外力；在傳動方式上采用圓弧齒同步帶傳動，使傳動比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕；在模塊間的連接方式上，采用了快速接頭，可實現(xiàn)模塊間的快速組裝與拆卸。關(guān)節(jié)設(shè)計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)動力矩，關(guān)節(jié)以相同的方式抬起多個前端模塊。

2 蛇形機器人的爬坡運動規(guī)劃

在蛇形機器人進行爬坡運動時，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，通過履帶驅(qū)動使之前進[3]。機器人爬坡時，各個模塊履帶驅(qū)動速度相同，由于其速度較小，可忽略其空氣阻力，機器人所受阻力主要為上坡阻力和地面阻力，機器人單個模塊爬坡時的受力平衡方程為：

其中F為穩(wěn)定工作時舵機驅(qū)動在履帶上產(chǎn)生的牽引力，m為單個模塊質(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。

機器人模塊要在斜坡上平穩(wěn)行走需要滿足兩個條件：

（1）驅(qū)動條件

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)。如果不能滿足條件（1），履帶牽引力不能克服地面阻力，機器人不能前行；如果不能滿足條件（2），地面附著力不能提供機器人前進的動力，機器人會原地滑轉(zhuǎn)不能前進[7]。只有同時滿足以上兩個條件時機器人模塊才能穩(wěn)定爬坡，即

由上式可知機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。

同時蛇形機器人能否爬上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，α 的影響如圖 2所示。

圖2 爬坡角度與機械人受力關(guān)系

由圖2可以看出：隨著坡度角的增大，地面附著能力會不斷下降，地面阻力將增加，當(dāng)履帶驅(qū)動力F位于陰影區(qū)域內(nèi)時機器人能夠?qū)崿F(xiàn)爬坡運動，兩曲線交點A對應(yīng)坡度角α為該工況下的最大爬坡角度。

3 蛇形機器人運動仿真設(shè)計

如圖3所示，為了提高其通過能力，機器人爬坡過程中呈直線垂直于斜坡方向前進，蛇形機器人的關(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，依靠履帶驅(qū)動力推動機器人爬坡。其運動形式與直線運動形式相同，只是驅(qū)動力需要克服機器人重力做功。根據(jù)設(shè)計要求，仿真中該蛇形機器人能夠爬越坡度為30°的斜坡。蛇形機器人爬坡過程的位移、速度、加速度曲線如圖4所示，前進速度在 0.28 m/s左右波動，其加速度會出現(xiàn)瞬時的較大峰值。由圖5各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角速度曲線可知，在蛇形機器人爬坡過程中關(guān)節(jié)角度會發(fā)生波動；由圖6各關(guān)節(jié)力矩曲線可知各關(guān)節(jié)只會在某一瞬時出現(xiàn)較大力矩，這是由于在蛇形機器人爬坡時發(fā)生振動引起的。

圖3 爬坡運動仿真

圖4 爬坡運動各模塊位移、速度、加速度曲

圖5 爬坡運動各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角速度曲線

圖6 爬坡運動各關(guān)節(jié)力矩曲線

4 結(jié)束語

本文針對考古用預(yù)探測機器人的設(shè)計要求進行調(diào)研，設(shè)計了具有通用性模塊化的蛇形機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)，模塊間可以實現(xiàn)快速組裝，對蛇形機器人的運動進行分析規(guī)劃，并利用ADAMS虛擬樣機仿真軟件對各項運動進行了運動仿真驗證，本設(shè)計蛇形機器人基于可重構(gòu)思想采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，模塊間可以實現(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)機構(gòu)采用差速耦合驅(qū)動結(jié)構(gòu)，大大提高了關(guān)節(jié)機構(gòu)的驅(qū)動力矩。是該蛇形機器人的一個特點。

[1]張玲玲．蛇形機器人的機構(gòu)設(shè)計和運動研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

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

[3]崔 春.仿生蛇的設(shè)計及其運動仿真[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

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

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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：機械制造與維修。