模块化仿生蚯蚓机器人ADAMS仿真

关键词：仿生机器人；ADAMS 动力学仿真；绳驱动；最小势能原理；可编程刚度

一、文章简要介绍

在管道、废墟这类狭窄空间里做巡检，人进不去，仿生机器人就成了热门方案。现有的仿生蚯蚓机器人大多靠身体节段的轴向径向变形来移动，缺少蚯蚓那种立起来的能力，刚度也不好调。这篇文章提出了一种带直立功能和可编程刚度的模块化仿生机器人：单元模块采用绳驱动配合连杆弹簧系统，按最小势能原理建立力学模型，能同时描述压缩和偏转两种状态。作者先用 ADAMS 做仿真验证，再做实物实验，并研究了弹簧刚度 k 对模块变形的影响，再用四个模块拼出机器人完成直立演示（DOI：10.1038/s41598-025-88235-6）。

图1 直立功能单元：仿生蚯蚓体节与绳驱动模块

二、力学模型与模块设计

先看结构。单元模块由一对同步齿轮、连杆、上下两根弹簧和左右两根绳组成，齿轮中心距 L1、连杆长度 L2、弹簧 LAB 与 LCD、绳长 LAC 与 LBD 是几个关键尺寸。作者按最小势能原理把压缩状态和偏转状态分开建模：压缩时弹簧和绳的初始长度发生变化，两侧拉力 F1、F2 的差值决定了模块的偏转趋势；偏转时用前一状态的解作为新状态的初值，算出新的弹簧长度、绳长和偏转角。这样一套解析模型参数少、求解快，能直接用来指导模块设计。

图2 压缩与偏转力学模型

三、ADAMS 仿真与实验验证（重点）

为了保证模型的可靠性，作者用 ADAMS 软件建立了机器人单元模块的仿真模型，对压缩和偏转两种状态分别做了验证。结果显示，弹簧长度、绳长和偏转角随拉力的变化趋势，理论模型与 ADAMS 仿真结果吻合得很好，说明这套基于最小势能原理的解析模型能准确反映模块的力学行为。对工程应用来说，这意味着模块的尺寸和刚度可以先在 ADAMS 里快速试算，再进入样机加工，能省下不少反复迭代的成本。

图3 理论模型与 ADAMS 仿真对比

仿真之后是实物验证。作者用尼龙材料加工连杆和支架，配上 Maxon 微型电机、尼龙绳、弹簧、滑轮和齿轮，把单元模块装了出来。机器人初始长度 14 cm、初始宽度 4.0 cm，压缩后长度缩到 5.3 cm、宽度涨到 6.6 cm。

图4 压缩实验与理论对比

压缩实验里，通过在绳端加不同重量的配重来驱动模块，实测的弹簧长度和绳长与理论预测趋势几乎一致，误差在拉力增大后稳定在约 0.68 N，作者分析主要来自绳与杆之间的摩擦，这部分在建模时没有考虑。

图5 偏转实验与理论对比

偏转实验则是固定左绳长度、逐级增加右绳载荷，观测弹簧长度、两侧绳长和偏转角的变化，误差约 0.6 N，比压缩实验略小，因为只涉及单侧绳与杆的摩擦。

刚度方面，作者选了四根长度都是 30 mm 的弹簧，线径和簧径分别是 0.3 mm×3 mm、0.4 mm×3 mm、0.4 mm×4 mm 和 0.5 mm×4 mm。随着弹簧刚度增大，模块整体刚度跟着上升，把两者的关系画出来以后，就可以给不同模块预先配置不同刚度的弹簧，让同一套结构适应不同作业环境，这就是可编程刚度。

图6 弹簧刚度对模块整体刚度的影响

作者还用四个模块拼出了一台模块化机器人做直立实验。机器人可以走压缩偏转或非压缩偏转两条路径立起来，前者适合受限空间，后者能获得更大的偏转角度。整机尺寸 140×40×30 mm、质量 60 g，伸缩长度 53-140 mm，直径范围 40-66 mm，偏转角可达 ±90°，承载能力可按需要配置成 120/240/380/700 g。和文献里的同类模块相比，这台机器人体积更小、质量更轻，同时保留了偏转能力和可调的承载。

图7 四模块机器人直立功能演示

四、我们提供的服务

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