基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的一種智能花卉設(shè)計(jì)

鄒俊俊，馮巖，馮小庭，毛駿

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化的進(jìn)步，城市景觀已經(jīng)成為必不可少的城市名片，它是體現(xiàn)城市文化生活品質(zhì)的重要標(biāo)志之一?，F(xiàn)有城市景觀多在造型設(shè)計(jì)、燈光效果兩個(gè)維度上進(jìn)行組合，以追求“立體、動(dòng)態(tài)”的美感，但從本質(zhì)來說仍屬于平面景觀及靜態(tài)景觀，仍存在以下幾點(diǎn)不足：一是缺乏城市自身特點(diǎn)，千城一面；二是景觀功能單一，無法實(shí)現(xiàn)人景互動(dòng)。人們參觀傳統(tǒng)人文景觀時(shí)，很難融入主題當(dāng)中[1-2]。

因此，本文闡述了在普通仿真花設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加造型結(jié)構(gòu)、照明結(jié)構(gòu)、檢測裝置、機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置、輔助裝置五大部分創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為靜態(tài)景觀賦予“生機(jī)”，在造型、燈光、運(yùn)動(dòng)、交互性四個(gè)維度上展現(xiàn)科技、藝術(shù)之美，提高城市景觀品質(zhì)，打造多元化城市文旅新格局。

1 智能花卉設(shè)計(jì)思路和整體結(jié)構(gòu)

本產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)思路為：利用超聲波傳感器檢測范圍內(nèi)是否有人或者車輛經(jīng)過，將檢測信號(hào)輸出至單片機(jī)控制核心；根據(jù)程序算法輸出控制指令，控制燈光模塊產(chǎn)生顏色、明暗變化，同時(shí)控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，以控制花瓣的開合，向游客輸出景觀的色彩、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化，使游客獲得參與式、交互式的觀景體驗(yàn)。整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)方案

按照上述設(shè)計(jì)思路本產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由造型結(jié)構(gòu)、照明裝置、檢測裝置、機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置、輔助裝置五大部分組成。

圖2 一種“4D”智能花卉景觀產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

1)結(jié)構(gòu)造型

智能花卉的結(jié)構(gòu)造型步驟如下：1)通過逆向工程建模，以3次B樣條曲線縮放參數(shù)生成葉片和花瓣的曲面造型結(jié)構(gòu)，再將其數(shù)字模型導(dǎo)入3D打印機(jī)，高效快速制作出各種仿真花卉，然后安裝固定在特制的骨架上，使其保持花卉的造型和美感；2)通過CATIA三維設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)制作的花瓣造型。通過膠粘劑附著于定制專用骨架。

圖3 花瓣結(jié)構(gòu)3D打印切片模型

2)照明裝置

智能花卉的照明裝置采用LED發(fā)光二極管+太陽能電池的組合，通過太陽能面板在白天吸收能量，到夜間時(shí)，當(dāng)傳感檢測裝置檢測到行人和車輛通過時(shí)，啟動(dòng)LED發(fā)光二極管。

3)檢測裝置

檢測裝置由超聲波傳感器和STM32F103單片機(jī)構(gòu)成。利用STM32F103單片機(jī)定時(shí)器在5～10μs內(nèi)產(chǎn)生高電平脈沖信號(hào)，超聲波傳感器接收到脈沖信號(hào)，發(fā)射向外的聲波，遇到障礙物發(fā)生反射，經(jīng)過電路處理濾波放大，再次送入STM32F103單片機(jī)[3]。

4)機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置

根據(jù)花卉仿生原理，花瓣運(yùn)動(dòng)應(yīng)為間歇運(yùn)動(dòng)。因此智能花卉使用伺服電機(jī)作為動(dòng)力元件，以凸輪-連桿組合機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以單片機(jī)為控制元件，以上述花瓣造型部分作為執(zhí)行元件，將伺服電機(jī)輸出的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為執(zhí)行元件的開合運(yùn)動(dòng)，模擬花開與花謝的動(dòng)作[4]。

2 花瓣運(yùn)動(dòng)組合機(jī)構(gòu)分析與仿真

1)花瓣運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)位置分析

本產(chǎn)品以凸輪-連桿組合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其功能，其運(yùn)動(dòng)簡圖如圖4所示。凸輪機(jī)構(gòu)采取對(duì)心直動(dòng)布置形式，滾子從動(dòng)件采取勻速運(yùn)動(dòng)規(guī)律上升和下降，同時(shí)為了保證凸輪在兩個(gè)休止位之間運(yùn)行時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)花瓣在0°～60°范圍開合，滑塊的行程范圍須與下一步中的凸輪從動(dòng)件行程范圍相同。

圖4 花瓣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體工作原理如圖5所示。當(dāng)單片機(jī)輸出指令后，在伺服電機(jī)帶動(dòng)下，盤形凸輪機(jī)構(gòu)從遠(yuǎn)休止點(diǎn)開始啟動(dòng)，此時(shí)花瓣處于閉合狀態(tài)。隨著盤形凸輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從動(dòng)件開始回落，凸輪轉(zhuǎn)角達(dá)到180°時(shí)，完成回程，凸輪機(jī)構(gòu)達(dá)到近休止點(diǎn)，從動(dòng)件位移處為0，花瓣執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于“開花”狀態(tài)。隨后在近休止點(diǎn)保持一段時(shí)間，經(jīng)過推程從動(dòng)件繼續(xù)上升至原來的位置，花瓣閉合。

圖5 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

該機(jī)構(gòu)上半部分可以簡化為一個(gè)偏置曲柄滑塊裝置，采用解析法進(jìn)行該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，首先建立該機(jī)構(gòu)的封閉矢量位置方程如下[5]：

L1+L2-L3+L4=0

(1)

可寫為：aejθ1+bejθ2-cejθ3+dejθ4=0

(2)

式中：L1為曲柄AB的矢量形式；L2為連桿BC的矢量形式；L3為滑塊中心到x軸的矢量形式；L4為滑塊偏心距的矢量形式；θ1、θ2、θ3、θ4為圖中構(gòu)件AB、BC、CD、DA與坐標(biāo)軸x的方位角。利用歐拉變換將式(2)實(shí)部和虛部分離改寫可以得到：

acosθ1+bcosθ2-ccosθ3+dcosθ4=0

(3)

asinθ1+bsinθ2-csinθ3+dsinθ4=0

(4)

根據(jù)機(jī)構(gòu)幾何條件可知θ3=90°，θ4=0°，已知曲柄長度L1=30mm，偏距L4=10 mm，花瓣張開的角度γ約為0°～60°，由圖中幾何關(guān)系得到θ=90°-γ，故θ1的兩個(gè)極限值為30°和90°，滑塊行程Δc和連桿方位角θ2為待求。聯(lián)立式(3)和式(4)，求得：

由此可知滑塊的行程范圍Δc為

Δc=c-c′=36.2mm。

2)花瓣運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)速度和加速度分析

式(2)對(duì)時(shí)間t求一階導(dǎo)數(shù)，可得機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的速度為

(5)

由于θ4為常數(shù)，其導(dǎo)數(shù)為0，故可消去得到式(6)。

jaejθ1+jbω2ejθ2-jcω3ejθ3=0

(6)

使用歐拉恒等式帶入式(5)，分離實(shí)部和虛部，聯(lián)立得到連桿的旋轉(zhuǎn)角速度ω2和滑塊的線速度VC如下[6]：

(7)

由于加速度又是速度的一階導(dǎo)數(shù)，故式(5)對(duì)時(shí)間繼續(xù)求導(dǎo)可以得到此機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件運(yùn)行的加速度如下：

(8)

(9)

根據(jù)上述方程即可求出此機(jī)構(gòu)各構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過程中的速度和加速度。

2)花瓣運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真分析

為了驗(yàn)證本產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是否能夠滿足設(shè)計(jì)要求，通過CATIA建立相關(guān)零件的三維模型并按照尺寸約束進(jìn)行裝配，得到機(jī)構(gòu)的虛擬數(shù)字樣機(jī)如圖6所示。對(duì)所有零部件賦予相應(yīng)的材質(zhì)參數(shù)后，導(dǎo)入CATIA中的DMU運(yùn)動(dòng)仿真分析模塊進(jìn)行分析。原點(diǎn)設(shè)定為曲柄的旋轉(zhuǎn)中心，x方向設(shè)置為水平向右，y方向設(shè)置為水平向上，模擬產(chǎn)品實(shí)際工作狀態(tài)。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，花瓣開合時(shí)間一般設(shè)定為12s，即曲柄往復(fù)擺動(dòng)時(shí)間為12s，故曲柄的平均角速度ω1=5deg/s。按照此速度曲柄進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至限位后回?cái)[至初始位置進(jìn)行仿真。

圖6 CATIA中組合機(jī)構(gòu)模型總裝圖

本產(chǎn)品滑塊裝置運(yùn)動(dòng)位移線圖如圖7所示。由仿真結(jié)果看出其行程范圍約為34mm，且滑塊在兩個(gè)極限位置之間運(yùn)動(dòng)過程中曲柄的擺角范圍約在0°～58°內(nèi)。此結(jié)果說明滑塊的行程在圖示范圍內(nèi)時(shí)，機(jī)構(gòu)能夠完成“花瓣”的開合運(yùn)動(dòng)。由于本設(shè)計(jì)采用了凸輪-連桿的串聯(lián)組合機(jī)構(gòu)，滑塊的行程范圍還可以作為下一步凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

圖7 “花瓣“運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果

滑塊的線速度和加速度如圖7(c)、圖7(d)所示。由圖線可以看出其速度波形的峰值約為5.8mm/s，其運(yùn)動(dòng)過程為加速運(yùn)動(dòng)且加速度先減小后增大。因此在運(yùn)動(dòng)開始瞬間機(jī)構(gòu)的加速度最大，由仿真結(jié)果看出此時(shí)加速度的峰值約為0.3mm/s2，但由于滑塊采用的是ABS工程塑料3D打印制作而成，其質(zhì)量m約為100g左右，故此機(jī)構(gòu)所受的最大瞬時(shí)沖擊力Fmax=3×10-4N，對(duì)組合機(jī)構(gòu)的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響較小，機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)平順，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制作是將現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)景觀結(jié)合的一次大膽嘗試。產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，優(yōu)化了工業(yè)設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)制造的整個(gè)流程。同時(shí)利用3D打印這種快速成型技術(shù)，直觀了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的弊端并及時(shí)修正，降低設(shè)計(jì)與制造之間的時(shí)間成本，有利于產(chǎn)品的推進(jìn)與優(yōu)化，提高工作效率。在控制單元上使用單片機(jī)和傳感器實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的自動(dòng)化控制，通過后續(xù)的產(chǎn)品軟件系統(tǒng)完善，還可以實(shí)現(xiàn)“智慧夜景”的升級(jí)。本產(chǎn)品的推廣使用將帶動(dòng)仿真花市場和旅游業(yè)的發(fā)展，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。