基于ADAMS的蛇形机器人运动仿真研究

韩兴言，岳 林

（山西机电职业技术学院，山西 长治046011）

基于ADAMS的蛇形机器人运动仿真研究

韩兴言，岳 林

（山西机电职业技术学院，山西 长治046011）

本文主要对蛇形机器人关节结构进行模块化设计，对结构特点进行分析，给出结构参数。对蛇形机器人主要的爬坡运动进行运动分析和动作规划，并利用ADAMS软件对运动情况进行仿真，分析了爬坡运动参数和关节力矩变化情况，为蛇形机器人的运动规划提供了较为完整的技术依据。

蛇形机器人；受力分析；ADAMS模拟仿真

0 引言

蛇形机器人在军事和民用领域中应用很广泛，随着对机器人研究的不断进步其功能增强，为人类提供更好的服务。在军事上，蛇形机器人可以执行侦察、监视敌情等任务，这可以降低人员受到伤害甚至减少伤亡；还适用于复杂操作环境像沙漠、海洋等[1]。在民用领域中，蛇形机器人相对于轮式机器人与地面的接触面积较大，在单位面积上的重量较小，适合在土质松软的地区执行检测任务，能代替人类在危险的未知区域执行探索任务。由于其细长灵活的结构特点，可以用于飞机维修、检测环境、获取气体或土壤样品等任务[2]。本文以蛇形机器人爬坡过程的运行规划和仿真为例，得出蛇形机器人在运动过程中所需要的条件以及在运动过程中受到的干扰，为蛇形机器人的设计提供足够的技术支撑。

1 机器人关节模块化结构设计

该蛇形机器人模块单元由单元体和连接关节组成，单元体用四周履带主动驱动式结构，关节用具有偏转与仰俯自由度结构，设计方案见图1.

图1 关节结构设计方案

关节结构参数：关节转动机械范围±90°，质量为0.84 kg，外形尺寸为54 mm×54 mm×208 mm（与单元体组装后占用模块单元空间长度为104 mm）。

本关节设计方案连接板采用U型，能承受较大的外力；在传动方式上采用圆弧齿同步带传动，使传动比准确，结构简单，质量轻；在模块间的连接方式上，采用了快速接头，可实现模块间的快速组装与拆卸。关节设计方案采用差速齿轮耦合结构，可以使关节提供很大的驱动力矩，关节以相同的方式抬起多个前端模块。

2 蛇形机器人的爬坡运动规划

在蛇形机器人进行爬坡运动时，使关节偏转自由度固定，仰俯自由度方向可以自由转动，通过履带驱动使之前进[3]。机器人爬坡时，各个模块履带驱动速度相同，由于其速度较小，可忽略其空气阻力，机器人所受阻力主要为上坡阻力和地面阻力，机器人单个模块爬坡时的受力平衡方程为：

其中F为稳定工作时舵机驱动在履带上产生的牵引力，m为单个模块质量，μ为履带与地面的摩擦系数，α为坡度角，v为履带卷绕速度。

机器人模块要在斜坡上平稳行走需要满足两个条件：

（1）驱动条件

即履带的牵引力大于或等于地面阻力。

（2）附着条件

其中μ0为地面附着系数，即地面最大牵引力系数。如果不能满足条件（1），履带牵引力不能克服地面阻力，机器人不能前行；如果不能满足条件（2），地面附着力不能提供机器人前进的动力，机器人会原地滑转不能前进[7]。只有同时满足以上两个条件时机器人模块才能稳定爬坡，即

由上式可知机器人能否正常爬坡与参数 μ、μ0、α有关[6]。μ和μ0由地面与履带性质决定，表 1、2列出了几种路面与橡胶履带的摩擦系数μ和地面附着系数 μ0的数值。

同时蛇形机器人能否爬上α角度的斜坡还与履带的外侧齿形有关[4]。经查阅相关资料得到橡胶与其他材料的摩擦系数（表1）和地面平均附着系数（表2）.

表1 橡胶与其它材料摩擦系

表2 地面平均附着系数

在 μ=0.3、μ0=0.8时，α 的影响如图 2所示。

图2 爬坡角度与机械人受力关系

由图2可以看出：随着坡度角的增大，地面附着能力会不断下降，地面阻力将增加，当履带驱动力F位于阴影区域内时机器人能够实现爬坡运动，两曲线交点A对应坡度角α为该工况下的最大爬坡角度。

3 蛇形机器人运动仿真设计

如图3所示，为了提高其通过能力，机器人爬坡过程中呈直线垂直于斜坡方向前进，蛇形机器人的关节偏转自由度方向锁紧，仰俯自由度方向可以自由转动，依靠履带驱动力推动机器人爬坡。其运动形式与直线运动形式相同，只是驱动力需要克服机器人重力做功。根据设计要求，仿真中该蛇形机器人能够爬越坡度为30°的斜坡。蛇形机器人爬坡过程的位移、速度、加速度曲线如图4所示，前进速度在 0.28 m/s左右波动，其加速度会出现瞬时的较大峰值。由图5各关节转动角速度曲线可知，在蛇形机器人爬坡过程中关节角度会发生波动；由图6各关节力矩曲线可知各关节只会在某一瞬时出现较大力矩，这是由于在蛇形机器人爬坡时发生振动引起的。

图3 爬坡运动仿真

图4 爬坡运动各模块位移、速度、加速度曲

图5 爬坡运动各关节转动角速度曲线

图6 爬坡运动各关节力矩曲线

4 结束语

本文针对考古用预探测机器人的设计要求进行调研，设计了具有通用性模块化的蛇形机器人关节机构，模块间可以实现快速组装，对蛇形机器人的运动进行分析规划，并利用ADAMS虚拟样机仿真软件对各项运动进行了运动仿真验证，本设计蛇形机器人基于可重构思想采用模块化结构设计，模块间可以实现快速拆卸与组装，可以根据环境作业需要增减模块数量及其构型；其关节机构采用差速耦合驱动结构，大大提高了关节机构的驱动力矩。是该蛇形机器人的一个特点。

[1]张玲玲．蛇形机器人的机构设计和运动研究[D].大连：大连理工大学，2009.

[2]孙 洪.攀爬蛇形机器人的研究[D].上海：上海交通大学，2007.

[3]崔 春.仿生蛇的设计及其运动仿真[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[4]陈 丽，王越超，李 斌．蛇形机器人研究现况与进展[J].机器人，2002，24（6）：559-563.

[5]刘金国.链式可变形机器人的构形与运动研究[D].沈阳：中国科学院沈阳自动化研究所，2007.

[6]孙 洪.攀爬蛇形机器人的研究[D].上海：上海交通大学，2007.

[7]何海东.关于蛇形机器人结构、运动及控制的研究[D].上海：上海交通大学，2005.

[8]孙久伟.多节履带式煤矿井下搜索机器人本体设计及运动分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

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

韩兴言（1977-），男，河南永城人，讲师，研究方向：机械制造与维修。