基于虛擬樣機技術的一種智能花卉設計

鄒俊俊，馮巖，馮小庭，毛駿

(西安鐵路職業技術學院，陜西 西安 710014)

0 引言

隨著經濟發展和城市化的進步，城市景觀已經成為必不可少的城市名片，它是體現城市文化生活品質的重要標志之一。現有城市景觀多在造型設計、燈光效果兩個維度上進行組合，以追求“立體、動態”的美感，但從本質來說仍屬于平面景觀及靜態景觀，仍存在以下幾點不足：一是缺乏城市自身特點，千城一面；二是景觀功能單一，無法實現人景互動。人們參觀傳統人文景觀時，很難融入主題當中[1-2]。

因此，本文闡述了在普通仿真花設計的基礎上，增加造型結構、照明結構、檢測裝置、機械運動裝置、輔助裝置五大部分創新設計，為靜態景觀賦予“生機”，在造型、燈光、運動、交互性四個維度上展現科技、藝術之美，提高城市景觀品質，打造多元化城市文旅新格局。

1 智能花卉設計思路和整體結構

本產品的整體設計思路為：利用超聲波傳感器檢測范圍內是否有人或者車輛經過，將檢測信號輸出至單片機控制核心；根據程序算法輸出控制指令，控制燈光模塊產生顏色、明暗變化，同時控制運動機構中的伺服電機驅動整個機械結構運動，以控制花瓣的開合，向游客輸出景觀的色彩、運動姿態變化，使游客獲得參與式、交互式的觀景體驗。整體設計方案如圖1所示。

圖1 產品整體設計方案

按照上述設計思路本產品的具體結構如圖2所示，由造型結構、照明裝置、檢測裝置、機械運動裝置、輔助裝置五大部分組成。

圖2 一種“4D”智能花卉景觀產品結構示意圖

1)結構造型

智能花卉的結構造型步驟如下：1)通過逆向工程建模，以3次B樣條曲線縮放參數生成葉片和花瓣的曲面造型結構，再將其數字模型導入3D打印機，高效快速制作出各種仿真花卉，然后安裝固定在特制的骨架上，使其保持花卉的造型和美感；2)通過CATIA三維設計和3D打印技術制作的花瓣造型。通過膠粘劑附著于定制專用骨架。

圖3 花瓣結構3D打印切片模型

2)照明裝置

智能花卉的照明裝置采用LED發光二極管+太陽能電池的組合，通過太陽能面板在白天吸收能量，到夜間時，當傳感檢測裝置檢測到行人和車輛通過時，啟動LED發光二極管。

3)檢測裝置

檢測裝置由超聲波傳感器和STM32F103單片機構成。利用STM32F103單片機定時器在5～10μs內產生高電平脈沖信號，超聲波傳感器接收到脈沖信號，發射向外的聲波，遇到障礙物發生反射，經過電路處理濾波放大，再次送入STM32F103單片機[3]。

4)機械運動裝置

根據花卉仿生原理，花瓣運動應為間歇運動。因此智能花卉使用伺服電機作為動力元件，以凸輪-連桿組合機構作為傳動機構，以單片機為控制元件，以上述花瓣造型部分作為執行元件，將伺服電機輸出的回轉運動轉換為執行元件的開合運動，模擬花開與花謝的動作[4]。

2 花瓣運動組合機構分析與仿真

1)花瓣運動機構位置分析

本產品以凸輪-連桿組合機構實現其功能，其運動簡圖如圖4所示。凸輪機構采取對心直動布置形式，滾子從動件采取勻速運動規律上升和下降，同時為了保證凸輪在兩個休止位之間運行時，連桿機構實現花瓣在0°～60°范圍開合，滑塊的行程范圍須與下一步中的凸輪從動件行程范圍相同。

圖4 花瓣機構運動簡圖

運動機構的整體工作原理如圖5所示。當單片機輸出指令后，在伺服電機帶動下，盤形凸輪機構從遠休止點開始啟動，此時花瓣處于閉合狀態。隨著盤形凸輪順時針旋轉，從動件開始回落，凸輪轉角達到180°時，完成回程，凸輪機構達到近休止點，從動件位移處為0，花瓣執行機構處于“開花”狀態。隨后在近休止點保持一段時間，經過推程從動件繼續上升至原來的位置，花瓣閉合。

圖5 曲柄滑塊機構運動簡圖

該機構上半部分可以簡化為一個偏置曲柄滑塊裝置，采用解析法進行該機構的運動分析，首先建立該機構的封閉矢量位置方程如下[5]：

L1+L2-L3+L4=0

(1)

可寫為：aejθ1+bejθ2-cejθ3+dejθ4=0

(2)

式中：L1為曲柄AB的矢量形式；L2為連桿BC的矢量形式；L3為滑塊中心到x軸的矢量形式；L4為滑塊偏心距的矢量形式；θ1、θ2、θ3、θ4為圖中構件AB、BC、CD、DA與坐標軸x的方位角。利用歐拉變換將式(2)實部和虛部分離改寫可以得到：

acosθ1+bcosθ2-ccosθ3+dcosθ4=0

(3)

asinθ1+bsinθ2-csinθ3+dsinθ4=0

(4)

根據機構幾何條件可知θ3=90°，θ4=0°，已知曲柄長度L1=30mm，偏距L4=10 mm，花瓣張開的角度γ約為0°～60°，由圖中幾何關系得到θ=90°-γ，故θ1的兩個極限值為30°和90°，滑塊行程Δc和連桿方位角θ2為待求。聯立式(3)和式(4)，求得：

由此可知滑塊的行程范圍Δc為

Δc=c-c′=36.2mm。

2)花瓣運動機構速度和加速度分析

式(2)對時間t求一階導數，可得機構中各構件的速度為

(5)

由于θ4為常數，其導數為0，故可消去得到式(6)。

jaejθ1+jbω2ejθ2-jcω3ejθ3=0

(6)

使用歐拉恒等式帶入式(5)，分離實部和虛部，聯立得到連桿的旋轉角速度ω2和滑塊的線速度VC如下[6]：

(7)

由于加速度又是速度的一階導數，故式(5)對時間繼續求導可以得到此機構中各構件運行的加速度如下：

(8)

(9)

根據上述方程即可求出此機構各構件在運動過程中的速度和加速度。

2)花瓣運動機構仿真分析

為了驗證本產品的運動規律是否能夠滿足設計要求，通過CATIA建立相關零件的三維模型并按照尺寸約束進行裝配，得到機構的虛擬數字樣機如圖6所示。對所有零部件賦予相應的材質參數后，導入CATIA中的DMU運動仿真分析模塊進行分析。原點設定為曲柄的旋轉中心，x方向設置為水平向右，y方向設置為水平向上，模擬產品實際工作狀態。根據調研結果，花瓣開合時間一般設定為12s，即曲柄往復擺動時間為12s，故曲柄的平均角速度ω1=5deg/s。按照此速度曲柄進行順時針旋轉至限位后回擺至初始位置進行仿真。

圖6 CATIA中組合機構模型總裝圖

本產品滑塊裝置運動位移線圖如圖7所示。由仿真結果看出其行程范圍約為34mm，且滑塊在兩個極限位置之間運動過程中曲柄的擺角范圍約在0°～58°內。此結果說明滑塊的行程在圖示范圍內時，機構能夠完成“花瓣”的開合運動。由于本設計采用了凸輪-連桿的串聯組合機構，滑塊的行程范圍還可以作為下一步凸輪輪廓曲線設計的重要依據。

圖7 “花瓣“運動機構仿真結果

滑塊的線速度和加速度如圖7(c)、圖7(d)所示。由圖線可以看出其速度波形的峰值約為5.8mm/s，其運動過程為加速運動且加速度先減小后增大。因此在運動開始瞬間機構的加速度最大，由仿真結果看出此時加速度的峰值約為0.3mm/s2，但由于滑塊采用的是ABS工程塑料3D打印制作而成，其質量m約為100g左右，故此機構所受的最大瞬時沖擊力Fmax=3×10-4N，對組合機構的整體強度和穩定性產生的影響較小，機構整體運動平順，能夠實現設計要求。

3 結語

本產品的設計與制作是將現代科技與傳統景觀結合的一次大膽嘗試。產品設計過程中采用了虛擬樣機技術，優化了工業設計到結構制造的整個流程。同時利用3D打印這種快速成型技術，直觀了解結構設計的弊端并及時修正，降低設計與制造之間的時間成本，有利于產品的推進與優化，提高工作效率。在控制單元上使用單片機和傳感器實現了產品的自動化控制，通過后續的產品軟件系統完善，還可以實現“智慧夜景”的升級。本產品的推廣使用將帶動仿真花市場和旅游業的發展，具有良好的社會經濟效益。