铰链四杆步行机构的驱动功率分析

杜振军++刘一恒

摘 要：四足步行机构是近年来研究的一个比较活跃的领域，四足步行机构在家庭娱乐、仿生学、健身器材等方面有很大的应用前景，文章对机构的构型做了深入调研后采用霍肯直线机构，建立四足步行机构的其中一足作为分析模型对象，通过软件对足端运行轨迹做出运动分析，并获得电机力矩曲线、电机功率曲线、铰接支承反力曲线，从而为后续的设计提供可靠依据。

关键词：四足 步行 机构 铰接支承反力

中图分类号：TH11 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（c）-0078-02

目前四足步行机构的研究主要集中在小型轻便和控制等方面。该文设计的步行机构，重点在足迹和功率分析上，四足步行机构其中主要部分为霍肯直线机构，霍肯直线机构是铰链四杆机构的一种特殊构型，霍肯直线机构能够保证四足步行机构在步行过程中，整个机身在一条近似直线上运行，保证运行平稳性。该文通过SolidWorks建立步行机构的三维模型，并对其进行仿真模拟。为了使问题简化，该文对机械结构进行较大简化。

1 机构构型

图1为步行机构简图。主运动机构为近似直线运动机构。尽管精确直线机构可以替代滑杆和导槽，但在实际应用中，需要一段是直线，另一段是曲线的结构，例如：用脚步行的机械在着地时要沿着直线，返回时抬脚又需要走曲线。这样的机械很难让直线段严格为直线，但可以做成近似程度非常高的直线。采用的机构为霍肯直线机构，霍肯直线机构由卡尔·霍肯发明，是一种由4条连杆构成的机械结构，连杆的尺寸比例有一定数值要求，连杆的末端在半个周期内走直线，另外半个周期走特殊的弧线。实验表明，这种直线机械的误差在其工作范围内小于千分之一，这是一种非常适用于设计用脚走路的运载工具的机械结构，相比轮子，用脚走路对地面的要求很低，而且脚的末端可以设置较大的面积的垫子以减小对地面的压强，平衡路面的高低不平，保证四足末端与机身垂直的为两个直线运动副。

2 足端的端点轨迹模拟

采用COSMOS Motion的机构仿真步骤，创建装配体，施加运动副和载荷，设置固定件和运动件，设置仿真参数，仿真运算，输出分析结果，其中施加运动副为机械配合铰链。利用COSMOS Motion对足部机构进行运动模拟，首先用SolidWork对机构进行三维造型和裝配，然后用与SolidWorks无缝集成的COSMOS Motion三维动力学仿真软件添加运动、约束、力等参数，对该机构进行运动仿真模拟，用图形形式输出足端端点运动轨迹图，如图2所示。

3 转矩与功率分析

该文采用相对运动分析方法，固定四足机构的一足，让机身运动，应用COSMOS Motion模拟驱动足部电机的转矩输出结果，如图3所示，两个波峰阶段为一足支撑阶段，其余为重力做功阶段，在实际应用中，重力做功阶段为足与地面非接触阶段，应用COSMOS Motion模拟驱动足部电机的功率输出结果，如图4所示，第一个波峰为驱动电机能量克服重力和顶升机构运动功率极限，第一个波谷为连杆受力，理论上电机不输出任何能量，也不承担任何力矩。应用COSMOS Motion模拟短连杆的铰接支承反力结果，如图5所示，短连杆和电机力矩驱动的曲柄，之间由连杆连接，所以波动周期一致，但是由于杠杆作用效用，数值有不同。

4 结语

该文应用SolidWorks，对机构进行三维造型和装配。用与SolidWorks、无缝集成的COSMOS Motion三维动力学仿真软件对四足步行机构的运动轨迹进行模拟，用轨迹跟踪的形式显示出轨迹图，这种方法直观地表现出四足端点的运动轨迹。同时对电机的转矩和功率进行分析，对连杆也进行铰接点受力分析，为合理选择机构的结构参数提供依据，同时也可以提高机构的设计效率。

参考文献

[1] 牛瑞霞，詹俊勇，仲太生.基于SolidWorks偏置曲柄滑块机构运动仿真分析[J].锻压装备与制造技术，2016， 51（5）：19-20.

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