基于ADAMS的機械玩具的動力學仿真研究

尹 芳，楊路飛，宋少云

(武漢工業學院機械工程學院，湖北武漢430023)

然而，對機械玩具進行仿真的相關研究在國內期刊上很少見到。中科院自動化研究所的張志剛等［1］從仿生學的角度出發，按照一系列步驟，編制了機器魚的設計與仿真軟件，實現了由生物特征到機器魚實現的過渡，方便了機器魚的設計;廣東番禺職業技術學院的廖春藍［2］在SolidWorks中使用Animator對一個電動飛機進行運動學的仿真，作者發現它能夠把玩具的復雜機構運動過程生動的表達出來，對于教學和科研都具有積極的意義。

筆者在對市場上數十種機械玩具做了測繪，建模和仿真后，研究了其中的一些關鍵技術并提出了一套解決方案。在仿真的玩具之中，一款白鰭豚頂球玩具設計最巧妙，也很有代表性，這里主要以它為例來闡述玩具動力學仿真中的一些關鍵技術。

1 白鰭豚頂球玩具的運動原理及仿真方案

一個拆去了一半外殼的白鰭豚頂球玩具如圖1所示。該玩具在上緊發條以后，會出現兩種狀態。第一種狀態是白鰭豚站立，球在上方連續旋轉，而身體則一頓一頓的往前移動;第二種狀態是到某個時刻，白鰭豚突然倒地，然后圍繞一個點轉圈，轉到一定圈數后，白鰭豚又突然直立，轉入第一種狀態。

圖1 白鰭豚玩具的三維模型

圖2是根據圖1繪制的機構運動簡圖。為清晰起見，這里面忽略了發條牙箱和玩具外殼。發條牙箱是一個靠卷簧驅動的齒輪減速器，其高速軸與圖2中的標準齒輪3相連，而其低速軸則與變齒距的不完全齒輪4的軸相連接。這樣，從發條牙箱出發，有兩套獨立的傳動系統。上面一支，從標準齒輪3經過冠齒輪2進行速度變向，冠齒輪2與球1同軸，該軸可以在殼體的通孔中勻速回轉，這是一個頂球動作，速度很快。另外一支，低速軸的運動從變齒距的不完全齒輪4傳出，傳到不完全齒輪6，而該齒輪上固定了白鰭豚的兩鰭6'。為了保證不完全齒輪6的回位，這里也使用了彈簧5。整套機構最巧妙的地方就在齒輪4和齒輪6的設計上。齒輪4的變節距產生了一頓一頓的效果，而其無齒部分使得4和6發生脫離，在脫離的時候，由于從4到5的傳動被中斷，從而使得兩鰭6'不能與地接觸，平衡被破壞而倒地，一旦倒地后，由于球1仍舊在轉動，這種轉動被地面所限制，從而產生一個靜摩擦力，該摩擦力對白鰭豚身體的觸地點產生一個力矩，驅動白鰭豚開始定軸轉動。

2 玩具殼外表面的曲面建模法

塑料玩具的外表面一般都是比較復雜的曲面，如何對這些復雜的曲面反求而進行三維建模，有許多方法。經過反復摸索，筆者得出了一種簡化的建模方法(因白鰭豚玩具的外殼相對簡單，這里以另一款金魚玩具的外殼建模來說明)。

首先，對現有的外殼表面數據點取樣。其方法如下。

(1)把玩具外殼放置在白紙上。

我來到了一座大廈前，大廈的玻璃幕墻上正在實時轉播著地球人和外星人大軍作戰的情況。只見外星人的飛碟紛紛被擊落了，眼看著人類就要勝利了，忽然有幾架外星人的飛碟使用了吸物技術（一種能吸走輕型物體的科技），把地球士兵的氧氣面罩全部吸走。只見一排排剛才還在英勇作戰的士兵，丟掉了手中的武器，張著嘴巴大口地呼吸，但是空氣中沒有一點點氧氣！一排排的地球士兵漲著通紅的臉，成片地跪倒在地上，失去了戰斗力。形勢瞬間發生了逆轉，地球人被外星人打敗了，失去抵抗能力的地球人被外星人的飛碟肆意攻擊……

(2)用鉛筆沿著外殼的軸線方向的兩側繪制曲線。

(3)把兩側曲線均勻分為合適的等分(設為N等分)。

(4)用鋁絲沿著等分在外殼上彎折，使之與玩具的表面緊密貼合。

(5)取下鋁絲，在白紙上描出其曲線輪廓。

(6)以此把所有等分處的曲線輪廓描出。

(7)對各條曲線輪廓再等分，用直尺測量出各點的坐標。

接著，根據上述取樣所得到的等分曲線，在某三維軟件中建模。(下面以Pro/E為例來說明)首先在Pro/E中以某一個面為基準，創建N個平行面如圖3(a)，接著分別在各個平面上創建曲線，這些曲線來自于上述取樣的曲線如圖3(b)，然后使用混合曲面的方式依次連接各曲線，并設定其距離，得到玩具的外殼如圖3(c)。

圖3 玩具殼外表面的建模

使用上述方法，可以生成大多數玩具的外殼。不過有些外殼形狀復雜，此時可以把它先分解成為幾個相對規則的部分，然后對每一部分采取上述方法來建模，最后再把這些部分拼接在一起，形成一個完整的外殼。

3 玩具殼內表面的AutoCAD輔助定位法

玩具的外殼除了起到裝飾性的作用以外，還起到了機架的容納，支撐作用。因此在外殼的內面，結構也是十分復雜的。白鰭豚玩具的外殼內面結構如圖4(a)所示，在其內表面上，存在著很多凸臺，凹槽，狹長板等結構，這些結構主要用于定位發條牙箱，齒輪，彈簧等結構，其位置是很重要的。這些小結構的位置和形狀尺寸很難直接測繪，為此，本文采用了變通的方法。

首先，把該外殼平置在桌面上，正對著照相，然后把相片導入到計算機并存儲為JPG格式，打開AutoCAD，把該圖片插入到AutoCAD中并放大到合適的大小，然后在AutoCAD中，先取一個關鍵點(一般是某個孔的中心)作為坐標原點，然后測量其它關鍵點與該原點的距離，從而得到這些內部結構之間的相對位置。顯然，這些相對距離與實際結構之間的相對距離是不一樣的。為了得到其實際值，只需要在實際結構上找比較好測量的兩個點來測量其距離，然后與圖中的距離相比較，從而得到一個比例，然后在AutoCAD中移走此圖片，而把尺寸按照此比例放縮到實際尺寸即可，如圖4(b)。

圖4 玩具內表面的AutoCAD輔助定位法

4 基于ADAMS的玩具動力學仿真

白鰭豚玩具在桌面上產生的各種動作，從力學角度考慮，它屬于多剛體動力學領域。而ADAMS是做計算多剛體動力學計算最有效的軟件之一［3］。為了在ADAMS中對該白鰭豚玩具進行動力學仿真，需要一整套嚴格的步驟，闡述如下。

(1)導出三維模型。在白鰭豚玩具的三維建模軟件中，把整個裝配體導出為Parasolid格式。

(2)在ADAMS中導入三維模型。從菜單file＞import對話框中，選擇parasolid格式類型，導入模型。

(3)瀏覽模型并重命名。使用tools＞Database Navigator打開數據庫導航器，勾選HighLight并依次瀏覽各個零件，刪除不需要的零件，然后逐個的給需要的零件重命名。重命名的目的是為了便于下面的施加約束。

(4)設置各個零件的質量屬性。使用Database Navigator導航，依次選中各個零件，設置其質量(由體積以及密度來定義)，輸入各個零件的密度，并開啟重力，設置合適的重力方向。

(5)休眠所有構件。為了保證約束的施加成功，需要逐個調試約束，這樣，需要先休眠所有構件，并隱藏外殼以便觀察內部結構。

(6)激活原動件以及固定在其上的零件。首先激活發條牙箱，并在它和ground之間施加固定副。

(7)激活與牙箱直接相連接并有相對運動的構件并施加運動副。這里面以轉動副居多，每激活一個構件后，施加運動副，然后在該運動副上施加一個驅動，考察其運動的可靠性。

(8)重復(7)，直到所有構件都被激活并施加了約束。注意要刪去前面為了調試而用的運動約束。

(9)創建地面，在地面和白鰭豚的身體兩鰭之間建立CONTACT，并刪除發條牙箱與GROUND之間的固定副，并做仿真。

按照上述方法對白鰭豚做的仿真如圖5所示。圖5(a)是直立狀態，白鰭豚一頓一頓的往前移動，同時球在高速旋轉;圖5(b)是倒地狀態，白鰭豚圍繞殼與地面的觸點而轉動。

圖5 白鰭豚的仿真效果

5 結束語

對市場上現有的機械玩具進行測繪，建模，裝配并做仿真，無論對于工程力學，機械原理的教學，還是對于玩具的創新設計及改進設計，都具有重要的意義。在對數十種機械玩具做測繪仿真的基礎上，研究了其中的一些關鍵技術，并闡明了解決方法。這些方法對于玩具的類似研究會具有一定的參考意義。

［1］ 張志剛，王碩，桑海泉.仿生機器魚玩具的機構設計、仿真與實現［J］.機器人技術與應用，2004(3)：31-35.

［2］ 廖春藍.基于SolidWorks Animator的玩具機構動態仿真研究［J］.廣東番禺職業技術學院學報，2009，8(1)：49-52.

［3］ 宋宇，陳無畏，陳黎卿.基于 ADAMS與MATLAB的車輛穩定性控制聯合仿真研究［J］.機械工程學報，2011，47(16)：86-92.