（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(duì)Jansen行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。Adams 軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)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(jiàn)的典型機(jī)構(gòu)。通過(guò)仿真可以揭示該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本文以Jansen 機(jī)構(gòu)作為研究對(duì)象，利用三維CAD進(jìn)行樣機(jī)的建模設(shè)計(jì)并導(dǎo)入到Adams 中，最后添加約束進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，從而得到該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真曲線，為后續(xù)的動(dòng)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(gè)四連桿機(jī)構(gòu)及2個(gè)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(guò)兩根連桿構(gòu)成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)為四邊形機(jī)構(gòu)，同時(shí)上三角桁架另一直角邊和原動(dòng)件通過(guò)共用固定連桿和一活動(dòng)連桿構(gòu)成第二個(gè)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(dòng)件的一邊和原動(dòng)件通過(guò)共用固定連桿和另外一活動(dòng)連桿構(gòu)成第三個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)也為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。整個(gè)結(jié)構(gòu)是利用多個(gè)單元部件整合所構(gòu)成。在同一平面內(nèi)呈現(xiàn)左右對(duì)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(dòng)物行走姿態(tài)和機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，動(dòng)物行走時(shí)四腿有規(guī)律依次運(yùn)動(dòng)，而且呈現(xiàn)一定運(yùn)動(dòng)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(shí)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(dòng)的時(shí)候，三角機(jī)構(gòu)做來(lái)回?cái)[動(dòng)。

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(zhǎng)連桿構(gòu)成另外一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。兩個(gè)曲柄搖桿及平行四連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)帶動(dòng)腿部最下方的三角機(jī)構(gòu)做復(fù)雜曲線運(yùn)動(dòng)。

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(gè),ph=0。其自由度為：

根據(jù)公式(2)計(jì)算可知，該Jansen 行走機(jī)構(gòu)自由度為1，因此只需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)，即原動(dòng)件做周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，就可以驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所有運(yùn)動(dòng)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(gè)曲軸上把至少4個(gè)“腿”依照順序組合起來(lái)，組成一個(gè)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(duì)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(shí)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(gè)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(zhǎng)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(gè)下部三角桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)成。動(dòng)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(dòng)。通過(guò)三維CAD裝配中的運(yùn)動(dòng)算列，添加電機(jī)在曲柄機(jī)構(gòu)上，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真以此判斷機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可行性，和驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否存在干涉及結(jié)構(gòu)錯(cuò)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(dòng)Adams，選擇新建一個(gè)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(xiàng)，彈出File Import 文本框，在File Type 中，設(shè)置為ACCII；同時(shí)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(duì)應(yīng)的文本框中，選擇Model Create 菜單項(xiàng)，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(dòng)力機(jī)構(gòu)圖如圖9所示進(jìn)而進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)副和驅(qū)動(dòng)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(dòng)等特征方面無(wú)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(dòng)副。對(duì)每一組關(guān)聯(lián)機(jī)構(gòu)添加相關(guān)運(yùn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)和對(duì)原動(dòng)件添加驅(qū)動(dòng)。將曲柄與大地建立轉(zhuǎn)動(dòng)副，曲柄與兩短連桿和兩長(zhǎng)連桿分別建立轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)副?？拷匿J角和兩短連桿的另外一端建立轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)兩連桿分別建立轉(zhuǎn)動(dòng)副，構(gòu)成平行連桿機(jī)構(gòu)。同時(shí)和曲柄連接的長(zhǎng)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(dòng)副。然后在曲柄和大地的轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加驅(qū)動(dòng)。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(dòng)副和驅(qū)動(dòng)添加如圖10所示。

圖10

（四）運(yùn)動(dòng)仿真和結(jié)果曲線

將曲柄與大地轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加驅(qū)動(dòng)，設(shè)置勻角速度為30 r/min，設(shè)置仿真時(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)學(xué)仿真，獲得仿生腿運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)仿真做好準(zhǔn)備。利用三維CAD軟件和Adams這兩個(gè)功能強(qiáng)大的軟件，還可以對(duì)其它動(dòng)力學(xué)等其他方面做進(jìn)一步研究。采用Adams 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，大大提高了設(shè)計(jì)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(duì)于教學(xué)和實(shí)踐具有廣泛的意義。