朱維金

摘 要：四足步行機構(gòu)是近年來研究的一個比較活躍的領(lǐng)域。四足步行機構(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，獲得四足步行機構(gòu)前行的步行仿真動畫，從仿真的四足步行機構(gòu)前進速度曲線和側(cè)擺速度曲線，得到設(shè)計實踐問題，從而為后續(xù)的設(shè)計獲得重點關(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 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（b）-0119-02

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

1 機構(gòu)構(gòu)型

如圖1所示，為步行機構(gòu)簡圖。主運動機構(gòu)為近似直線運動機構(gòu)。盡管精確直線機構(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：用腳步行的機械在著地時要沿著直線，返回時抬腳又需要走曲線。這樣的機械機構(gòu)很難讓直線段嚴格為直線。但可以做成近似程度非常高的直線。該文采用的機構(gòu)為霍肯直線機構(gòu)。霍肯直線機構(gòu)由卡爾·霍肯發(fā)明，是一種由4條連桿構(gòu)成的機械結(jié)構(gòu)。連桿的末端在半個周期內(nèi)走直線，另外半個周期走特殊的弧線。圖1中，曲柄長度為基準長度。其中曲柄與機身連接的軸和擺桿與機身連接的軸，兩個軸的距離，為曲柄基準長度2倍。與機身連接的擺桿長度為曲柄基準長度2.5倍。與曲柄連接的長桿的長度為曲柄基準長度的5倍，并在中點處與擺桿連接。實驗表明，這種直線機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)計用腳走路的運載工具的機械結(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，平衡路面的高低不平。保證四足末端與機身垂直為兩個直線運動副，圖1中未示詳細結(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的機構(gòu)仿真步驟，創(chuàng)建裝配體，施加運動副和載荷，設(shè)置固定件和運動件，設(shè)置仿真參數(shù)，仿真運算，輸出分析結(jié)果，其中施加運動副為機械配合鉸鏈才能運行。利用COSMOS Motion對整個機構(gòu)進行模擬。首先用SolidWork對機構(gòu)進行三維造型和裝配，然后用與SolidWorks無縫集成的COSMOS Motion三維動力學(xué)仿真軟件添加運動、約束、力、接觸碰撞單元等參數(shù)，對該機構(gòu)進行運動仿真模擬，經(jīng)驗總結(jié)為，冗余約束必須處理，表現(xiàn)現(xiàn)象為動畫模式能動，仿真模式不動。仿真開始時間點，必須有足端與地面貼合，避免仿真開始位置懸空過高，進而導(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，四足步行機構(gòu)在地面上扭擺前進。這種扭擺對騎乘人員和馱載物資影響不佳，耗費大量驅(qū)動功率。應(yīng)用COSMOS Motion模擬機身前進方向速度曲線，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)運行。

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

4 結(jié)語

該文應(yīng)用SolidWorks，對機構(gòu)進行三維造型和裝配。用于SolidWorks、無縫集成的COSMOS Motion三維動力學(xué)仿真軟件，對四足步行機構(gòu)進行步行模擬，獲得步行前進速度曲線。這種方法直觀地表現(xiàn)出四足步行機構(gòu)的運動狀態(tài)。四足機構(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)象需要在機構(gòu)優(yōu)化和驅(qū)動曲線的軟件控制優(yōu)化方面做工作。該文為四足步行機構(gòu)的后續(xù)設(shè)計，提供了設(shè)計方法和研究方向。

參考文獻

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