可调式行走机构设计运动学分析和建模.doc

精选资料
毕业论文_可调式行走机构设计-运动学分析和建模
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
近年来，对双足行走运动的研究成为了力学、机械、控制、机器人学、生物学、心理学等学科的热点问题。与大多数四足或六足的动物相比，人类的双足行走运动可以把上肢解放出来，在运动的过程中完成其他的任务，且可以实现在更复杂、更崎岖的环境中运动；同时，人类的双足运动在稳定性的控制上也具有更高的要求。自 20 世纪 90 年代以来，对双足行走机器人的研究成为了国内外学者关注的一个热点问题。将基于主动控制的双足运动与基于被动行走的双足运动相结合，对于提高双足机器人的运动效率，实现多种运动步态都有十分重要的意义。
世界上第一台的机器人样机制造于1954年的美国，它基本上体现了现代工业应用的机器人的主要特征，虽然它仅仅是一台试验样机，但是为机器人的进一步发展起到很大的推动和指引作用。随后美国的联合控制公司（ConsolidatedControl Company)于1960年研制出了第一台具有真正意义的工业机器人。两年后美国的机床与铸造公司AMF也生产出了另外一种可以进行编程并实际用于工业操作的工业机器人。
20世纪70年代，机器人技术开始向产业化发展，并逐渐发展成为一门专门的有着自己较系统理论的一门学科—机器人学（Robotics)，这样就进一步扩大了机器人的应用领域，如图1所示为机器人的各种应用实例。

图1 机器人各种应用领域
随后各种坐标系统、各种结构机器人的相继出现以及计算机辅助设计技术的飞跃发展，使得机器人的性能和结构有了很大的进步，同时成本也在不断下降。20世纪80年代，各种不同结构、不同控制方法以及不同用途的工业机器人在工业比较发达的国家已经进入了真正的实用化普及阶段。随着传感器技术和智能.技术的发展，智能机器人的研究范围也逐渐扩大，机器人的视觉、触觉、力觉、听觉、接近觉等方面的研究大大的提高了机器人的自适应能力，促进了机器人的人性化进程。20世纪90年代，机器人伺服驱动系统迅速发展，这一时期，各种装配的机器人产量增长迅速，与机器人配套使用的装置和视觉技术也得到迅猛发展。
21世纪以来，机器人不仅仅局限于杆件结构，人们开始赋予它新的“肌肉”、“血管”，使其能够更好的比照人类进行运动和“生活”。这时期，机器人的形象更加丰富，感官、知觉等也越来越“人性化”。
近几年，机器人特别是双足机器人产业发展突飞猛进，不管是从专业技术水平上，还是从装备的数量上，都具有集中优势。机器人研究强国日本研发的新型的面向人们日常生活和服务行业的“医疗机器人”、“唱歌机器人”、“服务机器人”等正逐渐进入角色，走进人们的生活，如图2和图3所示。2011年全球组织机器人进行全程马拉松大赛，要求两条腿的机器人完成约42.2公里的奔跑，此次比赛就是为了证实机器人的耐久性和灵活性。

图2 “唱歌机器人”和“服务机器人”

图3 “医疗机器人”和“工业机器人”
研究双足行走机器人的目的和意义主要体现在以下 2 个方面：
1) 设计、研制高效、稳定的双足机器人及辅助行走设备，推进工程技术的进步。
从上个世纪开始，各国科学家一直致力于研制具有双足运动能力的仿人机器人。双足机器人可以帮助人们在复杂的环境下作业、为人类服务。目前比较有代表性的是本田公司于 2000 年发布的双足机器人 ASIMO，高度为 120 cm，重量 43 kg，可以实现行走、舞蹈、上下楼梯等运动，并可以与人交互，完成推车、导游等任务。将双足运动的机理应用到人工智能假肢中，进行助残和康复方面的研究也是双足运动领域的一个热点问题。
2) 通过对双足运动规律的研究，更好地理解人类双足行走的机理。
人类的双足行走运动是一个非常复杂的过程，需要包括下肢和躯干在内的很多块肌肉的协调配合，来达到稳定的行走。由于人类可以在各种复杂的环境中实现自然、稳定、高效的行走，人类的行走运动为研制双足机器人提供了一个很好的自然界的范本。通过对双足行走机器人以及双足运动建模的研究，可以帮助我们进一步探索、发现人类双足行走的机理。
1.2研究现状
1.2.1国外研究现状
国外的机器人技术发展和起步比国内较早，以欧、美、日的发展最为迅速。法国于2000年开发了一种具有15个自由度的能够适应在未知外界条件下的步行机器人BIP2000，可以实现静止站立、匀速行走、在线爬坡和简单上下楼梯等动作。麻省理工学院2005年设计研制了的机器人Domo，如图4所示，该机器人具有29个自由度，虽然它的部分关节虽然没有利用电动机和控制器，但是却能实现稳定的仿真运动，随后其又提出了一种虚拟模型控制策略（Virtual Model Control-VMC)，并且有效的应用于名为Spring Turkey和Spring Flamingo的两个双足机器人的控制系统中。同时为了能够更加有效的利用机械势能使其腿部能够完成被动的摆动过程，在步态规划的过程中参考了人类行走过程中的部分机构被动特性，将步态周期划分四个阶段分别设计研究，而且在实际的行走试验过程中无明显的停顿现象。此外，美国还推出了可以奔跑和表演体操的平面型双足机器人，最大速度高达4. 3m/s。

图4 机器人Domo
日本本田公司1996年研制出了世界上第一台可以实现无线控制、动态行走、的自主型仿人步行机器人样机P2，速度可达3km/h、并且能上下楼梯、推动物体，高182cm，重210kg,具有30个自由度，随后推出了自适应双足步行机器人P3，该机器人设有传感器，自适应能力较强，可以在障碍地面稳定行走，是一款可以自行上楼梯的仿人形机器人。还有可以自由转向的仿人形机器人ASIMO,具有26个自由度，其身高120cm，体重42kg，行走速度范围是0-1.6km/h，可以自我预测下一个动作并提前改变重心，可以进行弯腰、上下楼梯、“8”字形行走等各项“复杂”动作，此外还可以与人握手、挥手，甚至可以随着音乐缓缓起舞。
1.2.2国内研究现状
目前，随着机器人技术的完善以及应用的领域的扩大，我国的机器人技术也得到了迅速的发展并逐步形成体系。特别是21世纪以来，机器人技术发展更是突飞猛进，无论是工业还是服务业领域都有了较大的发展。
国防科技大学研究出了拥有12个自由度的空间性双足机器人KDW-3，实现了步长0.2m、周期0.8s的动态行走，并具备转弯功能，该机器人最大可爬行角度为13°的斜坡其后，于2000年又研制出了仿人型机器人“先行者”号，如图5所示，它的控制系统拥有一定的语言功能，实现了机器人技术的重大突破。

图5 仿人型机器人“先行者”号
2000年，上海交通大学智能机器人研究室研制除了共有24个自由度的仿人机器人SFHR，包含腿部的12个自由度、手臂的10个自由度和身上的2个自由度，可以实现步长0. Im，周期3.5s的步行运动。2001年又制造了 “交龙”号轮椅机器人，“交龙”号的智能轮椅配备有激光测距雷达和视觉传感器，可以通过引导和实践自动记忆环境地图，具有高精度自定位能力，该轮椅具有灵敏迅捷的躲避障碍和路径规划能力、触摸屏和语音交互功能以及高度的安全性和机动性。
2002年，北京理工大学设计的拥有32个自由度的仿人机器人BHR-1，如图6所示，可实现步长0.33m,速度Ikm/h的动态行走，并能根据自身的传感器和平

图6 仿人机器人BHR-1
衡感知能力来平衡自身与地面的接触状态，实现未知地面的稳定行走2004年哈尔滨工业大学设计研发了一款可以踢球的仿人足球机器人——"HIT"，该机器人身高约50cm,共有17个关节，全身各个关节包括腰部、膝盖、胯部、脚踝等都是用螺丝连接，该机器人的行走速度可以达到0.2m/s，其头部配有摄像头，用来判断识别足球、其他球员以及障碍物，从而在比赛过程中自适应避障、准确射门，另外，它还可以进行爬楼梯等运动。
近期清华大学在985计划的支持下设计出了仿人型机器人THBIP-1，该机器人具有32个自由度，高170画，重130kg,具有良好的自适应能力和反应能力。此外，我国于2008年组织了双足机器人足球赛和机器人武术擂台赛，这时的机器人的反应更加敏捷，对周围感知能力更强，而且更具有“人”性化。
1.3 双足行走机器人的分类
目前国内外对双足行走运动的研究，可以从稳定性角度和力学角度进行分类。
1.3.1 从稳定性的角度分类
从稳定性的角度，双足行走可以分为静态行走和动态行走。将能包容机器人足底与地面之间的所有接触点的最小多边形区域称为支撑多边形，则在静态行走中，在运动过程中行走者的质心在地面上的投影始终不超过支撑多边形的范围。而在动态行走中，行走者的质心在地面上的投影在某些时刻会在支撑多边形之外。静态行走的优点是可以时刻保证稳定性，缺点是行走速度会受到极大的限制。动态行走中，很多机器人采用的是基于零力矩法(zero moment point，ZMP)的控制方法。这种机器人在行走过程中，支撑腿的脚掌与地面保持全接触的状态。相比于静态行走，基于 ZMP 的行走中的限制条件更宽松一些，机器人也可以实现在更大速度范围内的运动，但是在运动效率、步态自然性等方面依然和人类行走相差比较远。与基于 ZMP控制的行走方式相比，基于极限环的行走(limitcycle walking)中的限制条件更为宽松。基于极限环行走的概念最早由 Hurmuzlu 等人提出，Hobbelen等人又进行了系统的整理，其基本思想是：将行走运动看作一个极限环，不是在每时每刻都局部稳定，但是在整体上能形成稳定的周期运动序列。这种运动方式的双足机器人，具有更高的运动效率，而且更容易实现较高速度的行走。
1.3.2 从力学角度分类
从生物力学角度，双足行走可以分为基于主动控制的运动和基于被动行走的运动。基于主动控制的双足行走中，一般在所有关节都施加驱动，各个关节的运动轨迹是事先指定好的，根据期望的关节轨迹，计算各时刻所需要施加的驱动力矩，用轨迹跟踪的方法控制机器人各关节准确跟踪事先指定的轨迹。这种控制方法的优点在于：可以对机器人的运动方式进行精确的规划，机器人可以在驱动器功率允许的范围内完成各种复杂的运动，便于实现对双足运动的精确控制；缺点在于：能量消耗大，效率低，对驱动器的性能要求较高，步态不自然，与实际人类运动相差较大。基于被动行走的双足运动，一般不对各个关节的运动轨迹进行精确的规划，直接施加较简单的驱动和控制即可实现行走。这种行走的优点是运动效率高，步态自然，接近人类实际运动，制作相对简单，易于实现；缺点是控制难度高，运动的稳定性不容易保证，难以实现上下楼梯，跨越障碍物等较复杂的运动。
1.4 虚拟样机与运动仿真
虚拟样机技术是上世纪80年逐渐兴起、基于计算机技术的一个新概念。从国内外对虚拟样机技术 (Virtual Prototyping, VP)的研究可以看出，虚拟样机技术的概念还处于发展的阶段，在不同应用领域中存在不同定义。
一般来讲，虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持的协同工作(CSCW)技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法。
产品设计过程中进行虚拟样机制造和运动仿真，对于提高产品质量和降低成本具有重要的作用。本文将对凿岩机行走机构进行实体建模，制造虚拟样机，同时进行运动仿真。
虚拟样机制造在工业发达国家，如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域，美国处于国际研究的前沿，福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术，大大缩短了产品的发布时间。波音公司设计的777型大型客机(如图10)是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机，它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。

图10 777型大型客机

基于产品的数字化模型，应用先进的系统建模和仿真优化技术，虚拟制造实现了从产品的设计、加工、制造到检验全过程的动态模拟(如图11)，并对其运作进行了合理的决策与最优控制。虚拟制造以产品的“软”模型取代了实物样机，通过对模型的模拟测试进行产品评估，能够以较低的生产成本获得较高的设计质量，缩短了产品的发布周期，提高了效率，本文将实现马尾纱包芯纱纺纱机样机的虚拟制造和动态仿真。

图11 虚拟制造和动态模拟

1.5 本文主要研究的内容
1、对可调式双足行走机构的发展历史及趋势以及其在相关领域中的应用进行相关的资料收集，进行分析研究，熟悉相关机构的发展现状；
2、熟悉、理解所研究可调式双足行走机构的运动学分析的概念、机构组成原理、运动形式以及驱动模式，建立该机构的运动学位置反解方程；
3、掌握并能熟练应用Solidworks、ADAMS等三维建模、仿真软件，建立可调式双足行走机构的运动学分析的仿真模型；
4、在三维实体环境中，识别可调式双足行走机构的设计参数，针对不同的结构参数，评价机构的各项性能指标，绘制性能图谱；
5、对机构主要部件进行尺度设计使其满足特定工作任务需求，并绘制零件及装配图纸；
6、总结设计内容，按照我校关于毕业设计论文的相关要求，撰写具有一定质量水平的毕业论文；

第二章 可调式双足行走机构运动学分析
2.1 机构运动学分析总述
行走机构可以看作刚性多连杆机构，它是由一系列连杆通过旋转或移动关节串联而成。链的一端固定在基座上，另一端是自由的，安装末端执行器，用以完成各种作业。连杆关节由驱动器驱动，关节与关节之间的相对运动导致连杆的运动，从而使末端达到所需的位姿。为了研究行走机构各个连杆之间的位移关系，可以在每个连杆上固接一个坐标系来描述连杆在该坐标系中的位置，然后再描述这些坐标系与坐标系之间的关系，从而确定连杆与连杆之间的关系。1953年，由Denavit和Hartenberg提出了一种通用的建立机构的运动学方程的方法，即用一个44的齐次变换矩阵来描述相邻两连杆之间的空间关系，然后推导出“末端坐标系”相对于“参考坐标系”之间的等价齐次变换矩阵，从而建立机械手的运动方程。机械手机械系统的运动学分析主要涉及到两个问题：
1、建立运动学方程。即已知各个关节的参数，来求取末端执行器(手爪)的空间位置和姿态，也即求运动学的正解。
2、求解运动学方程。即已知机构末端执行器(手爪)的空间位置和姿态，来求取各个关节的相应的参数值。即求运动学逆解。在本文中，将分别介绍行走机构的运动学逆解的求取步骤。
可调式双足机器人运动学分析是对其实施运动控制、执行器末端位置实时监测和轨迹规划的理论基础。
2.2 系统描述与坐标系的建立
如图1所示，为可调式双足行走机构的方案图，行走机构每条腿由两条对称

图1 行走机构方案图
的支链组成，形成并联机构。每条支链由转动副将各个杆连接起来，对称支链的末端连接动平台，即行走机构末端，如图2所示为三维实体结构实体图。

图2 可调式双足行走机构三维实体图
如图3所示，为可调式双足行走机构的结构简图。图中，Ai(i=1,2)表示支链i连架虎克铰中心。以Ai(i=1,2)的连线所在的直线为x轴，以Ai(i=1,2)的中点为原点o，以与x轴垂直的方向为y轴建立直角坐标系o-xyz。θi1(i=1,2)表示支链i连架杆与水平线的夹角，θi3(i=1,2)表示支链i与末端相连的杆与x轴之间的夹角。li0(i=1,2)表示支链i连架杆虎克铰中心到坐标系原点的距离，li1(i=1,2)表示支链i第1根杆的长度，li2(i=1,2)表示支链i第二根杆的长度，li3(i=1,2)表示支链i第三根杆的长度，li4(i=1,2)表示支链i第四根杆的长度。oo’表示末端中心与坐标系原点的连线矢量，用以确定末端的位置。

图3 行走机构结构简图
2.3 行走机构位置逆解分析
根据行走机构的运动协调性和机器人动力学推倒，进行了行走机构尺度综合。图中尺寸有如下关系：
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
对于第一支链：
(8)
(9)
对于第二支链：
(10)
(11)
根据上述方程，行走机构逆解求解思路为：
上述一共四个方程，存在四个未知数： ，其中仅有两个未知数是我们需要求出的：。
逆解求解过程如下：
由式（7）可得：
(12)
式中：；。
由式（9）可得：
(13)
式中；
注意到式(5)的平方与式(6)的平方和等于1，所以有：
(14)
对于式(14)的求解可分为两种情况求解：
情形一：
当时，此时：
这样展开式（14）可得：
(15)
整理可得：
(16)
因此：
(17)
情形二：
当时，此时：
这样展开式（14）可得
(18)
整理可得
(19)
为了求得，将三角万能公式：
；
其中。
代入方程（19）可得：
(20)
整理可得：

(21)
这样就有：
(22)
式中：
；
；
；
方程式（21）可以得到两个值，取的值。
第二个电机的转角求解与之相同。同理，可以得到第二个电机转角:
(23)
式中：
；
；
；
；；。
这样给定脚的中心点的坐标，即可求出两个电机的转角了。给定机构的尺寸后，为验证算法的正确性，可先选特殊的位置点进行计算，比如X坐标为零时，这两个转角的大小应该相同。

第三章 行走机构建模装配和工程图绘制
3.1 三维实体建模概述
零件的几何造型与虚拟装配是动画仿真的基础，为了实现行走机构工作过程的动画仿真，首先得建立行走机构的三维几何模型。行走机构三维模型的建立主要包括各个零部件的实体造型以及整机的虚拟装配。
实体造型技术(Solid Modeling)是计算机视觉、计算机动画、计算机虚拟现实等领域中建立3D实体模型的关键技术。计算机实体造型进行虚拟制造，是借助电子计算机及相关技术，对复杂的真实系统和状态进行数字模拟，具有经济、安全、快捷、具有优化设计和预测的特殊功能。实体造型技术是指描述几何模型的形状和属性的信息并存于计算机内，由计算机生成具有真实感的可视的三维图形的技术。
目前常用的实体表示方法主要有：边界表示法(BRep)、构造实体几何法(CSG)和扫描法。
借助计算机进行虚拟制造，具有以下优点：①将新产品维修和维护的方法直观地演示给观众，使观众更容易理解，以便能准确操作；②很多复杂的设备，由于在其设计阶段，其工作过程中的状态无法具体化，采用三维抽象模拟，就可以解决此类问题，大大节省了成本和时间，让设计者能轻易地理解运行状态中产品的实际情况，改进设计； ③大型设备的运送、现场安装、安装过程、现场工作实景，特别是一些特殊场景，无法以传统的拍摄模式将设备信息展现给观众，而采用三维模拟，可以将这些难以表达清楚的场景和过程，一一列举，清晰准确。
本章将以第二章完成的设计方案为依据，通过计算机进行虚拟样机的设计和验证所设计机构的正确性和有效性。
3.2 Solidworks三维建模方法
几何建模采用自下而上的建模方法，即根据各个零件的结构形状与尺寸建立零件的三维几何模型，然后再按照零件之间的配合与约束关系进行装配，完成整机的虚拟装配。
Solidworks零部件的建模过程为：首先选取合适的基准面，建立各零部件的平面草图；其次利用拉伸、特征扫描、旋转、切除、放样等命令完成零件的基本特征的造型；然后利用倒角、圆角等命令完成局部的造型，最后完成整个零件的建模，如图1所示为Solidworks零件三维建模的常用命令。

图1 Solidworks基本建模命令
Solidworks提供了强大的装配功能，如图2所示为Solidworks常用的基本装配命令，其优点为：①在装配体环境下，可以方便地设计及修改零部件；②可以动态观察整个装配体中的所有运动，可以对运动的零部件进行动态干涉检查及间隙检测；③可以通过镜像、阵列零部件，设计创建出新的零部件及装配体。在行走机构机构的装配过程中，首先插的零部件会自动定义为固定静止的部件，然后依次插入各零部件，通过一系列的配合约束关系，装配成整机。装配前，应该认真分析各零件、部件在部件、整机中的位置、作用、以及相关的装配关系、运动关系，以保证装配运动的灵活性、不干涉性。

图2 Solidworks常用的装配命令
下面通过介绍装配过程， 说明在Solidworks中的装配体生成方法：①打开新建装配体命令，即进入生成装配体的界面；②在装配体界面中，点击“插入零部件”命令，如图3所示，排列各零部件，顺序按照从上到下排列。注意插入的零部件应该集中在一个区域，不要过于分散，以便于下一步装配步骤；③装配时，将所有的零部件通过“重合”、“平行”、“垂直”、“距离”、“同轴心” 等配合约束装配起来。装配好具有对称特征的一边零部件后，运用圆周阵列特征命令，装配零件。装配时，要运用“移动零部件”、“旋转零部件” 将零件拖动到便于配合的合适位置。装配时应该注意做干涉检查，消除装配干涉，最后装配成虚拟样机。
本节针对行走机构主要零件分别进行几何建模与整机虚拟装配，这是实现行走机构动画仿真的关键。

图3 插入零部件对话框
3.3 行走机构零部件建模
3.3.1 铰链的建模
按上述建模方法，对铰链进行建模。铰链的三维线框图如图4所示，三维实体图如图5所示。

图4 铰链的三维线框图

图5 铰链的三维实体图
3.3.2 行走机构末端的建模
按上述建模方法，对铰行走机构末端进行建模。末端的三维实体图如图6所示，末端三维线框图如图7所示。

图6 末端的三维实体图

图7 末端的三维线框图
3.3.3 杆的建模
按上述建模方法，对杆进行建模。杆的三维实体图如图8所示，杆的三维线框图如图9所示。

图8 杆的三维实体建模

图9 杆的三维线框图
3.4 行走机构虚拟样机的装配
3.4.1 行走机构单支链的装配
按前述装配方法，对行走机构支链进行装配。支链的三维实体图如图8所示。

图8 行走机构单支链装配
3.4.2 行走机构整体装配
按前述装配方法，对行走机构整体进行装配。整体机构的三维实体图如图9所示。

图9 行走机构整体装配
3.5 行走机构零件和装配工程图
三维数字化模型转化为二维图形时大部分是基于工程图模板的，工程图模板的好坏直接决定了后续工作的工作量。SolidWorks 软件中的工程图在参数驱动后，工程图的视图、标注等随模型变化，这是实现参数化、数字化的基础；但是模型中的零/部件配置改变或零/部件被替换之后，这些零/部件反映在工程图中的线(点) 的 IDentity( ID) 发生变化，尺寸标注及注解找不到原来的依附线(点) ，就会造成尺寸标注及注解的漂移甚至报错，所以解决问题的关键在于保证尺寸标注及注解依附线( 点) 的 ID 不变。
视图比例的调整主要依据视图包络线对角线长度的变化，视图包络线又叫视图边界，当指针经过工程视图的边界时，视图边界被高亮显示。边界根据默认紧密套合在视图周围; SolidWorks 赋予其大小，不可更改。如果添加草图实体到工程图视图，边界将自动调整大小以包括这些项目。
装配草图是数字化设计常用的技术，参数驱动时，装配草图在控制零/部件的尺寸和装配关系的同时，自身的线(点)的 ID 在参数驱动前后保持不变，是尺寸标注及注解依附线(点)的理想选择，但是装配草图中的点和线与工程图尺寸标注及注解需要的依附线(点)在数量和位置上有一定的区别，需要另外增加辅助线(点)，以便为工程图中的尺寸标注及注解提供足够的依附线(点)。这种基于增加辅助线(点)装配草图的工程图模板在参数驱动后，由于尺寸标注及注解依附线(点) 的ID没有发生变化，不会出现严重的尺寸漂移以及报错现象，但是此类工程图模板在参数化驱动后仍存在以下问题: 1)视图比例失调; 2)视图位置漂移，甚至重叠；3) 尺寸标注、序号线漂移；4)尺寸精度未按实际尺寸显示; 5)在转化为DWG 格式的图形后，线形比例不符合要求。
下文以铰链为例，绘制零件的工程图。
3.5.1 铰链的工程图
如图10所示，在绘制铰链三维实体图的基础上绘制铰链的二位工程图，为实际加工提供图纸。

图10 铰链的二维工程图
3.5.2 行走机构整体装配图
如图11所示，为行走机构整体装配图和明细表。

图11 行走机构整体装配图和明细表

第四章 行走机构装配动画仿真和运动仿真
4.1 基于solidworks cosmosmotion动画和运动仿真概述
传统的机械产品设计仅仅注重产品的前期功能性设计，例如结构、功能、成本等，这些依靠常用的CAD 软件即可完成，后期验证产品功能时，可使用CAE 软件进行分析验证。 在市场经济条件下的产品开发，除了对产品本身功能进行设计外，还需注意采用多种多样的形式进行产品的后续宣传和形象传递，如海报、说明书、产品的仿真动画等，特别是如何使机械产品动态运作符合其实际的工作规律，并且把这种视像记录下来，这一技术在产品开发过程中正占据着越来越重要的地位。
机械产品的三维仿真动画在产品的设计、开发、加工制造和产品营销中都具有现实意义。不同客户对同一产品的要求有时会不一样，传统设计要反复修改实物样品或制造多个实物样品，周期长，费用高，动态仿真可以根据客户的修改意见把产品逼真、直观地模拟演示出来，得到客户确认后再实际进行生产。在加工制造环节中，动态仿真可以进行直观的全方位动态视频演示。
因此，制作机械产品的动画仿真不仅可以缩短设计周期，降低设计成本，同时也增强了产品的竞争力以及与客户的亲和力，方便产品推广和技术交流。
机械产品零部件的三维实体建模与装配是实现动画仿真的基础和前提。对于机械设计而言，单纯的零件没有实际意义，必须装配成完整部件或机器实体。装配不仅是表达零件之间的配合关系，也是运动分析、干涉检查和实现动画的基础。装配的方法是将准备好的零件逐一插入装配体文件，并依次添加零件之间的配合关系。在SolidWorks中系统默认第一个插入的零件是固定的，以作为其它零件装配的基础和参考，因此必须仔细考虑第一个零件的插入，一般选择产品的支架、底座等主要零件作为第一零件。
目前可以完成机械产品动态仿真的三维软件很多，比较常用的有SolidWorks、Pro/E、UG、Matlab等。性价比较高，设计过程简单方便的莫过于SolidWorks了。SolidWorks是在Windows环境下实现的一款功能强大的中高端三维CAD软件，具有超动感的用户操作界面和独到的特征管理树，智能化的装配功能和动态的运动模拟等特色，而且操作简单，易学易用。
SolidWorks软件还集成了很多应用插件，如图1所示，启用COSMOSMotion插件，秉承SolidWorks一贯的简便易用的风格，可以很方便的生成形象逼真的机械产品演示画，让原先呆板的设计成品动起来，实现产品的功能展示。COSMOSMotion插件集成于SolidWorks软件中，并且与SolidWorks软件实现无缝连接。COSMOS Motion插件是一个较强大的装配分析与仿真模块，通过它进行行走机构的动画仿真时，能够精确地得到行走机构各个零部件的速度、位移、是否干涉等运动情况。

图1 插件对话框
SolidWorks软件通过生成装配体的爆炸视图实现产品拆装的动态仿真。建立爆炸视图有自动爆炸和手动爆炸两种方式。自动爆炸可以自动分解零部件，但要受装配顺序的影响。为了准确展现产品的拆装关系，可以采用手动爆炸方式，合理灵活地选择零件的爆炸顺序、爆炸方向和爆炸距离。
方法如下：单击主菜单中的/插入/爆炸视命令，打开/爆炸属性管理器，如图2所示。在装配体上单击要爆炸的零件，此时装配体中被选中的零件以高亮显示，同时出现一个设置移动方向的坐标,单击坐标上的箭头，确定爆炸方向。然后在/爆炸属性管理器中的/设定面板中输入爆炸距离，单击/应用按钮,预览爆炸效果，调整满意后单击/完成，至此第一个零件爆炸结束。重复上述步骤，逐一生成每个零件的爆炸操作。

图2 爆炸属性管理器
在前面已经给行走机构机构几何建模的基础上，COSMOSMotion仿真模块对行走机构装配仿真主要分为以下几个步骤，如图3所示。
添加约束
Solidworks各零件的建模
COSMOSMotion装配仿真
Solidworks整机装配
相关结论，得到仿真结果
结束
与实际相符？

图3 行走机构机构仿真过程

行走机构装配仿真过程具体实施步骤：①确定行走机构运动零部件与静止零部件，将铰链设为静止零部件，其他的部件设置为运动部件；②生成约束，COSMOSMotion提供旋转副、球副、平移副、圆柱副、固定约束万向节等约束副，行走机构机座在整个装配过程中就将相应的约束副自动添加到模型中了③爆炸和解除爆炸仿真，加载运动，行走机构爆炸动画仿真要求实现各零部件清晰准确装配。
爆炸动画的制作步骤：单击动画向导按钮，如图4所示，即出现动画向导对话框，如图5所示，按提示操作即可实现爆炸动画和解除爆炸动画的制作。单击/模拟工具栏中的/计算模拟按钮，如图6所示，即可开始爆炸动画仿真，然后单击/模拟工具栏中的/停止按钮,即完成了仿真动画的制作。现在/模拟工具栏中的/重播按钮由灰变亮，需要观看时只要单击就可以在界面中看到即时的开关动画了。

图4 动画向导按钮

图5 动画向导对话框

图6 动画启动和停止按钮
4.2 行走机构装配动画仿真
利用Solidworks COSMOSMotion插件对行走机构虚拟模型进行装配动画仿真，能够方便的观察零件的协调运动，可以进行轨迹跟踪和干涉检查，在一定程度上反应了行走机构的真实装配情况，装配动画仿真运动算例分别如图7所示。

图7 行走机构运动算例
4.3 行走机构运动仿真
运动算例设计：将时间线拉至40s处，设置总时间为40s；在工具菜单栏中将motion插件勾选，在运动算例中选择算例类型为motion分析；在连架虎克铰A1设置电机1、连架虎克铰A2设置旋转电机2，驱动函数均为阶跃函数，每个旋转电机的驱动规律如下：
电机1算例为： STEP(time,0,0,2,35)+ STEP(time,2,0,4,-110)+
STEP(time,12,0,14,-35)
电机2算例为： STEP(time,2,0,4,-110)+ STEP(time,8,0,10,110)+
STEP(time,14,0,16,-110)+ STEP(time,6,18,20,110)
如图8所示，为运动仿真的算例。

图8 运动算例

然后添加视向键码，在0s处为上下二等轴测图，在20s为左右二等轴测图；最后添加光源，在0s添加点光源，在20s处添加聚光灯。
结果输出：机构末端的质心Z坐标如图9，Y坐标如图10所示。
图9 行走机构末端质心Y坐标
图10 行走机构末端质心Z坐标

THANKS !!!

致力为企业和个人提供合同协议，策划案计划书，学习课件等等
打造全网一站式需求

欢迎您的下载，资料仅供参考，如有侵权联系删 除！

可修改编辑