（云南經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，云南·昆明 650106）

本文將采用三維仿真軟件Adams對Jansen行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真。Adams 軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。Jansen 行走機(jī)構(gòu)是機(jī)械系統(tǒng)中常見的典型機(jī)構(gòu)。通過仿真可以揭示該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律。本文以Jansen 機(jī)構(gòu)作為研究對象，利用三維CAD進(jìn)行樣機(jī)的建模設(shè)計并導(dǎo)入到Adams 中，最后添加約束進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，從而得到該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)仿真曲線，為后續(xù)的動力學(xué)仿真分析提供基礎(chǔ)。

一、Jansen行走機(jī)構(gòu)的組成

該機(jī)構(gòu)單元部件是運(yùn)用3 個四連桿機(jī)構(gòu)及2個三角桁架機(jī)構(gòu)組成。上三角桁架一直角邊和下三角桁架一直角邊通過兩根連桿構(gòu)成一個四連桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)為四邊形機(jī)構(gòu)，同時上三角桁架另一直角邊和原動件通過共用固定連桿和一活動連桿構(gòu)成第二個四連桿機(jī)構(gòu)，該四連桿機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。①孫桓.陳作模.葛文杰.機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社.而四邊形機(jī)構(gòu)靠近原動件的一邊和原動件通過共用固定連桿和另外一活動連桿構(gòu)成第三個四連桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)也為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。整個結(jié)構(gòu)是利用多個單元部件整合所構(gòu)成。在同一平面內(nèi)呈現(xiàn)左右對稱分布，如圖1所示：

圖1

二、Jansen行走機(jī)構(gòu)分析

結(jié)合四腿動物行走姿態(tài)和機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，動物行走時四腿有規(guī)律依次運(yùn)動，而且呈現(xiàn)一定運(yùn)動規(guī)律性。結(jié)合姿態(tài)分析和機(jī)械機(jī)構(gòu)原理分析得到Jansen仿生行走機(jī)構(gòu)如圖2所示：

圖2

Jansen 行走機(jī)構(gòu)中的“仿生腿”，它包含基本的三角桁架結(jié)構(gòu)、平行四邊形機(jī)構(gòu)，同時兼顧一定黃金比例的幾何學(xué)。將三角桁架結(jié)構(gòu)、平行四邊形機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行依次組合，進(jìn)而得到Jansen仿生行走機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3

將Jansen行走機(jī)構(gòu)中的上部三角連桿機(jī)構(gòu)和曲柄一步分解如3 圖。為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。圖4 中曲柄做圓周運(yùn)動的時候，三角機(jī)構(gòu)做來回擺動。

圖4

Jansen行走機(jī)構(gòu)的另一部分，圖5中下部三角機(jī)構(gòu)。曲柄和較長連桿構(gòu)成另外一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。兩個曲柄搖桿及平行四連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)動帶動腿部最下方的三角機(jī)構(gòu)做復(fù)雜曲線運(yùn)動。

圖5

Jansen 行走機(jī)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，其中Jansen 行走機(jī)構(gòu)n=7,pL=10 個,ph=0。其自由度為：

根據(jù)公式(2)計算可知，該Jansen 行走機(jī)構(gòu)自由度為1，因此只需要一個驅(qū)動，即原動件做周轉(zhuǎn)運(yùn)動，就可以驅(qū)動機(jī)構(gòu)所有運(yùn)動副，這也是機(jī)構(gòu)運(yùn)行協(xié)調(diào)的基本原因。

Jansen 行走整體機(jī)構(gòu)中的一個曲軸上把至少4個“腿”依照順序組合起來，組成一個可行走的單元。如圖6所示。

圖6

三、Jansen行走機(jī)構(gòu)三維CAD的建模

運(yùn)用三維CAD 軟件對Jansen 行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行零部件建模，與Adams 相比，三維CAD 軟件的建模功能更為強(qiáng)大。首先采用三維CAD零件命令模塊建立參數(shù)化實(shí)體模型，同時利用三維CAD中的裝配模塊，把所建立好的三角桁架結(jié)構(gòu)、四邊形連桿、機(jī)架、曲柄、連桿進(jìn)行轉(zhuǎn)配。得到如圖7所示

圖7

圖7所示為一Jansen行走機(jī)構(gòu)裝配圖，該行走機(jī)構(gòu)曲柄成60度均勻分布，每一個曲柄連接四搖桿，其中較短的搖桿連接上部三角桁架結(jié)構(gòu)，較長的搖桿連接下部三角桁架結(jié)構(gòu)，上部三角桁架結(jié)構(gòu)和下部三角桁架結(jié)構(gòu)由兩連桿構(gòu)成四邊形連桿機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的腿部由六個下部三角桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)成。動力由曲柄機(jī)構(gòu)提供。四邊形連桿機(jī)構(gòu)、曲柄機(jī)構(gòu)參與機(jī)構(gòu)聯(lián)動。通過三維CAD裝配中的運(yùn)動算列，添加電機(jī)在曲柄機(jī)構(gòu)上，進(jìn)行運(yùn)動仿真以此判斷機(jī)構(gòu)運(yùn)動可行性，和驗證設(shè)計是否存在干涉及結(jié)構(gòu)錯誤。

四、基于ADAMS的仿真模型搭建方法

（一）SLDPRT模型導(dǎo)入ADAMS

將三維CAD 軟件里建立的裝配體的三維模型另存為Jansen(*.x_t)格式并保存到非中文路徑里。啟動Adams，選擇新建一個新的模型文件，設(shè)置模型名為Jansen_1,重力為正常重力（—全局Y）,選擇默認(rèn)的單位系統(tǒng)MMKS，進(jìn)入工作界面后，選擇File Import 菜單項，彈出File Import 文本框，在File Type 中，設(shè)置為ACCII；同時單機(jī)下拉三角，彈出Select File 選擇框，從Select File 文本框中選擇要導(dǎo)入的*.x_t格式文件；在File To Read文本框中，右擊彈出Select File選擇框，從Select File文本框中選擇要導(dǎo)入的Jansen*.x_t 格式文件；在Mod?el Name 對應(yīng)的文本框中，選擇Model Create 菜單項，彈出Create Model 文本框，在Model Name 中輸入Jansen_1，點(diǎn)擊OK，模型成功導(dǎo)入到Adams中，如圖8所示。

圖8

將模型中重復(fù)機(jī)構(gòu)及機(jī)架去除得到一組動力機(jī)構(gòu)圖如圖9所示進(jìn)而進(jìn)行運(yùn)動分析。

圖9

（二）ADAMS中部件屬性的定義

設(shè)置命令中圖標(biāo)參數(shù)設(shè)置為10，導(dǎo)入模型后在Part一欄中分別定義三角連桿、四邊形連桿、原動件、機(jī)架、曲柄部件的材料。分別右鍵所選擇物體Part-Modify，在彈出的Modify Body文本框里，設(shè)置所有構(gòu)件的質(zhì)量特征為steel，密度為：7.801E-06Kg/mm3,楊氏模量為：2.07E+05newton/mm2,泊松比為0.29。單機(jī)運(yùn)用使實(shí)體模型中的構(gòu)件接近于實(shí)際物理模型。

（三）運(yùn)動副和驅(qū)動的定義

在三維CAD軟件里，裝配體之間有相互配合關(guān)系，但三維CAD 軟件和Adams 軟件在配合關(guān)系、驅(qū)動等特征方面無法進(jìn)行數(shù)據(jù)移植。因此，三維模型導(dǎo)入Adams后，需要重新添加運(yùn)動副。對每一組關(guān)聯(lián)機(jī)構(gòu)添加相關(guān)運(yùn)動副驅(qū)動和對原動件添加驅(qū)動。將曲柄與大地建立轉(zhuǎn)動副，曲柄與兩短連桿和兩長連桿分別建立轉(zhuǎn)動副、將兩上部三角桁架結(jié)構(gòu)的鈍角位置與大地建立轉(zhuǎn)動副?？拷匿J角和兩短連桿的另外一端建立轉(zhuǎn)動副。而下部三角桁架結(jié)構(gòu)的一短邊分別和上部三角桁架結(jié)構(gòu)的下部短邊通過兩連桿分別建立轉(zhuǎn)動副，構(gòu)成平行連桿機(jī)構(gòu)。同時和曲柄連接的長連桿的另外一端和下部三角桁架結(jié)構(gòu)的鈍角處建立轉(zhuǎn)動副。然后在曲柄和大地的轉(zhuǎn)動副上添加驅(qū)動。在下部腿部三角桁架結(jié)構(gòu)的下部銳角處添加Marker1。在下部三角桁架結(jié)構(gòu)的鈍角位置處添加Marker2。最終運(yùn)動副和驅(qū)動添加如圖10所示。

圖10

（四）運(yùn)動仿真和結(jié)果曲線

將曲柄與大地轉(zhuǎn)動副上添加驅(qū)動，設(shè)置勻角速度為30 r/min，設(shè)置仿真時間為10 s，仿真步數(shù)為200，進(jìn)行仿真。仿真完成后，進(jìn)入Adams 軟件postprocessor模塊進(jìn)行仿真運(yùn)動數(shù)據(jù)的處理，得到仿生腿Marker1 點(diǎn)和Marker2 點(diǎn)的平面運(yùn)動軌跡如圖11和圖12所示。

圖11、Marker1

圖12、Marker2

五、結(jié)論

采用三維仿真軟件Adams進(jìn)行Jansen機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)仿真，獲得仿生腿運(yùn)動的運(yùn)動曲線及數(shù)據(jù)，其仿真結(jié)果證明其仿真的可行性，為下一步的動力學(xué)仿真做好準(zhǔn)備。利用三維CAD軟件和Adams這兩個功能強(qiáng)大的軟件，還可以對其它動力學(xué)等其他方面做進(jìn)一步研究。采用Adams 進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，大大提高了設(shè)計效率，是虛擬樣機(jī)技術(shù)研究中的嶄新應(yīng)用，促進(jìn)了虛擬仿真的發(fā)展，對于教學(xué)和實(shí)踐具有廣泛的意義。