四足步行机构的步行运动仿真

朱维金

摘 要：四足步行机构是近年来研究的一个比较活跃的领域。四足步行机构在家庭娱乐、仿生学、健身器材等方面有很大的应用前景。文章建立分析三维模型，通过仿真软件模拟四足步行机构在重力场环境下足端与地面接触并向前步行，获得四足步行机构前行的步行仿真动画，从仿真的四足步行机构前进速度曲线和侧摆速度曲线，得到设计实践问题，从而为后续的设计获得重点关注方向。

关键词：四足 步行 接触碰撞 速度曲线

中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（b）-0119-02

步行机构有着广阔的应用前景，目前四足步行机构的研究主要集中在小型轻便和控制等方面。该文设计的步行机构，重点在单腿步行曲线、足端与地面接触和速度分析上。原理上步行腿部机构在支持阶段能够保持机身平动前进。该文通过SolidWorks建立步行机构的三维模型，并对其进行仿真模拟。仿真作为一种逼近真实物理情况的设计手段，应用在该设计实践中，得到一种快速验证设计结果的方式和方法。为了使问题简化，该文对机械结构进行较大简化。

1 机构构型

如图1所示，为步行机构简图。主运动机构为近似直线运动机构。尽管精确直线机构可以替代滑杆和导槽，但在应用中，有需要一段是直线，另一段是曲线的结构（如图2）。例如：用脚步行的机械在着地时要沿着直线，返回时抬脚又需要走曲线。这样的机械机构很难让直线段严格为直线。但可以做成近似程度非常高的直线。该文采用的机构为霍肯直线机构。霍肯直线机构由卡尔·霍肯发明，是一种由4条连杆构成的机械结构。连杆的末端在半个周期内走直线，另外半个周期走特殊的弧线。图1中，曲柄长度为基准长度。其中曲柄与机身连接的轴和摆杆与机身连接的轴，两个轴的距离，为曲柄基准长度2倍。与机身连接的摆杆长度为曲柄基准长度2.5倍。与曲柄连接的长杆的长度为曲柄基准长度的5倍，并在中点处与摆杆连接。实验表明，这种直线机械的误差在其工作范围内小于千分之一。这是一种非常适用于设计用脚走路的运载工具的机械结构。相比轮子，用脚走路对地面的要求很低，而且脚的末端可以设置较大面积的垫子以减小对地面的压强，平衡路面的高低不平。保证四足末端与机身垂直为两个直线运动副，图1中未示详细结构，图2为轨迹图。

2 足端与地面的接触碰撞仿真模拟

采用COSMOS Motion的机构仿真步骤，创建装配体，施加运动副和载荷，设置固定件和运动件，设置仿真参数，仿真运算，输出分析结果，其中施加运动副为机械配合铰链才能运行。利用COSMOS Motion对整个机构进行模拟。首先用SolidWork对机构进行三维造型和装配，然后用与SolidWorks无缝集成的COSMOS Motion三维动力学仿真软件添加运动、约束、力、接触碰撞单元等参数，对该机构进行运动仿真模拟，经验总结为，冗余约束必须处理，表现现象为动画模式能动，仿真模式不动。仿真开始时间点，必须有足端与地面贴合，避免仿真开始位置悬空过高，进而导致仿真失败，初始位置就无法收敛。

3 仿真结果与速度分析

该文仿真的结果，四足步行机构在地面上扭摆前进。这种扭摆对骑乘人员和驮载物资影响不佳，耗费大量驱动功率。应用COSMOS Motion模拟机身前进方向速度曲线，如图3所示。开始阶段0～3 s，重力加速，质量惯性，地面摩擦等影响，速度不稳，在3～12 s趋于稳态运行。

应用COSMOSMotion模拟机身在与前进相对垂直的侧方向，速度曲线如图4所示。仿真动画体现为机身摇摆，四足步行机构在走偏。

4 结语

该文应用SolidWorks，对机构进行三维造型和装配。用于SolidWorks、无缝集成的COSMOS Motion三维动力学仿真软件，对四足步行机构进行步行模拟，获得步行前进速度曲线。这种方法直观地表现出四足步行机构的运动状态。四足机构在重力场、足端与地面的接触碰撞和自身质量惯性的共同作用下，产生摇摆现象需要在机构优化和驱动曲线的软件控制优化方面做工作。该文为四足步行机构的后续设计，提供了设计方法和研究方向。

参考文献

[1] 牛瑞霞，詹俊勇，仲太生.基于SolidWorks偏置曲柄滑块机构运动仿真分析[J].锻压装备与制造技术，2016， 51（5）：19-20.

[2] 陳超祥，胡其登.SolidWorks Motion运动仿真教程[M].北京：机械工业出版社，2014.

[3] 李树军.机械原理[M].东北大学出版社，2000.