鉸鏈四桿步行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動功率分析

杜振軍++劉一恒

摘 要：四足步行機(jī)構(gòu)是近年來研究的一個比較活躍的領(lǐng)域，四足步行機(jī)構(gòu)在家庭娛樂、仿生學(xué)、健身器材等方面有很大的應(yīng)用前景，文章對機(jī)構(gòu)的構(gòu)型做了深入調(diào)研后采用霍肯直線機(jī)構(gòu)，建立四足步行機(jī)構(gòu)的其中一足作為分析模型對象，通過軟件對足端運(yùn)行軌跡做出運(yùn)動分析，并獲得電機(jī)力矩曲線、電機(jī)功率曲線、鉸接支承反力曲線，從而為后續(xù)的設(shè)計提供可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：四足 步行 機(jī)構(gòu) 鉸接支承反力

中圖分類號：TH11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（c）-0078-02

目前四足步行機(jī)構(gòu)的研究主要集中在小型輕便和控制等方面。該文設(shè)計的步行機(jī)構(gòu)，重點在足跡和功率分析上，四足步行機(jī)構(gòu)其中主要部分為霍肯直線機(jī)構(gòu)，霍肯直線機(jī)構(gòu)是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的一種特殊構(gòu)型，霍肯直線機(jī)構(gòu)能夠保證四足步行機(jī)構(gòu)在步行過程中，整個機(jī)身在一條近似直線上運(yùn)行，保證運(yùn)行平穩(wěn)性。該文通過SolidWorks建立步行機(jī)構(gòu)的三維模型，并對其進(jìn)行仿真模擬。為了使問題簡化，該文對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大簡化。

1 機(jī)構(gòu)構(gòu)型

圖1為步行機(jī)構(gòu)簡圖。主運(yùn)動機(jī)構(gòu)為近似直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)。盡管精確直線機(jī)構(gòu)可以替代滑桿和導(dǎo)槽，但在實際應(yīng)用中，需要一段是直線，另一段是曲線的結(jié)構(gòu)，例如：用腳步行的機(jī)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(jī)械很難讓直線段嚴(yán)格為直線，但可以做成近似程度非常高的直線。采用的機(jī)構(gòu)為霍肯直線機(jī)構(gòu)，霍肯直線機(jī)構(gòu)由卡爾·霍肯發(fā)明，是一種由4條連桿構(gòu)成的機(jī)械結(jié)構(gòu)，連桿的尺寸比例有一定數(shù)值要求，連桿的末端在半個周期內(nèi)走直線，另外半個周期走特殊的弧線。實驗表明，這種直線機(jī)械的誤差在其工作范圍內(nèi)小于千分之一，這是一種非常適用于設(shè)計用腳走路的運(yùn)載工具的機(jī)械結(jié)構(gòu)，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(shè)置較大的面積的墊子以減小對地面的壓強(qiáng)，平衡路面的高低不平，保證四足末端與機(jī)身垂直的為兩個直線運(yùn)動副。

2 足端的端點軌跡模擬

采用COSMOS Motion的機(jī)構(gòu)仿真步驟，創(chuàng)建裝配體，施加運(yùn)動副和載荷，設(shè)置固定件和運(yùn)動件，設(shè)置仿真參數(shù)，仿真運(yùn)算，輸出分析結(jié)果，其中施加運(yùn)動副為機(jī)械配合鉸鏈。利用COSMOS Motion對足部機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動模擬，首先用SolidWork對機(jī)構(gòu)進(jìn)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(xué)仿真軟件添加運(yùn)動、約束、力等參數(shù)，對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真模擬，用圖形形式輸出足端端點運(yùn)動軌跡圖，如圖2所示。

3 轉(zhuǎn)矩與功率分析

該文采用相對運(yùn)動分析方法，固定四足機(jī)構(gòu)的一足，讓機(jī)身運(yùn)動，應(yīng)用COSMOS Motion模擬驅(qū)動足部電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出結(jié)果，如圖3所示，兩個波峰階段為一足支撐階段，其余為重力做功階段，在實際應(yīng)用中，重力做功階段為足與地面非接觸階段，應(yīng)用COSMOS Motion模擬驅(qū)動足部電機(jī)的功率輸出結(jié)果，如圖4所示，第一個波峰為驅(qū)動電機(jī)能量克服重力和頂升機(jī)構(gòu)運(yùn)動功率極限，第一個波谷為連桿受力，理論上電機(jī)不輸出任何能量，也不承擔(dān)任何力矩。應(yīng)用COSMOS Motion模擬短連桿的鉸接支承反力結(jié)果，如圖5所示，短連桿和電機(jī)力矩驅(qū)動的曲柄，之間由連桿連接，所以波動周期一致，但是由于杠桿作用效用，數(shù)值有不同。

4 結(jié)語

該文應(yīng)用SolidWorks，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維造型和裝配。用與SolidWorks、無縫集成的COSMOS Motion三維動力學(xué)仿真軟件對四足步行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡進(jìn)行模擬，用軌跡跟蹤的形式顯示出軌跡圖，這種方法直觀地表現(xiàn)出四足端點的運(yùn)動軌跡。同時對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率進(jìn)行分析，對連桿也進(jìn)行鉸接點受力分析，為合理選擇機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)提供依據(jù)，同時也可以提高機(jī)構(gòu)的設(shè)計效率。

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