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摘要:尺蠖利用背部肌肉伸縮從而實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)仿尺蠖類機器人具有結(jié)構(gòu)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(guān)鍵詞:尺蠖;機器人;ADAMS;運動分析

1機器人結(jié)構(gòu)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(cè)橫桿固連在A，右側(cè)橫桿固連在B。A，B與橫桿之間存在轉(zhuǎn)動副。內(nèi)部電機驅(qū)動A，B以一定相位差繞橫桿轉(zhuǎn)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(xiàn)向前運動。A，B質(zhì)量均設(shè)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(shè)置A，B之間為轉(zhuǎn)動副，轉(zhuǎn)動副之間存在摩擦力，靜摩擦系數(shù)為0．5，動摩擦系數(shù)為0．3，摩擦力臂為1．0。施加驅(qū)動disp(time)=0．1*cos(time)。設(shè)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(xiàn)在原地打轉(zhuǎn)現(xiàn)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(zhuǎn)動副設(shè)置參數(shù)與光滑平面中的類似。設(shè)置A，B與地面接觸力存在庫倫摩擦，靜摩擦系數(shù)為0．3，動摩擦系數(shù)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(shù)較低的情況下，機器人在運動過程中存在頻繁的倒退現(xiàn)象，導(dǎo)致運動速度十分緩慢。

2．3更改摩擦系數(shù)，在粗糙平面上的運動分析

分別取以下幾組摩擦系數(shù)代入仿真:(1)靜摩擦系數(shù)為0．8動摩擦系數(shù)為0．1。(2)靜摩擦系數(shù)為0．3動摩擦系數(shù)為0．8。(3)動摩擦系數(shù)靜摩擦系數(shù)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(shù)為0．3，動摩擦系數(shù)0．1情況下)位移長度的3倍(但是仍然存在后退現(xiàn)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(tài)(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(shù)為0．5情況下)的摩擦力)?？梢缘玫轿灰齐S時間變化曲線?？梢钥闯?，在單向摩擦狀態(tài)下，機器人后退現(xiàn)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(shù)成正比，與動摩擦系數(shù)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(yīng)用于膠囊機器人與救援方面，其工作環(huán)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(nèi)，設(shè)置動摩擦系數(shù)為0．5，靜摩擦系數(shù)為0．3，其余參數(shù)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(nèi)正常運動，但是在低摩擦系數(shù)的管道內(nèi)，運動速度較慢。

4機器人內(nèi)部驅(qū)動

圖3為在A，B部分內(nèi)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(zhuǎn)子帶動齒輪1轉(zhuǎn)動，齒輪1再驅(qū)動齒輪2轉(zhuǎn)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(shù)成正比，因此可以通過輸入同樣的脈沖個數(shù)，使A，B內(nèi)步進電機角位移一致，從而驅(qū)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(shù)下可以較穩(wěn)定的運動(依然存在后退現(xiàn)象)，但是在低靜摩擦系數(shù)下則會出現(xiàn)原地打轉(zhuǎn)，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(shù)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(fù)載下運動，由于電機選用的為步進電機，在負(fù)載過大情況下會出現(xiàn)失步。

參考文獻:

［1］宋巖．新型尺蠖式爬行機器人的設(shè)計及樣機研制．

［2］李增剛．ADAMS入門詳解與實例．

作者：扈航 楊修平 單位：北京工業(yè)大學(xué)