仿生踝关节装置的仿真分析

运用Recurdyn进行运动学仿真4.1 软件介绍Recurdyn是基于递归算法仿人多体系统仿真软件，它是以多体动力学为基础，以提高即系产品技术性能为目标，为产品设计所涉及的机构和结构、液压系统和控制系统的优化，以及机器零部件疲劳失效分析及寿命预估等问题提供一个数字化仿真的平台，可以克服目前产品设计中存在着的抽象的和孤立的对产品设计优劣进行评价的弊端，能够更加方便地对机械产品设计各个阶段进行自我评判和改进34。利用Recurdyn软件可以将所研究的机构模型导入、添加与实际模型一样效果的约束、受力后给定机构输入量的数据后进行仿真，得到输出量（如上平台的欧拉角等）的数据曲线等，再用matlab软件计算分析运动学时所算得的方程的数据曲线，两者进行对比，验证运动学的分析是否正确。4.2 仿真步骤首先，如图4-1所示，将Soliderworks软件建好的机构模型，保存成.x_t的格式，然后将模型导入Recurdyun中，如图4-2。在Recurdyun中从定平台向动平台增加各项约束，其中用Universal(万向铰)代替球销副，可转动方向选为X轴和Y轴；用Screw(螺旋副)、Cylindrical(圆柱副)、Translational(移动副)的组合来代替丝杠螺母副；其他可没有相对运动的部件用Fix(固定副)连接。在电机处添加绕Z轴转动的Revolute（转动副）来担当电机转动即充当机构的输入。图4-1 将模型另存为x_t格式 a 通过import导入模型 b 导入模型成功图4-2 在Recurdyn中导入模型以在给定电机1输入函数后用Recurdyn软件对机构进行仿真，得出上平台绕X轴转动时角位移、角速度以及上平台质心点在分别在Y轴、Z轴上的位移及速度与时间的曲线。同时用Matlab软件将上述数据的公式带入运算得到Matlab的数据曲线。对比两个软件得到的曲线，验证运动学分析是否正确。4.3 压并状态下的仿真4.3.1 仿真过程现进行弹簧压并状态下，只有电机1转动即上平台做背屈/跖屈运动时的仿真。如图4-3，给电机1的Revolute（转动副）添加运动函数为2*PI；Screw(螺旋副)的螺距按照丝杠螺母副的螺距填为5mm，如图4-4所示。 图4-3 给电机输入函数 图4-4 选择螺距然后选择仿真结束时间为10s，step设为200，按下simulate键进行仿真，如图4-5。仿真完成后，可以在工具栏的中观看运动的动画，如图4-6所示。 图4-5 进行仿真 图4-6 仿真完成后画面之后，在工具栏中按下，选择生成上平台绕X轴转动的角位移及角速度的曲线以及上平台质心分别在上的位移及速度。同时将机构参数, , ,以及电机转角函数,导程，时间t的范围为010s带入式（3.91）中再带入Matlab软件中进行运算得出上平台绕X轴转角与时间t的关系曲线，以及其角速度与时间t的关系曲线。并且在Recurdyn中找到上平台质心的坐标，如图4-7所示。然后，根据运动学分析时得到的坐标变换矩阵得到质心点在运动时的坐标以及速度的公式也带入到Matlab软件中进行运算。最后，将两个软件得到的曲线进行比较，判断运动学分析是否正确。图4-7 上平台质心点4.3.2 仿真结果在Recurdyn仿真与Matlab运算结束后，将得到的曲线图进行比较，如图4-8至图4-13所示：a Recurdyn所得曲线b matlab所得曲线图4-8 上平台绕X轴角位移a Recurdyn所得曲线b matlab所得曲线图4-9 上平台绕X轴角速度a Recurdyn所得曲线b matlab所得曲线图4-10 上平台质心Y轴位移a Recurdyn所得曲线b matlab所得曲线图 4-11 上平台质心Y轴速度a Recurdyn所得曲线b matlab所得曲线图4-12 上平台质心Z轴位移 a Recurdyn所得曲线b matlab所得曲线图4-13上平台质心Z轴速度通过对比曲线表运动学分析时角位移公式、角速度公式、上平台质心位移公式、速度公式与实际仿真结果基本符合。证明压并时运动学分析正确。4.4 弹簧未压并时的仿真4.4.1 仿真过程由于弹簧未压并时的正解是用利用反解公式运用迭代法得出的，并没有具体的公式。但是，反解公式已全部得到，且较为简单。因此在仿真时，可以先给定上平台位置函数后，先用Matlab反解出电机转角的函数，然后将得到的函数充当输入运用Recurdyn软件进行仿真，将得到上平台位置曲线与理论上的曲线相比较，进而判断弹簧未压并时的运动学分析是否正确。现在进行只有电机1转动、上平台有额定负载且弹簧未压并时的仿真。由于只有电机1转动，故上平台只绕X轴转动，用X轴的欧拉角就可以表示上平台位置。给定位置函数为则角速度为，角加速度为，时间定为15s。同时按实际情况：上平台负载为，绕X轴的转动惯量为；四个弹簧的弹性系数都为，四个弹簧的初始压缩量分别为：，；上平台质量为,移动箱质量。将以上参数带入式（337）运用Matlab软件得出电机1转角与时间的关系曲线，如图4-14所示。再使用polyfit命令得到曲线的拟合函数，将拟合函数输入到电机1的转动副的驱动中。然后设置各个弹簧的属性，如图4-15所示为弹簧的属性设置,其余弹簧除了的值分别为，外，其余参数与弹簧1一样。再将负载质量设为，如图4-16所示。然后将仿真时间设为5s,factor设为200，进行运动学仿真，如图4-17所示。图4-14 反解得到的电机1转角曲线 图 4-15 弹簧属性设置 图 4-16 负载设置 图 4-17 进行运动仿真4.4.2仿真结果仿真完成后得出上平台绕X轴角位移、角速度、角加速度的曲线图。同时与理论上的角位移、角速度、角加速度曲线图进行比较，如图4-18、图4-19、图4-20所示：a Recurdyn所得仿真曲线b Matlab所得理论曲线 图4-18 上平台绕X轴角位移曲线a Recurdyn所得仿真曲线b Matlab所得理论曲线 图4-19 上平台绕X轴角速度曲线 a Recurdyn所得仿真曲线b Matlab所得理论曲线 图4-20 上平台绕X轴角加速度曲线经过曲线对比发现，角位移曲线基本完全重合，但角速度、角加速度在刚开始的一段时间有较大出入，但