四足步行機構的步行運動仿真

朱維金

摘 要：四足步行機構是近年來研究的一個比較活躍的領域。四足步行機構在家庭娛樂、仿生學、健身器材等方面有很大的應用前景。文章建立分析三維模型，通過仿真軟件模擬四足步行機構在重力場環境下足端與地面接觸并向前步行，獲得四足步行機構前行的步行仿真動畫，從仿真的四足步行機構前進速度曲線和側擺速度曲線，得到設計實踐問題，從而為后續的設計獲得重點關注方向。

關鍵詞：四足 步行 接觸碰撞 速度曲線

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（b）-0119-02

步行機構有著廣闊的應用前景，目前四足步行機構的研究主要集中在小型輕便和控制等方面。該文設計的步行機構，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計手段，應用在該設計實踐中，得到一種快速驗證設計結果的方式和方法。為了使問題簡化，該文對機械結構進行較大簡化。

1 機構構型

如圖1所示，為步行機構簡圖。主運動機構為近似直線運動機構。盡管精確直線機構可以替代滑桿和導槽，但在應用中，有需要一段是直線，另一段是曲線的結構（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。該文采用的機構為霍肯直線機構。霍肯直線機構由卡爾·霍肯發明，是一種由4條連桿構成的機械結構。連桿的末端在半個周期內走直線，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小于千分之一。這是一種非常適用于設計用腳走路的運載工具的機械結構。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中未示詳細結構，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的機構仿真步驟，創建裝配體，施加運動副和載荷，設置固定件和運動件，設置仿真參數，仿真運算，輸出分析結果，其中施加運動副為機械配合鉸鏈才能運行。利用COSMOS Motion對整個機構進行模擬。首先用SolidWork對機構進行三維造型和裝配，然后用與SolidWorks無縫集成的COSMOS Motion三維動力學仿真軟件添加運動、約束、力、接觸碰撞單元等參數，對該機構進行運動仿真模擬，經驗總結為，冗余約束必須處理，表現現象為動畫模式能動，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，進而導致仿真失敗，初始位置就無法收斂。

3 仿真結果與速度分析

該文仿真的結果，四足步行機構在地面上扭擺前進。這種扭擺對騎乘人員和馱載物資影響不佳，耗費大量驅動功率。應用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，質量慣性，地面摩擦等影響，速度不穩，在3～12 s趨于穩態運行。

應用COSMOSMotion模擬機身在與前進相對垂直的側方向，速度曲線如圖4所示。仿真動畫體現為機身搖擺，四足步行機構在走偏。

4 結語

該文應用SolidWorks，對機構進行三維造型和裝配。用于SolidWorks、無縫集成的COSMOS Motion三維動力學仿真軟件，對四足步行機構進行步行模擬，獲得步行前進速度曲線。這種方法直觀地表現出四足步行機構的運動狀態。四足機構在重力場、足端與地面的接觸碰撞和自身質量慣性的共同作用下，產生搖擺現象需要在機構優化和驅動曲線的軟件控制優化方面做工作。該文為四足步行機構的后續設計，提供了設計方法和研究方向。

參考文獻

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