四足步行機(jī)構(gòu)的步行運(yùn)動(dòng)仿真

朱維金

摘 要：四足步行機(jī)構(gòu)是近年來研究的一個(gè)比較活躍的領(lǐng)域。四足步行機(jī)構(gòu)在家庭娛樂、仿生學(xué)、健身器材等方面有很大的應(yīng)用前景。文章建立分析三維模型，通過仿真軟件模擬四足步行機(jī)構(gòu)在重力場環(huán)境下足端與地面接觸并向前步行，獲得四足步行機(jī)構(gòu)前行的步行仿真動(dòng)畫，從仿真的四足步行機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度曲線和側(cè)擺速度曲線，得到設(shè)計(jì)實(shí)踐問題，從而為后續(xù)的設(shè)計(jì)獲得重點(diǎn)關(guān)注方向。

關(guān)鍵詞：四足 步行 接觸碰撞 速度曲線

中圖分類號：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（b）-0119-02

步行機(jī)構(gòu)有著廣闊的應(yīng)用前景，目前四足步行機(jī)構(gòu)的研究主要集中在小型輕便和控制等方面。該文設(shè)計(jì)的步行機(jī)構(gòu)，重點(diǎn)在單腿步行曲線、足端與地面接觸和速度分析上。原理上步行腿部機(jī)構(gòu)在支持階段能夠保持機(jī)身平動(dòng)前進(jìn)。該文通過SolidWorks建立步行機(jī)構(gòu)的三維模型，并對其進(jìn)行仿真模擬。仿真作為一種逼近真實(shí)物理情況的設(shè)計(jì)手段，應(yīng)用在該設(shè)計(jì)實(shí)踐中，得到一種快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的方式和方法。為了使問題簡化，該文對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大簡化。

1 機(jī)構(gòu)構(gòu)型

如圖1所示，為步行機(jī)構(gòu)簡圖。主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為近似直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。盡管精確直線機(jī)構(gòu)可以替代滑桿和導(dǎo)槽，但在應(yīng)用中，有需要一段是直線，另一段是曲線的結(jié)構(gòu)（如圖2）。例如：用腳步行的機(jī)械在著地時(shí)要沿著直線，返回時(shí)抬腳又需要走曲線。這樣的機(jī)械機(jī)構(gòu)很難讓直線段嚴(yán)格為直線。但可以做成近似程度非常高的直線。該文采用的機(jī)構(gòu)為霍肯直線機(jī)構(gòu)。霍肯直線機(jī)構(gòu)由卡爾·霍肯發(fā)明，是一種由4條連桿構(gòu)成的機(jī)械結(jié)構(gòu)。連桿的末端在半個(gè)周期內(nèi)走直線，另外半個(gè)周期走特殊的弧線。圖1中，曲柄長度為基準(zhǔn)長度。其中曲柄與機(jī)身連接的軸和擺桿與機(jī)身連接的軸，兩個(gè)軸的距離，為曲柄基準(zhǔn)長度2倍。與機(jī)身連接的擺桿長度為曲柄基準(zhǔn)長度2.5倍。與曲柄連接的長桿的長度為曲柄基準(zhǔn)長度的5倍，并在中點(diǎn)處與擺桿連接。實(shí)驗(yàn)表明，這種直線機(jī)械的誤差在其工作范圍內(nèi)小于千分之一。這是一種非常適用于設(shè)計(jì)用腳走路的運(yùn)載工具的機(jī)械結(jié)構(gòu)。相比輪子，用腳走路對地面的要求很低，而且腳的末端可以設(shè)置較大面積的墊子以減小對地面的壓強(qiáng)，平衡路面的高低不平。保證四足末端與機(jī)身垂直為兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)副，圖1中未示詳細(xì)結(jié)構(gòu)，圖2為軌跡圖。

2 足端與地面的接觸碰撞仿真模擬

采用COSMOS Motion的機(jī)構(gòu)仿真步驟，創(chuàng)建裝配體，施加運(yùn)動(dòng)副和載荷，設(shè)置固定件和運(yùn)動(dòng)件，設(shè)置仿真參數(shù)，仿真運(yùn)算，輸出分析結(jié)果，其中施加運(yùn)動(dòng)副為機(jī)械配合鉸鏈才能運(yùn)行。利用COSMOS Motion對整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬。首先用SolidWork對機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維造型和裝配，然后用與SolidWorks無縫集成的COSMOS Motion三維動(dòng)力學(xué)仿真軟件添加運(yùn)動(dòng)、約束、力、接觸碰撞單元等參數(shù)，對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模擬，經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為，冗余約束必須處理，表現(xiàn)現(xiàn)象為動(dòng)畫模式能動(dòng)，仿真模式不動(dòng)。仿真開始時(shí)間點(diǎn)，必須有足端與地面貼合，避免仿真開始位置懸空過高，進(jìn)而導(dǎo)致仿真失敗，初始位置就無法收斂。

3 仿真結(jié)果與速度分析

該文仿真的結(jié)果，四足步行機(jī)構(gòu)在地面上扭擺前進(jìn)。這種扭擺對騎乘人員和馱載物資影響不佳，耗費(fèi)大量驅(qū)動(dòng)功率。應(yīng)用COSMOS Motion模擬機(jī)身前進(jìn)方向速度曲線，如圖3所示。開始階段0～3 s，重力加速，質(zhì)量慣性，地面摩擦等影響，速度不穩(wěn)，在3～12 s趨于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

應(yīng)用COSMOSMotion模擬機(jī)身在與前進(jìn)相對垂直的側(cè)方向，速度曲線如圖4所示。仿真動(dòng)畫體現(xiàn)為機(jī)身搖擺，四足步行機(jī)構(gòu)在走偏。

4 結(jié)語

該文應(yīng)用SolidWorks，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維造型和裝配。用于SolidWorks、無縫集成的COSMOS Motion三維動(dòng)力學(xué)仿真軟件，對四足步行機(jī)構(gòu)進(jìn)行步行模擬，獲得步行前進(jìn)速度曲線。這種方法直觀地表現(xiàn)出四足步行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。四足機(jī)構(gòu)在重力場、足端與地面的接觸碰撞和自身質(zhì)量慣性的共同作用下，產(chǎn)生搖擺現(xiàn)象需要在機(jī)構(gòu)優(yōu)化和驅(qū)動(dòng)曲線的軟件控制優(yōu)化方面做工作。該文為四足步行機(jī)構(gòu)的后續(xù)設(shè)計(jì)，提供了設(shè)計(jì)方法和研究方向。

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