刘一恒++杜振军

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。文章建立分析模型，通过设计软件对机构做运动仿真。四足步行机构中一压杆受周期性变载荷影响，运动分析模块中的铰链配合所承受的变载荷，输入到有限元分析模块中，并获得其中压杆在全周期载荷加载历史条件的有限元分析结果，从而为后续的设计提供可靠依据。

关键词：四足 步行 压杆 有限元

中图分类号：TH11 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（b）-0093-03

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，重点在压杆两端铰链配合所承受的变载荷、输入到有限元分析模块中、运动产生的变载荷与压杆的有限元分析上。设计软件能够保证四足步行机构在步行过程中，杆件的刚度和强度满足设计要求，保证运行可靠性。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和有限元分析。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

如图1所示，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，但在应用中，又需要一段是直线，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，是一种由四条连杆构成的機械结构。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两个直线运动副，图中未完全表示。

2 机构的虚拟运动仿真

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可运行。利用COSMOS Motion对足部机构进行运动模拟。首先用SolidWorks对机构进行三维造型和装配，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，获得运动仿真动画。

3 有限元分析

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模拟运动仿真。如图2所示，显示应力在零件中贯穿的22个情形，在情形8中获得了最大值175 MPa，小于材料的屈服极限175 MPa。如图3所示，显示合位移在零件中贯穿的22个情形，在情形8中获得了最大值0.3 mm。如图4所示，在情形8中获得了应力图解。如图5所示，在情形8中获得了合位移图解。

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进行运动仿真模拟，用有限元模块模拟受变载荷的压杆件在全周期加载历史的应力与合位移。这种方法直观地表现出加载荷历史与应力的变化关系、加载荷历史与合位移的变化关系。为合理设计机构结构参数提供依据，同时也可以提高设计效率。

参考文献

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