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摘要:尺蠖利用背部肌肉伸縮從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，即伸展身體的前部，再挪移身體的后部。通過觀察尺蠖的運(yùn)動(dòng)形式，發(fā)現(xiàn)仿尺蠖類機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單，原理簡單等特點(diǎn)。在分析過程中，首先利用Solidworks進(jìn)行建模，然后利用ADAMS軟件進(jìn)行仿真分析，模擬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，驗(yàn)證該運(yùn)動(dòng)的可行性。
關(guān)鍵詞:尺蠖;機(jī)器人;ADAMS;運(yùn)動(dòng)分析
1機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成
該機(jī)器人大體由兩部分組成，分別為A．B。兩部分之間由橫桿進(jìn)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(dòng)副。內(nèi)部電機(jī)驅(qū)動(dòng)A，B以一定相位差繞橫桿轉(zhuǎn)動(dòng)，即A先向前運(yùn)動(dòng)，然后B再跟進(jìn)運(yùn)動(dòng)同樣的距離，按照這樣的運(yùn)動(dòng)形式實(shí)現(xiàn)向前運(yùn)動(dòng)。A，B質(zhì)量均設(shè)置為40g，桿為2g。
2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析
2．1在光滑平面上的運(yùn)動(dòng)分析
設(shè)置A，B之間為轉(zhuǎn)動(dòng)副，轉(zhuǎn)動(dòng)副之間存在摩擦力，靜摩擦系數(shù)為0．5，動(dòng)摩擦系數(shù)為0．3，摩擦力臂為1．0。施加驅(qū)動(dòng)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(shí)間曲線可以看出，在沒有摩擦存在的情況下，機(jī)器人出現(xiàn)在原地打轉(zhuǎn)現(xiàn)象，不能正常運(yùn)動(dòng)。由此可得，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)是依靠與地面的摩擦力進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的。
2．2在粗糙平面上的運(yùn)動(dòng)分析
轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)摩擦系數(shù)為0．1，得到圖2位移隨時(shí)間變化曲線。可以看出，在摩擦系數(shù)較低的情況下，機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中存在頻繁的倒退現(xiàn)象，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)速度十分緩慢。
2．3更改摩擦系數(shù)，在粗糙平面上的運(yùn)動(dòng)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(dòng)摩擦系數(shù)為0．1。(2)靜摩擦系數(shù)為0．3動(dòng)摩擦系數(shù)為0．8。(3)動(dòng)摩擦系數(shù)靜摩擦系數(shù)均為0．8。得出位移隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行對(duì)比，可以得出(1)情況下相同時(shí)間運(yùn)動(dòng)位移最長，可以達(dá)到2(靜摩擦系數(shù)為0．3，動(dòng)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(yùn)動(dòng)分析
將接觸力中的庫侖摩擦去除，在機(jī)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(jī)器人在正運(yùn)動(dòng)方向上不存在摩擦力，機(jī)器人在反向運(yùn)動(dòng)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)。可以得到位移隨時(shí)間變化曲線。可以看出，在單向摩擦狀態(tài)下，機(jī)器人后退現(xiàn)象明顯減少，運(yùn)動(dòng)速度變快。由此得出，機(jī)器人平均速度與靜摩擦系數(shù)成正比，與動(dòng)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(yùn)動(dòng)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析
目前仿尺蠖機(jī)器人廣泛應(yīng)用于膠囊機(jī)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(jìn)行機(jī)器人在管道中的運(yùn)動(dòng)分析。將機(jī)器人放置在一圓形管道內(nèi)，設(shè)置動(dòng)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(shí)間變化曲線。由此可得機(jī)器人可以在管道內(nèi)正常運(yùn)動(dòng)，但是在低摩擦系數(shù)的管道內(nèi)，運(yùn)動(dòng)速度較慢。
4機(jī)器人內(nèi)部驅(qū)動(dòng)
圖3為在A，B部分內(nèi)的裝置，由一步進(jìn)電機(jī)與一行星齒輪組成。以A中裝置舉例，一步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪1再驅(qū)動(dòng)齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪2與固連在B上的橫桿相連接，帶動(dòng)橫桿作行星運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)B運(yùn)動(dòng);同時(shí)B中裝置同樣可以帶動(dòng)A運(yùn)動(dòng)。由于步進(jìn)電機(jī)的角位移與脈沖個(gè)數(shù)成正比，因此可以通過輸入同樣的脈沖個(gè)數(shù)，使A，B內(nèi)步進(jìn)電機(jī)角位移一致，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。
5仿尺蠖機(jī)器人的特點(diǎn)
通過仿真可以看出，仿尺蠖機(jī)械爬行式機(jī)器人對(duì)于運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)(依然存在后退現(xiàn)象)，但是在低靜摩擦系數(shù)下則會(huì)出現(xiàn)原地打轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)失效。針對(duì)這個(gè)問題，可以在機(jī)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的頻繁后退。該機(jī)器人不適合在重負(fù)載下運(yùn)動(dòng)，由于電機(jī)選用的為步進(jìn)電機(jī)，在負(fù)載過大情況下會(huì)出現(xiàn)失步。
參考文獻(xiàn):
［1］宋巖．新型尺蠖式爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)及樣機(jī)研制．
［2］李增剛．ADAMS入門詳解與實(shí)例．
作者：扈航 楊修平 單位：北京工業(yè)大學(xué)