劉毅　杜燕飛　孫漢文　劉志春

摘 要：針對(duì)柔索行走機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立柔索行走機(jī)器人三維模型，并基于ADAMS仿真軟件構(gòu)建機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型，模擬了仿真機(jī)器人跨越防震錘的整個(gè)過程，并得到了機(jī)器人各行走輪的位移-時(shí)間曲線，驗(yàn)證了模型設(shè)計(jì)和越障過程的合理性，為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)方面的參考，為柔索行走機(jī)器人的研發(fā)提供可靠有力的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：柔索行走；機(jī)器人；ADAMS；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

近年來(lái)，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。尤其是用機(jī)器人代替人工實(shí)現(xiàn)柔索線路的自動(dòng)化巡檢已經(jīng)成為目前電力機(jī)器人研究的熱點(diǎn)之一。機(jī)器人仿真系統(tǒng)作為機(jī)器人設(shè)計(jì)和研究中方便、可靠的工具越來(lái)越受到重視，目前機(jī)器人動(dòng)力學(xué)研究的主要方法有拉格朗日法、牛頓—?dú)W拉法和凱恩方法等[ 1 ]，南京林業(yè)大學(xué)的陳波等人利用三維建模軟件SolidWorks和ADAMS聯(lián)合建立仿生六足機(jī)器人的仿真模型[ 2 ]。

本文根據(jù)巡檢機(jī)器人的工作環(huán)境及功能要求，對(duì)巡檢機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并對(duì)巡檢機(jī)器人的越障過程進(jìn)行了規(guī)劃[ 3 ]。并利用ADAMS虛擬樣機(jī)對(duì)機(jī)器人的剛體模型和剛?cè)峄旌夏Ｐ偷脑秸线^程進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析，驗(yàn)證了機(jī)器人越障的穩(wěn)定性和動(dòng)作規(guī)劃的合理性。

1 基于ADAMS的高空作業(yè)機(jī)器人越障過程仿真分析

機(jī)器人在跨越障礙時(shí)，需要通過各手臂的配合動(dòng)作來(lái)調(diào)整機(jī)器人的姿勢(shì)，這就要求機(jī)器人具有良好的穩(wěn)定性[ 4 ]。

直接在ADAMS中建立機(jī)器人模型的過程較為復(fù)雜，因此為簡(jiǎn)化操作步驟，在SolidWorks中建立機(jī)器人三維模型后，導(dǎo)入ADAMS軟件中[ 5 ]。具體操作步驟如圖1所示：

通過以上步驟，將機(jī)器人虛擬樣機(jī)導(dǎo)入ADAMS軟件中。

1.1 高空作業(yè)機(jī)器人越障過程分析

根據(jù)機(jī)器人實(shí)際跨越防震錘的情況，對(duì)各驅(qū)動(dòng)添加相應(yīng)的函數(shù)表示[ 6 ]，仿真機(jī)器人跨越防震錘的整個(gè)過程。

具體越障過程如圖2所示：

機(jī)器人初始狀態(tài)如圖（1）所示。

三臂同時(shí)掛線，且處于收縮狀態(tài)，當(dāng)前臂檢測(cè)到障礙時(shí)，手臂伸長(zhǎng)，行走輪脫離導(dǎo)線然后打開，然后調(diào)整手臂關(guān)節(jié)完成前臂的越障，機(jī)器人繼續(xù)前行至中臂上安裝的光電傳感器檢測(cè)到障礙，為保證中臂和后臂的順利越障，前臂伸長(zhǎng)掛線的同時(shí)調(diào)整后臂的姿態(tài)，增大前后臂行走機(jī)構(gòu)之間的距離。中臂伸長(zhǎng)，行走輪打開，完成脫線動(dòng)作，中臂收縮的同時(shí)前后臂伸長(zhǎng)使控制箱下降，保證中臂行走輪的順利避障，如圖（2）-（4）所示。

因行走輪打開距離大于障礙物直徑，故行走輪可直接穿過障礙物，機(jī)器人繼續(xù)前行，后臂遇到障礙，中臂和后臂完成掛線動(dòng)作，三臂恢復(fù)初始狀態(tài)，如圖（5）-（6）所示。機(jī)器人在三臂的配合下平穩(wěn)快速地完成了整個(gè)越障過程。

1.2 高空作業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

在對(duì)機(jī)器人跨越防震錘的過程進(jìn)行仿真后，利用ADAMS的后處理模塊得到機(jī)器人行走輪在X、Y、Z三個(gè)方向的位移-時(shí)間曲線如圖3所示。

圖中X向表示機(jī)器人的前進(jìn)方向，Y向表示機(jī)器人或手臂的豎直移動(dòng)方向，Z向表示行走輪的開合方向。0-1.5s三個(gè)行走輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)，X向位移增加，1.5s時(shí)前臂傳感器檢測(cè)到障礙，機(jī)器人停止前進(jìn)；1.5s-6.5s前后臂配合動(dòng)作完成前臂的越障過程，前臂伸長(zhǎng)，行走輪打開脫線，重新掛線。由于行走輪和導(dǎo)線之間接觸力的存在，前行走輪在Z方向會(huì)出現(xiàn)突變，符合實(shí)際情況，。8-12.5s表示中臂檢測(cè)到障礙，前后臂伸長(zhǎng)，Y向位移增大，然后前行走輪掛線，閉合，Z向位移發(fā)生相應(yīng)變化，如12.5-16s所示。中臂檢測(cè)到障礙，上升，行走輪打開，然后下降，中臂Y向曲線先上升后下降。26.5s時(shí)后臂檢測(cè)到障礙，中臂上升完成掛線，此時(shí)中臂越障過程結(jié)束；后臂在34-48s內(nèi)進(jìn)行和前臂相同的越障過程，48-50s機(jī)器人繼續(xù)前行，整個(gè)越障過程需要50s。通過提高機(jī)器人的行走速度可進(jìn)一步縮短越障時(shí)間。

通過分析機(jī)器人的整個(gè)越障過程可以看出：

1）機(jī)器人控制箱的質(zhì)心位移反映了整個(gè)機(jī)器人的重心變化，機(jī)器人在前、后機(jī)械臂脫離導(dǎo)線時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，后逐漸趨于平穩(wěn)。

2）整個(gè)機(jī)器人在跨越防震錘是所需時(shí)間為50s，提高了越障效率。

3）各個(gè)行走輪在整個(gè)越障過程中位移的變化也比較平穩(wěn)，驗(yàn)證了越障步驟規(guī)劃的科學(xué)性和合理性，同時(shí)驗(yàn)證了模型的可行性。

2 結(jié)論

本文用ADAMS建立了巡檢機(jī)器人的虛擬樣機(jī)，對(duì)柔索行走機(jī)器人的越障過程進(jìn)行了詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)仿真分析。得出機(jī)器人越障時(shí)各手臂以及行走輪的位移、速度仿真曲線，驗(yàn)證了機(jī)器人越障（下轉(zhuǎn)第9頁(yè)）（上接第7頁(yè)）動(dòng)作規(guī)劃的合理性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)評(píng)價(jià)機(jī)器人的綜合性能起到了一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

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[6] 蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

作者簡(jiǎn)介：

劉毅（1991-），男，漢族，山東德州人，碩士，山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)；

杜燕飛（1994-），男，漢族，山東菏澤人，本科，山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，過程裝備與控制工程專業(yè)；

孫漢文（1995-），男，漢族，山東棲霞人，本科，山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，過程裝備與控制工程專業(yè)；

劉志春（1996-），男，漢族，山東滕州人，本科，山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，機(jī)械電子工程專業(yè)。