基于Adams的Jansen行走機構(gòu)的運動分析

（云南經(jīng)濟管理學院，云南·昆明 650106）

本文將采用三維仿真軟件Adams對Jansen行走機構(gòu)進行運動學仿真。Adams 軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。Jansen 行走機構(gòu)是機械系統(tǒng)中常見的典型機構(gòu)。通過仿真可以揭示該機構(gòu)的運動規(guī)律。本文以Jansen 機構(gòu)作為研究對象，利用三維CAD進行樣機的建模設計并導入到Adams 中，最后添加約束進行運動學仿真，從而得到該機構(gòu)的運動學仿真曲線，為后續(xù)的動力學仿真分析提供基礎。

一、Jansen行走機構(gòu)的組成

該機構(gòu)單元部件是運用3 個四連桿機構(gòu)及2個三角桁架機構(gòu)組成。上三角桁架一直角邊和下三角桁架一直角邊通過兩根連桿構(gòu)成一個四連桿機構(gòu)，該機構(gòu)為四邊形機構(gòu)，同時上三角桁架另一直角邊和原動件通過共用固定連桿和一活動連桿構(gòu)成第二個四連桿機構(gòu)，該四連桿機構(gòu)為曲柄搖桿機構(gòu)。①孫桓.陳作模.葛文杰.機械原理［M］.北京：高等教育出版社.而四邊形機構(gòu)靠近原動件的一邊和原動件通過共用固定連桿和另外一活動連桿構(gòu)成第三個四連桿機構(gòu)，該機構(gòu)也為曲柄搖桿機構(gòu)。整個結(jié)構(gòu)是利用多個單元部件整合所構(gòu)成。在同一平面內(nèi)呈現(xiàn)左右對稱分布，如圖1所示：

圖1

二、Jansen行走機構(gòu)分析

結(jié)合四腿動物行走姿態(tài)和機械結(jié)構(gòu)進行分析，動物行走時四腿有規(guī)律依次運動，而且呈現(xiàn)一定運動規(guī)律性。結(jié)合姿態(tài)分析和機械機構(gòu)原理分析得到Jansen仿生行走機構(gòu)如圖2所示：

圖2

Jansen 行走機構(gòu)中的“仿生腿”，它包含基本的三角桁架結(jié)構(gòu)、平行四邊形機構(gòu)，同時兼顧一定黃金比例的幾何學。將三角桁架結(jié)構(gòu)、平行四邊形機構(gòu)、曲柄連桿機構(gòu)、曲柄搖桿機構(gòu)進行依次組合，進而得到Jansen仿生行走機構(gòu)如圖3所示。

圖3

將Jansen行走機構(gòu)中的上部三角連桿機構(gòu)和曲柄一步分解如3 圖。為曲柄搖桿機構(gòu)。圖4 中曲柄做圓周運動的時候，三角機構(gòu)做來回擺動。

圖4

Jansen行走機構(gòu)的另一部分，圖5中下部三角機構(gòu)。曲柄和較長連桿構(gòu)成另外一曲柄搖桿機構(gòu)。兩個曲柄搖桿及平行四連桿機構(gòu)聯(lián)動帶動腿部最下方的三角機構(gòu)做復雜曲線運動。

圖5

Jansen 行走機構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)原理進行分析，其中Jansen 行走機構(gòu)n=7,pL=10 個,ph=0。其自由度為：

根據(jù)公式(2)計算可知，該Jansen 行走機構(gòu)自由度為1，因此只需要一個驅(qū)動，即原動件做周轉(zhuǎn)運動，就可以驅(qū)動機構(gòu)所有運動副，這也是機構(gòu)運行協(xié)調(diào)的基本原因。

Jansen 行走整體機構(gòu)中的一個曲軸上把至少4個“腿”依照順序組合起來，組成一個可行走的單元。如圖6所示。

圖6

三、Jansen行走機構(gòu)三維CAD的建模

運用三維CAD 軟件對Jansen 行走機構(gòu)進行零部件建模，與Adams 相比，三維CAD 軟件的建模功能更為強大。首先采用三維CAD零件命令模塊建立參數(shù)化實體模型，同時利用三維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、機架、曲柄、連桿進行轉(zhuǎn)配。得到如圖7所示

圖7

圖7所示為一Jansen行走機構(gòu)裝配圖，該行走機構(gòu)曲柄成60度均勻分布，每一個曲柄連接四搖桿，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)成四邊形連桿機構(gòu)。該機構(gòu)的腿部由六個下部三角桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)成。動力由曲柄機構(gòu)提供。四邊形連桿機構(gòu)、曲柄機構(gòu)參與機構(gòu)聯(lián)動。通過三維CAD裝配中的運動算列，添加電機在曲柄機構(gòu)上，進行運動仿真以此判斷機構(gòu)運動可行性，和驗證設計是否存在干涉及結(jié)構(gòu)錯誤。

四、基于ADAMS的仿真模型搭建方法

（一）SLDPRT模型導入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Adams，選擇新建一個新的模型文件，設置模型名為Jansen_1,重力為正常重力（—全局Y）,選擇默認的單位系統(tǒng)MMKS，進入工作界面后，選擇File Import 菜單項，彈出File Import 文本框，在File Type 中，設置為ACCII；同時單機下拉三角，彈出Select File 選擇框，從Select File 文本框中選擇要導入的*.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文本框中選擇要導入的Jansen*.x_t 格式文件；在Mod?el Name 對應的文本框中，選擇Model Create 菜單項，彈出Create Model 文本框，在Model Name 中輸入Jansen_1，點擊OK，模型成功導入到Adams中，如圖8所示。

圖8

將模型中重復機構(gòu)及機架去除得到一組動力機構(gòu)圖如圖9所示進而進行運動分析。

圖9

（二）ADAMS中部件屬性的定義

設置命令中圖標參數(shù)設置為10，導入模型后在Part一欄中分別定義三角連桿、四邊形連桿、原動件、機架、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。單機運用使實體模型中的構(gòu)件接近于實際物理模型。

（三）運動副和驅(qū)動的定義

在三維CAD軟件里，裝配體之間有相互配合關系，但三維CAD 軟件和Adams 軟件在配合關系、驅(qū)動等特征方面無法進行數(shù)據(jù)移植。因此，三維模型導入Adams后，需要重新添加運動副。對每一組關聯(lián)機構(gòu)添加相關運動副驅(qū)動和對原動件添加驅(qū)動。將曲柄與大地建立轉(zhuǎn)動副，曲柄與兩短連桿和兩長連桿分別建立轉(zhuǎn)動副、將兩上部三角桁架結(jié)構(gòu)的鈍角位置與大地建立轉(zhuǎn)動副?？拷匿J角和兩短連桿的另外一端建立轉(zhuǎn)動副。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)的下部短邊通過兩連桿分別建立轉(zhuǎn)動副，構(gòu)成平行連桿機構(gòu)。同時和曲柄連接的長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)動副。然后在曲柄和大地的轉(zhuǎn)動副上添加驅(qū)動。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。最終運動副和驅(qū)動添加如圖10所示。

圖10

（四）運動仿真和結(jié)果曲線

將曲柄與大地轉(zhuǎn)動副上添加驅(qū)動，設置勻角速度為30 r/min，設置仿真時間為10 s，仿真步數(shù)為200，進行仿真。仿真完成后，進入Adams 軟件postprocessor模塊進行仿真運動數(shù)據(jù)的處理，得到仿生腿Marker1 點和Marker2 點的平面運動軌跡如圖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進行Jansen機構(gòu)的運動學仿真，獲得仿生腿運動的運動曲線及數(shù)據(jù)，其仿真結(jié)果證明其仿真的可行性，為下一步的動力學仿真做好準備。利用三維CAD軟件和Adams這兩個功能強大的軟件，還可以對其它動力學等其他方面做進一步研究。采用Adams 進行運動學仿真，大大提高了設計效率，是虛擬樣機技術研究中的嶄新應用，促進了虛擬仿真的發(fā)展，對于教學和實踐具有廣泛的意義。