用Amesim仿真风力仿生兽，妙啊！
风力仿生兽，英文名叫Strandbeest，其发明者是被誉为“现代版的达芬奇”的荷兰艺术家泰奥扬森。这些奇特的“生物”主要是由塑料管组合而成框架结构，它们借助自身巧妙的多连杆机构，通过“食用”自然风就可以在海滩上自由漫步，因此也被叫做“噬风兽”。
经过几十年的发展，风力仿生兽演变出很多不同的类型，比如这样的↓↓↓
更为神奇的是，这些“沙滩巨兽”还拥有感应装置，能够进行简单的思考判断，比如它们可以储存风能，在风力较弱的时候也能行走；它们够感知海洋的位置，一旦遇到水就会自动向反方向行走，以防自己被“淹死”；当暴风雨来临时，它们还可以启动锤子锤一根钉子，把自己的身体固定在沙滩上。发明者甚至希望他的生物最终可以自行在海滩上生存进化！
本文就来向大家展示如何用Amesim仿真一只行走的风力仿生兽，最终动画效果如下。
本文的仿真是基于下图所示的三维模型（文末提供了三维模型下载链接，供大家参考）。
支架：即风力仿生兽的“身体”，其他结构都通过支架安装并连结在一起；
风车：用于“食用”自然风，将风能转化为行走所需的能量；
齿轮：将风车的能量和运动传递至曲轴；
曲轴：共有两根，每根曲轴相当于三个相位相差60度的曲柄，曲柄可以带动腿行走；
腿：每条腿由四根杆和两个三角架组成，是整个仿生兽最核心、最精巧的部分；腿共有12条，两两一组（即前腿和后腿）安装在支架和六个曲柄上。
通过分析不难发现，风力仿生兽本质上是一个设计巧妙的多连杆机构，它行走时的运动也是维持在一个2D平面内，因此我们可以用Amesim的2D机械库实现其建模和运动仿真。
下面进入正题，向大家展示风力仿生兽的建模仿真过程。额，有点麻烦。不过不要紧，我们由简到繁，一步一步来！
风力仿生兽的各组成构件通过dynamic_plmbody元件建模，构件间的铰接主要通过plmpivot元件建模。我们采用局部坐标系的方式，先建立曲轴和一条前腿的仿真模型。
首先在三维模型中为每个构件分别建立局部坐标系，然后测得各自的铰点坐标。在草图模式下根据构件的铰接关系搭建模型，如下图所示。在子模型模式下点击首选子模型。
在参数模式下输入各个子模型的局部坐标、质量属性等参数。此时模型只有一个自由度，因此我们右击曲柄锁定其绝对角度状态变量，并在参数中输入曲柄的绝对角度初始值为0进行约束。
进入仿真模式下，双击plmassembly元件打开动画窗口，查看模型初始化结果。
好吧，初始化失败，看来需要更多约束才可以。这里我们在三维模型中测量各构件的初始角度（即各构件的局部坐标系相对于全局坐标系的逆时针旋转角度），并输入Amesim对模型做进一步约束。再次进行初始化，成功！
接下来给这条腿输入一个力矩，仿真一下，查看动画，如下所示。
第2步，建立两条腿的仿真模型
我们把第一步建立的前腿模型复制粘贴一下，建立相应后腿的模型。需要注意的是，前腿和后腿是镜像对称的，因此其局部坐标系和构件角度也要做相应改变。
鉴于三维模型中两根曲轴的运动完全一致，因此我们只需建立一根曲轴和相应的六条腿的仿真模型即可。
在两条腿的基础上，比葫芦画瓢，完成另外四条腿的建模，如下图所示。
仿真一下，查看动画。看这群魔乱舞的架式，有内味了！
风车和齿轮在模型中主要用于传递运动和力，并非建模重点。我们采用Powertrain库的gear_3p元件进行齿轮建模，采用输入力矩的方式模拟风车受到的风力。另外，由于风车和齿轮不能在动画窗口中显示，为方便后续动画关联运动变量，我们给风车和齿轮添加角位移传感器。
前面四步建模没有考虑支架，本该与支架铰接的点都是和大地铰接。在这一步中，我们来建立支架模型。
支架暂时与大地铰接，约束其x和y方向的平移自由度，如下图所示。此时模型又增加了支架的旋转自由度，因此需要锁定支架的绝对角度状态变量（设置方法可参照第1步），并在参数设置中设置其绝对角度初始值为0。
加入支架后的仿真动画
首先，去除支架与大地之间的铰接，释放其x和y方向的平移自由度，使模型可以落地行走；此时，需要锁定支架重心的x绝对位置状态变量和y绝对位置状态变量，并在参数中设置其重心的坐标初始值（重心坐标初始值可通过三维模型测得）。然后，采用plmcontcont元件建立六只脚与地面的接触模型，如下图所示。
设置完成后，运行仿真。哈~看这精致又急促的小碎步！
至此，仿真模型已搭建完成！最后，我们导入三维模型，使仿真动画看起来更逼真更美观。
在动画窗口中导入三维模型（这里采用的是.stp格式），如下图所示。由于前期建模时，Amesim中的模型采用了和三维模型完全一致的坐标系，所以导入之后所有构件和铰点位置也是完全对应的。
根据模型的对应关系，在Object tree下将导入的三维模型一一拖拽至相应的元件下，使其关联（注：要确保Tools菜单下，Options窗口中，General选项卡里Parent change handling为keep absolute position）；
将位移传感器输出变量对应关联到风扇和齿轮Z轴旋转坐标中；
更改模型颜色，调整视图。
最终动画效果
对于Amesim建立的系统仿真模型，除了仿真结果可视化之外，更重要的是我们可以提取力、运动等各种仿真结果，对系统进行性能分析和优化改进。
比如，提取仿生兽行走的位移和速度曲线，如下图所示。可以看出，在恒定力矩输入的情况下，行走速度有较大波动。
行走位移和速度曲线
再比如，提取脚的行走轨迹曲线，如下图所示。可以看出，仿生兽每迈一步，脚的触地距离非常有限，这也印证了我们动画中看到的“小碎步”。同时，这也说明我们所使用的仿生兽模型尺寸还有进一步优化改进的空间。
脚的行走轨迹曲线
当然，可以分析的点还有很多，本文不再一一列举。
总的来说，Amesim的机械库非常强大，可以完成绝大多数常见机械结构的运动学和动力学仿真。限于篇幅，本文并没有对风力仿真兽的建模仿真过程做过于细致的介绍。文末提供了本文模型（采用Amesim 17版本创建）的下载链接，供大家参考。
