那一年系列之：机构运动仿真（2017年上）

muoubear*

以下文章中部分动图在论坛发的有帖子，帖子中如果没有讲到的，可以看一下文中的动图讲述，对于工业机器人的仿真，我在前面的帖子也有回复，讲到了制作的思路，这篇推文中也有提到制作思路和原理。

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2017年上半年做的运动仿真动图如下所示：

图1

平行四边形机构，可以看出图中水平方向的6个线段，在运动的过程中始终保持水平，此图的仿真主要用到了点在线上的运动副，限定水平线段两端点分别在不同的圆上。两圆大小相等，偏心距为线段的长度，只需要一个回转副并添加驱动，整个机构就可以很好的运转。

图2

这也是用到了平行四边形机构，参考原型为网络上的立体车库视频，一直对视频中的机构很感兴趣，很长的一段时间都没有搞懂工作原理，也是受了上面动图的启发，想到了平行四边机构，再加上过死点的连杆，就可以实现立体车库所呈现出来的效果，可以看出，上面的仿真做法和图1是一样的，只是将两个偏置的圆换成了两个偏置的跑道形曲线，驱动换成了任意一个点在线上点，实际应用的话，上下半圆处各有一个大链轮，图中没有画出来，驱动可以为任意一个链轮。

图3

此图的灵感来自于网上视频，一个老外用链轮和链条实现了谐波减速器的功能，既然实物都能做到，那么运动仿真应该也可以，为了将问题简单化，我将链轮抽象成正多边形，在尝试了3，4，5边形之后，发现用6边形替代链轮比较理想，可以减少连杆和运动副的设置工作量，而且不会出现链条仿真出错，图中的链条用10条和6边形等边的线段代替。为了方便观察，其中一个线段用洋红标识，该仿真主要用到了点在线上副和线在线上副，图示隐藏了点在线上副用到的曲线，这个图是用运动仿真模块实现谐波减速器的雏形，后面按机械手册上做的谐波减速器的运动仿真，就是基于这个原理，只是用了更多的连杆和更多的运动副。

图4

这个图实主要用到了点在线上副，图示隐藏了点在线上副用到的曲线，即履带上面的点被约束在这个曲线上，坦克的前链轮用正6边形代替，后链轮用正5边形代替，为了便于观察，其中一个履带线段用洋红标识，要实现上面的动态运行，需要用到两个驱动，点在线上副的点驱动，和点在线上副的用的曲线驱动，两个线速度一致才能到达上面的图示效果。

图5

如果知道双曲线的发生原理，就不难理解和完成上述仿真，数学中我们学过，两条空间不相交曲线，如果其中一条曲线为母线，另一个曲线为回转轴，那么母线扫过形成的曲面即为双曲面，沿着回转轴线剖切的截交线为双曲线。图示也是基于这样的原理完成的运动仿真。

图6

图7

这两张图是用运动仿真模块做的谐波减速器的仿真，仿真的思路和图3一样，齿形完全按机械手册上面的参数进行绘制，传动比1：80，每一个齿形都需要建立连杆，并用回转副连接起来，类似于链条的运动仿真，需要用到点在线上副，线在线上副，运动仿真模块版的谐波减速器暂时还没有写教程，后面有时间再做，对这个仿真感兴趣的朋友可以留意下推文的更新。

图8

此图原型是在车床上车削椭圆的动图，经过简单的改装，就可以在车床上面车削椭圆截面的工件，也是想了很久，发现跟前面绘制椭圆的一个机构是一样的，只是做了相对运动，车刀位置固定，椭圆轨迹做了相对回转运动。

muoubear*

图9

图10

图11

图12

图9至图12是我们常见的磁力表架的内部原理仿真，这种3球面关节型的磁力表架实际使用的时候非常方便，表架内部机构是我猜测绘制，并没有对表架进一步的拆解，毕竟不是自家东西，想拆就拆的。

图13

图14

这两张图仿真的灵感来自于数显7段码的工作原理，上面的动态显示用到了step函数，3个数字需要建立21个连杆，21个滑动副，剩下的工作就交给step函数，由step函数去控制每一个连杆的显示和隐藏，如果不借助第三方软件，完成step函数的控制，就需要很强的逻辑思维能力，上图的仿真，我用到了Excel，用Excel强大的表格处理功能，完成step函数所需要的数据的编排和处理。

图15

图16

图15，16是工业机器人进行码垛和焊接的仿真，这两张图不是用运动仿真模块完成的，虽然我也想过用，但是始终不可得，运动仿真模块下面，一个简单的走直线运动都变得很难控制，复杂一点的轨迹更是难上加难，我能想到的是借助第三方的软件去处理相关数据，然后再通过step函数去控制各个关节的回转运动，实际的工业机器人工作的时候，这方面的计算是交给cpu和配套的算法程序完成的，但是需要更专业的理论知识，和更高级的数据处理软件支持，不幸的是这两方面能力个人并不具备，所以用仿真模块做这类仿真，臣妾真的做不到。

后来我想到了装配序列，装配好机构，保证工业机器人具有6个回转自由度，沿着指定的矢量方向拖拽执行端，执行端就可以做直线运动，6个关节会根据需要自行回转，执行端的回转运动，同样可以进行拖拽，跟我们在装配的时候移动部件差不多的操作。

用过装配序列的朋友知道，装配序列下面是可以做动画的，即装配序列动画，通常我们见到的一些爆炸动图，或者组装，拆解视频或者动画都可以用装配序列去做，图15，16的工业机器人仿真就是用装配序列做的动画仿真。

图17

图17这个个人自主设计的丝锥绞手的机构仿真图，参考了市面上常见的棘轮丝锥绞手。

市面上的棘轮绞手小巧，使用也很方便，但是弊端也很明显，卡口部分无法做到从M3到M12通用，需要两种型号才能保证，丝锥的夹紧方式类似于弹簧涨套，从我们实际使用过程中发现，这类绞手很容易损坏，均因为棘轮和正反转的切换机构薄弱，使得该棘轮绞手攻M8以上的螺纹时，损坏情况特别普遍。

图17的丝锥绞手的卡口可以从满足M3至M12这个范围的使用要求，采用4个夹紧块，可进行对中夹紧，夹紧更可靠，绞手可以承受更大的扭矩，通过红色盒蓝色的环相对运动就可以锁紧，或者松开丝锥，缺点是内部零件较多，原理上可以实现，但结构上还有问题没有解决。

2017年下半年的习作下一期再整理分享出来，本期的文章大家有哪些感兴趣或者不太清楚的原理图可以留言告诉我，部分动图后面我会拿出来制作成教程，欢迎大家踊跃发言。

tianxia2014

哇噢噢噢噢噢噢噢噢噢噢，大佬你太太太厉害了，膜拜啊

3D世界网-零

希望能分享下视频教程  先给你个精华