汽車機器人玩具結構的創(chuàng)新設計

的產(chǎn)品，目前市場上的機器人產(chǎn)品要么結構復雜，依靠手動實現(xiàn)變形，要么依開式鏈實現(xiàn)折疊變形，或者不具備變形功能，缺乏使用機構組合變形實現(xiàn)汽車本設計基于市場已有機械玩具產(chǎn)品分析，將變胞機構理論應新設計了一款可實現(xiàn)人形行走、汽車構態(tài)下遙控駕駛、人形和汽本作品設計過程的重難點有如下幾點：變形六桿機構的尺寸和桿組法理論將六桿機構尺寸算出；頸部眾多零部件的設計與干涉檢驗 difficultiesofthedesignprocessofthisworkarethefollowin ...................................................................................1.1變形機械玩具國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀...............................................................1.2變形機械玩具市場調(diào)查研究.................................................................1.2.1市場容量分析..........................................................................1.2.2行業(yè)分析..............................................................................1.3變胞機構概述及研究現(xiàn)狀........................................................................................................................................1.3.2變胞機構的實際應用現(xiàn)狀........................................................................................................................1.5本課題研究的內(nèi)容及創(chuàng)新點.................................................................1.5.1研究內(nèi)容.............................................................................................................................................................第二章汽車人創(chuàng)新設計分析....................................................................2.1汽車人創(chuàng)新設計思路........................................................................2.2基于變胞機構的汽車人變形原理分析.................................................................................................................................................................................2.3基于桿組理論的機構運動分析...............................................................2.3.1單桿運動分析的數(shù)學模型...............................................................2.3.2RRP桿組運動分析的數(shù)學模型.............................................................2.3.3RRR桿組運動分析的數(shù)學模型.........................................................................................................................2.4基于壓力角的尺寸計算分析................................................................2.5機構運動仿真..............................................................................2.6頸部齒輪副的設計..........................................................................2.7運動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)..................................................................2.7.1變形過程電機選擇、運動區(qū)域設定.......................................................2.7.2轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)..............................................................................2.7.3人形手臂舞蹈動作、汽車構態(tài)疊放....................................................... 第三章三維實體建模及動態(tài)仿真......................................................................................................................................3.2汽車人三維建模............................................................................3.3汽車人整體裝配............................................................................e三r維動態(tài)仿真...................................................................第四章汽車人實物制作加工....................................................................4.1腿部—汽車后蓋的制作加工.................................................................4.2胸部--汽車前蓋的制作加工..................................................................4.3頸部齒輪副的安裝..........................................................................4.4手臂--舞蹈、疊放的位置與整體設計...........................................................4.5整體裝配...............................................................................................................................................................5.1總結......................................................................................5.2展望...............................................................................................................................................................................參考文獻............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 變形機械玩具，顧名思義，以變形為基本進行設計的玩具，塑膠材居多，以新穎、多變、益智、收藏為目的，深受消費者的喜愛。說到變形玩具，不得不提美國玩具巨頭銷量積累起大量的資金，進而為后面高質(zhì)量的動畫作提供了有力保障。發(fā)展中推陳出新，從變形金剛第一代第二代，到加強版、特別版，直至電影版，使其動畫和玩具都不斷更新?lián)Q代，循環(huán)不息。發(fā)展后期，進行變形金剛文化的全方位構造銷方面有了不小進步，其中優(yōu)秀者如奧飛、星杰，靈動，驊威等公司等都頗有可圈頗點之處。但是，企業(yè)蜂涌而上也造成了大量題材的雷同。有業(yè)內(nèi)人士笑曰，近幾年變形玩態(tài)。即使是被寄于厚望的變形金剛電影版Ⅱ也沒能續(xù)寫輝煌。目前，國內(nèi)變形玩具的主要流通渠道有以下三種：較低端的批發(fā)及小店售賣；部分的商超專賣；大量的代加工臨沂小商品批發(fā)市場、北京紅橋玩具市場等地，隨處可見變彩玩具的蹤跡，零售價格從而在當?shù)叵鄳母叨松虉?，國?nèi)的品牌較為少見，由美國孩之寶的變形金剛，日本萬代 群體也正在迅速擴大。玩具已不再是兒童的專利，越來越多高檔、新穎的玩具開始成為成年人的休閑、娛樂用品。而目前，我國成人玩具的開發(fā)還是一個空白，顯然這個市場而目前卻是眾多玩具業(yè)廠商不重視的一個市場，所以對于內(nèi)加大投入力度，力爭中國市場成為另外一個美國市場，成長的一段時間內(nèi)各個檔次、各類品種共存的態(tài)勢。而消費者對玩具的需視。而給孩子買玩具，是家長表達愛心、對孩子進行智力開發(fā)的重要方顯然，電動型與智能型玩具在社會上無論是城而各類機器人電影的熱播，喚起了很多人心中對童年時光的人的成人禮。市場上各類機械玩具層出不窮，經(jīng)調(diào)查，機械玩具表1-1市場上已有機械玩具的性能分析市場已有產(chǎn)品性能分析歸結為純粹的電子類產(chǎn)品。綜上可知，目前市場上的機器人產(chǎn)品要么結構復雜，依靠手動實現(xiàn)簡單的開式鏈實現(xiàn)折疊變形，或者不具備變形功能，缺乏使用機[3]。從可衍變、重組和重構的機構特點出發(fā)，二人借鑒生物學中細胞分裂，組合和再生活動度變化，并在活動度變化后，機構仍保持運行，這樣的機構稱為變學，變胞機構是在機構運動過程中拓撲結構至少發(fā)生一次突變(所有的構態(tài)互不同構)的機構。 判定依據(jù)。楊廷力[4]在他的國家自然科學基金研究專著《機器人機構拓撲結構學》中寫著一定共性。一切生物體都是由細胞組成的，細胞是生物體結構和功能的基本構可看作由機構細胞組成，機構細胞最基本的單位就是構件和運動副。不同的胞組成是不同的，不同機構的構件和運動副組成是不同的。從生物學角度去解方式實現(xiàn)變胞過程。據(jù)此，變胞方式可分為變構件數(shù)、變運動副數(shù)、變構件特數(shù)通過運動副的有效和失效實現(xiàn)、變構件特性通過改變構件的剛性和柔性特性運動副特性通過改變運動副的類型和幾何關系實現(xiàn)、變鄰接關系通過機構的重不一定符合變胞機構判定條件的一些實際應用取得了一定成果。在航天領域，的，所以實際應用，尤其是成熟的產(chǎn)品還比較少。變胞機構的實際應用前仍然是變胞機構發(fā)展的瓶頸。學者的共識是變胞機構一定會有著廣泛變胞機構只有十多年的研究歷程，還不是很成熟。好的應用和產(chǎn)品需要支撐，但目前變胞機構理論還有許多待解決的問題，所以，隨著變胞機仿生行走機構的核心是它的機構原理，針對機構 而這個自由度為零的運動鏈有可能還可以進一步拆成為若干個更簡單運動鏈，這樣我們把自由度為零且不可再分的運動鏈稱為基本桿組機構的結構分類是根據(jù)機構中組成基本桿組的形態(tài)進行的，組成平L2是n2、pL3的基本桿組，我們把這種基本桿組稱為II級組，II級組是應用最多的n···級組；包含四個構件組成的四邊形的基本桿組稱為Ⅳ級組；其余依此類 簡圖II簡圖簡圖III簡圖動件、機架和基本桿組，分別計算出各部分尺寸，基于桿組模塊化理論汽車人有兩種構態(tài)：人形和汽車,可遙控電機驅(qū)動機械裝置,通過機構運動實現(xiàn)兩種構態(tài)的自動變形。同時,該機械玩具可實現(xiàn)人形構態(tài)兩腿交替踏步前行、舞蹈等動作；本設計基于壓力角及桿組法理論分析，將驅(qū)動汽車人變形的 該類機械玩具或多或少存在一定缺陷，要么結構復雜，依靠手動實現(xiàn)變單的開式鏈實現(xiàn)折疊變形，或者不具備變形功能，缺乏使用機構組合變本課題經(jīng)過創(chuàng)新設計與運動分析，驗證設計思路，自行加工變胞機構而實現(xiàn)人形、汽車兩種構態(tài)自動可逆轉(zhuǎn)換的機械 2.1汽車人創(chuàng)新設計思路本畢設基于變胞機構理論進行機構創(chuàng)新設計，實現(xiàn)汽車構態(tài)可逆自動變形。在此基礎上對各個零部件進行創(chuàng)新現(xiàn)有汽車人產(chǎn)品的分析現(xiàn)有汽車人產(chǎn)品的分析具有可控變形能力的汽車人玩具開發(fā)機構創(chuàng)新設計手臂支撐站立及支持行走時腳部機構設計基于變胞機構的人、車兩種構態(tài)可逆變形變胞機構實現(xiàn)預定聯(lián)動產(chǎn)品特點人形腳部、胸部前車蓋對應設計單片機控制車形人形將變胞機構的理論應用于實際產(chǎn)品開發(fā)具有人形、汽車兩種構態(tài)，是一款融益智與娛樂為一體的機器人玩具外觀造型炫酷，聲、燈光、音樂 舵機，支撐車前蓋使其不會在行駛時向下運動，避免對地面產(chǎn)生摩擦。前車蓋則通過頸1---前車蓋（前胸2---頭部，3---前輪，4---車身，5---腳底平衡裝置，6---后輪，7---車尾（小腿8---），），），），部、肘部、肩部、手腕部位均為轉(zhuǎn)動副，可在較大范圍的三維空間轉(zhuǎn)動，由多合電路進行程序化控制。此時，可通過程序控制各個關節(jié)的舵機運動實現(xiàn)行走 2.2基于變胞機構的汽車人變形原理分析 圖2-5從人形到車形的變形過程圖表2-1：從人形變?yōu)檐囆芜^程各狀態(tài)簡圖 1---六桿機構（連桿5），2---后輪，3---大腿，4---腰部，5---前輪，6---頭部7---車門，8---手臂9---爪手，圖2-4從車形到人形的變形過程圖表2-2：從車形變?yōu)槿诵芜^程各狀態(tài)簡圖狀態(tài)機構簡圖変胞前変胞時変胞后2.3基于桿組理論的機構運動分析 六桿機構機架和原動件 rrlrls（式2-5）EQ\*jc3\*hps36\o\al(\s\up1(r),E)EQ\*jc3\*hps36\o\al(\s\up1(r),A) （）12 lrrrllrrrrrlrrllEQ\*jc3\*hps37\o\al(\s\up2(l),bc) lco()lco()(XX))2。l2l2,l2l2,,LL。為了正確的確定L111 EQ\*jc3\*hps36\o\al(\s\up1(l),oa)EQ\*jc3\*hps36\o\al(\s\up1(l),ab)EQ\*jc3\*hps36\o\al(\s\up1(l),bc)EQ\*jc3\*hps36\o\al(\s\up1(l),cd)EQ\*jc3\*hps36\o\al(\s\up1(l),de),ogabab cdEQ\*jc3\*hps34\o\al(\s\up3(l),bc)Xgxg2.4基于壓力角的尺寸計算分析在平面連桿機構中不計摩擦和構件的慣性的情況下，機構運動時從動件所機構運轉(zhuǎn)過程中，壓力角和傳動角隨從動件的位置而變化。壓力角運動的有效分力越大，機構傳動的效率也越高，所以可用壓力角的大小在設計本六桿機構時，規(guī)定最大壓力角max不超過40°,即最小傳動角min50，。 sinEQ\*jc3\*hps36\o\al(\s\up4(l),oasinEQ\*jc3\*hps36\o\al(\s\up4(l),oa)EQ\*jc3\*hps36\o\al(\s\up4(l),ab)EQ\*jc3\*hps34\o\al(\s\up0(l),oa)EQ\*jc3\*hps34\o\al(\s\up0(l),ab)EQ\*jc3\*hps39\o\al(\s\up2(l),oa)sinEQ\*jc3\*hps39\o\al(\s\up2(l),ab)EQ\*jc3\*hps39\o\al(\s\up2(l),ab)lsinEQ\*jc3\*hps40\o\al(\s\up4(l),ef)EQ\*jc3\*hps40\o\al(\s\up4(l),EQ\*jc3\*hps40\o\al(\s\up4(l),ef)EQ\*jc3\*hps40\o\al(\s\up4(l),ef)lEQ\*jc3\*hps40\o\al(\s\up4(l),ef)EQ\*jc3\*hps41\o\al(\s\up3(l),oa)EQ\*jc3\*hps41\o\al(\s\up3(l),ab)l0.64lgfefH HHEQ\*jc3\*hps38\o\al(\s\up4(l),ab)EQ\*jc3\*hps38\o\al(\s\up4(l),ef)EQ\*jc3\*hps38\o\al(\s\up4(l),oa)lEQ\*jc3\*hps38\o\al(\s\up4(l),ab)EQ\*jc3\*hps38\o\al(\s\up4(l),ef)EQ\*jc3\*hps38\o\al(\s\up4(l),ab)cosarcsincosarcsingfEQ\*jc3\*hps38\o\al(\s\up4(l),ef)lEQ\*jc3\*hps36\o\al(\s\up2(l),oa)EQ\*jc3\*hps36\o\al(\s\up4(lEQ\*jc3\*hps36\o\al(\s\up2(l),oa)EQ\*jc3\*hps36\o\al(\s\up4(l),ab)llllEQ\*jc3\*hps42\o\al(\s\up2(l),be)EQ\*jc3\*hps42\o\al(\s\up4(l),bc)2.5機構運動仿真 帶動汽車后蓋順時針轉(zhuǎn)動為人形腳部，其變形過程與點擊2.6頸部齒輪副的設計iEQ\*jc3\*hps25\o\al(\s\up10(td1=),取中)EQ\*jc3\*hps36\o\al(\s\up15(76),心)EQ\*jc3\*hps36\o\al(\s\up15(8×),距為) ,, 2.7運動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)2.7.1變形過程電機選擇、運動區(qū)域設定在電機的選擇中主要是考慮以下幾個方面1）是否可用程序控制2）電機調(diào)速的平滑性3）電機的大小是否可以安裝在有限的空間內(nèi)4）電機的數(shù)尺轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動角度是否達到要求6）電機的過載能力。直流電機的電勢波形較好，對電磁干擾的影響小、調(diào)速范圍寬廣、調(diào)速特性平滑、過載能力較強、熱動和制動轉(zhuǎn)矩較品作為戶外使用，采用直流電機可以用電池直接供電。而交流電機適用于高轉(zhuǎn)壓、大電流、大容量的工作狀態(tài)下，且需要交流電來提供電力，不宜在戶外使 空載轉(zhuǎn)速0.13秒空載轉(zhuǎn)速0.13秒空載轉(zhuǎn)速0.13秒空載轉(zhuǎn)速0.13秒產(chǎn)品尺寸轉(zhuǎn)動角最大轉(zhuǎn)動角最大死區(qū)設定4反應轉(zhuǎn)速輸出功使用電反應轉(zhuǎn)速輸出功使用電6工作電死區(qū)設定3工作扭矩30.2秒0.2秒使用電6工作電工作扭矩2.7使用電6工作電工作扭矩2.7反應轉(zhuǎn)速0.2秒輸出功死區(qū)設定2轉(zhuǎn)動角最大空載轉(zhuǎn)速0.13秒2.7.2轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)涉，故采用后輪速度差的方案來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。使本產(chǎn)品具有結構簡單可靠2.7.3人形手臂舞蹈動作、汽車構態(tài)疊放 第三章三維實體建模及動態(tài)仿真問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進行 相對于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么以分解成有限數(shù)量的構成特征，而每一種構成特征，都可以用有限的參功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個同樣反應在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結構與工程設計的完整的結合，產(chǎn)品的設計結合起來。這一優(yōu)點，使得設計更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更3.2汽車人三維建模此在汽車人三維建模之前，首先繪制手工草圖，初步勾勒出汽車人整體外形輪廓，設計創(chuàng)意主要來自電影《變形金剛》中大黃蜂汽車人的整體外形，由于整體造型難度較高， 3.3汽車人整體裝配裝配前車蓋，前車蓋依靠車身為機架可以變形為人形且由于變形為前胸時所旋轉(zhuǎn)的最大角度為160°,因此使車蓋與車身底盤的旋轉(zhuǎn)角最小限制為0°,最大限制為160°,如圖3-2所示。 裝配大腿，行走時大腿以車身為機架轉(zhuǎn)動，因此使用能太大，因此使大腿與汽車底盤的旋轉(zhuǎn)角最小限制為-40°,最大限制為30°,如圖3-4。裝配車后蓋，變形時車后蓋以腿部轉(zhuǎn)動變?yōu)樾⊥龋蚨茸钚∠拗茷?°,最大限制為180°,如圖3-5。 裝配六桿機構，首先裝配滑桿，由于滑桿只能實現(xiàn)來胸與汽車前蓋之間的轉(zhuǎn)換，因此使他們與后蓋和前蓋固結為一體裝配連桿，連桿的作用為帶動曲柄與滑桿間的運動，因 真模塊進行動態(tài)仿真。仿真過程需要按照實際運動需求進行機構定義， 所有機構定義完成后，即可進行運動分析，打）， 因此加工制作材料主要以有機玻璃和純鋁材為主。由于零部件較多，且加工條件、設備舵機，對腿部的空間要求較大。通過對伺服舵機位置的優(yōu)化設計，腰部