基于ADAMS的机械玩具的动力学仿真研究

尹 芳，杨路飞，宋少云

(武汉工业学院机械工程学院，湖北武汉430023)

然而，对机械玩具进行仿真的相关研究在国内期刊上很少见到。中科院自动化研究所的张志刚等［1］从仿生学的角度出发，按照一系列步骤，编制了机器鱼的设计与仿真软件，实现了由生物特征到机器鱼实现的过渡，方便了机器鱼的设计;广东番禺职业技术学院的廖春蓝［2］在SolidWorks中使用Animator对一个电动飞机进行运动学的仿真，作者发现它能够把玩具的复杂机构运动过程生动的表达出来，对于教学和科研都具有积极的意义。

笔者在对市场上数十种机械玩具做了测绘，建模和仿真后，研究了其中的一些关键技术并提出了一套解决方案。在仿真的玩具之中，一款白鳍豚顶球玩具设计最巧妙，也很有代表性，这里主要以它为例来阐述玩具动力学仿真中的一些关键技术。

1 白鳍豚顶球玩具的运动原理及仿真方案

一个拆去了一半外壳的白鳍豚顶球玩具如图1所示。该玩具在上紧发条以后，会出现两种状态。第一种状态是白鳍豚站立，球在上方连续旋转，而身体则一顿一顿的往前移动;第二种状态是到某个时刻，白鳍豚突然倒地，然后围绕一个点转圈，转到一定圈数后，白鳍豚又突然直立，转入第一种状态。

图1 白鳍豚玩具的三维模型

图2是根据图1绘制的机构运动简图。为清晰起见，这里面忽略了发条牙箱和玩具外壳。发条牙箱是一个靠卷簧驱动的齿轮减速器，其高速轴与图2中的标准齿轮3相连，而其低速轴则与变齿距的不完全齿轮4的轴相连接。这样，从发条牙箱出发，有两套独立的传动系统。上面一支，从标准齿轮3经过冠齿轮2进行速度变向，冠齿轮2与球1同轴，该轴可以在壳体的通孔中匀速回转，这是一个顶球动作，速度很快。另外一支，低速轴的运动从变齿距的不完全齿轮4传出，传到不完全齿轮6，而该齿轮上固定了白鳍豚的两鳍6'。为了保证不完全齿轮6的回位，这里也使用了弹簧5。整套机构最巧妙的地方就在齿轮4和齿轮6的设计上。齿轮4的变节距产生了一顿一顿的效果，而其无齿部分使得4和6发生脱离，在脱离的时候，由于从4到5的传动被中断，从而使得两鳍6'不能与地接触，平衡被破坏而倒地，一旦倒地后，由于球1仍旧在转动，这种转动被地面所限制，从而产生一个静摩擦力，该摩擦力对白鳍豚身体的触地点产生一个力矩，驱动白鳍豚开始定轴转动。

2 玩具壳外表面的曲面建模法

塑料玩具的外表面一般都是比较复杂的曲面，如何对这些复杂的曲面反求而进行三维建模，有许多方法。经过反复摸索，笔者得出了一种简化的建模方法(因白鳍豚玩具的外壳相对简单，这里以另一款金鱼玩具的外壳建模来说明)。

首先，对现有的外壳表面数据点取样。其方法如下。

(1)把玩具外壳放置在白纸上。

我来到了一座大厦前，大厦的玻璃幕墙上正在实时转播着地球人和外星人大军作战的情况。只见外星人的飞碟纷纷被击落了，眼看着人类就要胜利了，忽然有几架外星人的飞碟使用了吸物技术（一种能吸走轻型物体的科技），把地球士兵的氧气面罩全部吸走。只见一排排刚才还在英勇作战的士兵，丢掉了手中的武器，张着嘴巴大口地呼吸，但是空气中没有一点点氧气！一排排的地球士兵涨着通红的脸，成片地跪倒在地上，失去了战斗力。形势瞬间发生了逆转，地球人被外星人打败了，失去抵抗能力的地球人被外星人的飞碟肆意攻击……

(2)用铅笔沿着外壳的轴线方向的两侧绘制曲线。

(3)把两侧曲线均匀分为合适的等分(设为N等分)。

(4)用铝丝沿着等分在外壳上弯折，使之与玩具的表面紧密贴合。

(5)取下铝丝，在白纸上描出其曲线轮廓。

(6)以此把所有等分处的曲线轮廓描出。

(7)对各条曲线轮廓再等分，用直尺测量出各点的坐标。

接着，根据上述取样所得到的等分曲线，在某三维软件中建模。(下面以Pro/E为例来说明)首先在Pro/E中以某一个面为基准，创建N个平行面如图3(a)，接着分别在各个平面上创建曲线，这些曲线来自于上述取样的曲线如图3(b)，然后使用混合曲面的方式依次连接各曲线，并设定其距离，得到玩具的外壳如图3(c)。

图3 玩具壳外表面的建模

使用上述方法，可以生成大多数玩具的外壳。不过有些外壳形状复杂，此时可以把它先分解成为几个相对规则的部分，然后对每一部分采取上述方法来建模，最后再把这些部分拼接在一起，形成一个完整的外壳。

3 玩具壳内表面的AutoCAD辅助定位法

玩具的外壳除了起到装饰性的作用以外，还起到了机架的容纳，支撑作用。因此在外壳的内面，结构也是十分复杂的。白鳍豚玩具的外壳内面结构如图4(a)所示，在其内表面上，存在着很多凸台，凹槽，狭长板等结构，这些结构主要用于定位发条牙箱，齿轮，弹簧等结构，其位置是很重要的。这些小结构的位置和形状尺寸很难直接测绘，为此，本文采用了变通的方法。

首先，把该外壳平置在桌面上，正对着照相，然后把相片导入到计算机并存储为JPG格式，打开AutoCAD，把该图片插入到AutoCAD中并放大到合适的大小，然后在AutoCAD中，先取一个关键点(一般是某个孔的中心)作为坐标原点，然后测量其它关键点与该原点的距离，从而得到这些内部结构之间的相对位置。显然，这些相对距离与实际结构之间的相对距离是不一样的。为了得到其实际值，只需要在实际结构上找比较好测量的两个点来测量其距离，然后与图中的距离相比较，从而得到一个比例，然后在AutoCAD中移走此图片，而把尺寸按照此比例放缩到实际尺寸即可，如图4(b)。

图4 玩具内表面的AutoCAD辅助定位法

4 基于ADAMS的玩具动力学仿真

白鳍豚玩具在桌面上产生的各种动作，从力学角度考虑，它属于多刚体动力学领域。而ADAMS是做计算多刚体动力学计算最有效的软件之一［3］。为了在ADAMS中对该白鳍豚玩具进行动力学仿真，需要一整套严格的步骤，阐述如下。

(1)导出三维模型。在白鳍豚玩具的三维建模软件中，把整个装配体导出为Parasolid格式。

(2)在ADAMS中导入三维模型。从菜单file＞import对话框中，选择parasolid格式类型，导入模型。

(3)浏览模型并重命名。使用tools＞Database Navigator打开数据库导航器，勾选HighLight并依次浏览各个零件，删除不需要的零件，然后逐个的给需要的零件重命名。重命名的目的是为了便于下面的施加约束。

(4)设置各个零件的质量属性。使用Database Navigator导航，依次选中各个零件，设置其质量(由体积以及密度来定义)，输入各个零件的密度，并开启重力，设置合适的重力方向。

(5)休眠所有构件。为了保证约束的施加成功，需要逐个调试约束，这样，需要先休眠所有构件，并隐藏外壳以便观察内部结构。

(6)激活原动件以及固定在其上的零件。首先激活发条牙箱，并在它和ground之间施加固定副。

(7)激活与牙箱直接相连接并有相对运动的构件并施加运动副。这里面以转动副居多，每激活一个构件后，施加运动副，然后在该运动副上施加一个驱动，考察其运动的可靠性。

(8)重复(7)，直到所有构件都被激活并施加了约束。注意要删去前面为了调试而用的运动约束。

(9)创建地面，在地面和白鳍豚的身体两鳍之间建立CONTACT，并删除发条牙箱与GROUND之间的固定副，并做仿真。

按照上述方法对白鳍豚做的仿真如图5所示。图5(a)是直立状态，白鳍豚一顿一顿的往前移动，同时球在高速旋转;图5(b)是倒地状态，白鳍豚围绕壳与地面的触点而转动。

图5 白鳍豚的仿真效果

5 结束语

对市场上现有的机械玩具进行测绘，建模，装配并做仿真，无论对于工程力学，机械原理的教学，还是对于玩具的创新设计及改进设计，都具有重要的意义。在对数十种机械玩具做测绘仿真的基础上，研究了其中的一些关键技术，并阐明了解决方法。这些方法对于玩具的类似研究会具有一定的参考意义。

［1］ 张志刚，王硕，桑海泉.仿生机器鱼玩具的机构设计、仿真与实现［J］.机器人技术与应用，2004(3)：31-35.

［2］ 廖春蓝.基于SolidWorks Animator的玩具机构动态仿真研究［J］.广东番禺职业技术学院学报，2009，8(1)：49-52.

［3］ 宋宇，陈无畏，陈黎卿.基于 ADAMS与MATLAB的车辆稳定性控制联合仿真研究［J］.机械工程学报，2011，47(16)：86-92.