汽车机器人玩具结构的创新设计

的产品，目前市场上的机器人产品要么结构复杂，依靠手动实现变形，要么依开式链实现折叠变形，或者不具备变形功能，缺乏使用机构组合变形实现汽车本设计基于市场已有机械玩具产品分析，将变胞机构理论应新设计了一款可实现人形行走、汽车构态下遥控驾驶、人形和汽本作品设计过程的重难点有如下几点：变形六杆机构的尺寸和杆组法理论将六杆机构尺寸算出；颈部众多零部件的设计与干涉检验 difficultiesofthedesignprocessofthisworkarethefollowin ...................................................................................1.1变形机械玩具国内外发展现状...............................................................1.2变形机械玩具市场调查研究.................................................................1.2.1市场容量分析..........................................................................1.2.2行业分析..............................................................................1.3变胞机构概述及研究现状........................................................................................................................................1.3.2变胞机构的实际应用现状........................................................................................................................1.5本课题研究的内容及创新点.................................................................1.5.1研究内容.............................................................................................................................................................第二章汽车人创新设计分析....................................................................2.1汽车人创新设计思路........................................................................2.2基于变胞机构的汽车人变形原理分析.................................................................................................................................................................................2.3基于杆组理论的机构运动分析...............................................................2.3.1单杆运动分析的数学模型...............................................................2.3.2RRP杆组运动分析的数学模型.............................................................2.3.3RRR杆组运动分析的数学模型.........................................................................................................................2.4基于压力角的尺寸计算分析................................................................2.5机构运动仿真..............................................................................2.6颈部齿轮副的设计..........................................................................2.7运动控制系统设计与实现..................................................................2.7.1变形过程电机选择、运动区域设定.......................................................2.7.2转向实现..............................................................................2.7.3人形手臂舞蹈动作、汽车构态叠放....................................................... 第三章三维实体建模及动态仿真......................................................................................................................................3.2汽车人三维建模............................................................................3.3汽车人整体装配............................................................................e三r维动态仿真...................................................................第四章汽车人实物制作加工....................................................................4.1腿部—汽车后盖的制作加工.................................................................4.2胸部--汽车前盖的制作加工..................................................................4.3颈部齿轮副的安装..........................................................................4.4手臂--舞蹈、叠放的位置与整体设计...........................................................4.5整体装配...............................................................................................................................................................5.1总结......................................................................................5.2展望...............................................................................................................................................................................参考文献............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 变形机械玩具，顾名思义，以变形为基本进行设计的玩具，塑胶材居多，以新颖、多变、益智、收藏为目的，深受消费者的喜爱。说到变形玩具，不得不提美国玩具巨头销量积累起大量的资金，进而为后面高质量的动画作提供了有力保障。发展中推陈出新，从变形金刚第一代第二代，到加强版、特别版，直至电影版，使其动画和玩具都不断更新换代，循环不息。发展后期，进行变形金刚文化的全方位构造销方面有了不小进步，其中优秀者如奥飞、星杰，灵动，骅威等公司等都颇有可圈颇点之处。但是，企业蜂涌而上也造成了大量题材的雷同。有业内人士笑曰，近几年变形玩态。即使是被寄于厚望的变形金刚电影版Ⅱ也没能续写辉煌。目前，国内变形玩具的主要流通渠道有以下三种：较低端的批发及小店售卖；部分的商超专卖；大量的代加工临沂小商品批发市场、北京红桥玩具市场等地，随处可见变彩玩具的踪迹，零售价格从而在当地相应的高端商场，国内的品牌较为少见，由美国孩之宝的变形金刚，日本万代 群体也正在迅速扩大。玩具已不再是儿童的专利，越来越多高档、新颖的玩具开始成为成年人的休闲、娱乐用品。而目前，我国成人玩具的开发还是一个空白，显然这个市场而目前却是众多玩具业厂商不重视的一个市场，所以对于内加大投入力度，力争中国市场成为另外一个美国市场，成长的一段时间内各个档次、各类品种共存的态势。而消费者对玩具的需视。而给孩子买玩具，是家长表达爱心、对孩子进行智力开发的重要方显然，电动型与智能型玩具在社会上无论是城而各类机器人电影的热播，唤起了很多人心中对童年时光的人的成人礼。市场上各类机械玩具层出不穷，经调查，机械玩具表1-1市场上已有机械玩具的性能分析市场已有产品性能分析归结为纯粹的电子类产品。综上可知，目前市场上的机器人产品要么结构复杂，依靠手动实现简单的开式链实现折叠变形，或者不具备变形功能，缺乏使用机[3]。从可衍变、重组和重构的机构特点出发，二人借鉴生物学中细胞分裂，组合和再生活动度变化，并在活动度变化后，机构仍保持运行，这样的机构称为变学，变胞机构是在机构运动过程中拓扑结构至少发生一次突变(所有的构态互不同构)的机构。 判定依据。杨廷力[4]在他的国家自然科学基金研究专著《机器人机构拓扑结构学》中写着一定共性。一切生物体都是由细胞组成的，细胞是生物体结构和功能的基本构可看作由机构细胞组成，机构细胞最基本的单位就是构件和运动副。不同的胞组成是不同的，不同机构的构件和运动副组成是不同的。从生物学角度去解方式实现变胞过程。据此，变胞方式可分为变构件数、变运动副数、变构件特数通过运动副的有效和失效实现、变构件特性通过改变构件的刚性和柔性特性运动副特性通过改变运动副的类型和几何关系实现、变邻接关系通过机构的重不一定符合变胞机构判定条件的一些实际应用取得了一定成果。在航天领域，的，所以实际应用，尤其是成熟的产品还比较少。变胞机构的实际应用前仍然是变胞机构发展的瓶颈。学者的共识是变胞机构一定会有着广泛变胞机构只有十多年的研究历程，还不是很成熟。好的应用和产品需要支撑，但目前变胞机构理论还有许多待解决的问题，所以，随着变胞机仿生行走机构的核心是它的机构原理，针对机构 而这个自由度为零的运动链有可能还可以进一步拆成为若干个更简单运动链，这样我们把自由度为零且不可再分的运动链称为基本杆组机构的结构分类是根据机构中组成基本杆组的形态进行的，组成平L2是n2、pL3的基本杆组，我们把这种基本杆组称为II级组，II级组是应用最多的n···级组；包含四个构件组成的四边形的基本杆组称为Ⅳ级组；其余依此类 简图II简图简图III简图动件、机架和基本杆组，分别计算出各部分尺寸，基于杆组模块化理论汽车人有两种构态：人形和汽车,可遥控电机驱动机械装置,通过机构运动实现两种构态的自动变形。同时,该机械玩具可实现人形构态两腿交替踏步前行、舞蹈等动作；本设计基于压力角及杆组法理论分析，将驱动汽车人变形的 该类机械玩具或多或少存在一定缺陷，要么结构复杂，依靠手动实现变单的开式链实现折叠变形，或者不具备变形功能，缺乏使用机构组合变本课题经过创新设计与运动分析，验证设计思路，自行加工变胞机构而实现人形、汽车两种构态自动可逆转换的机械 2.1汽车人创新设计思路本毕设基于变胞机构理论进行机构创新设计，实现汽车构态可逆自动变形。在此基础上对各个零部件进行创新现有汽车人产品的分析现有汽车人产品的分析具有可控变形能力的汽车人玩具开发机构创新设计手臂支撑站立及支持行走时脚部机构设计基于变胞机构的人、车两种构态可逆变形变胞机构实现预定联动产品特点人形脚部、胸部前车盖对应设计单片机控制车形人形将变胞机构的理论应用于实际产品开发具有人形、汽车两种构态，是一款融益智与娱乐为一体的机器人玩具外观造型炫酷，声、灯光、音乐 舵机，支撑车前盖使其不会在行驶时向下运动，避免对地面产生摩擦。前车盖则通过颈1---前车盖（前胸2---头部，3---前轮，4---车身，5---脚底平衡装置，6---后轮，7---车尾（小腿8---），），），），部、肘部、肩部、手腕部位均为转动副，可在较大范围的三维空间转动，由多合电路进行程序化控制。此时，可通过程序控制各个关节的舵机运动实现行走 2.2基于变胞机构的汽车人变形原理分析 图2-5从人形到车形的变形过程图表2-1：从人形变为车形过程各状态简图 1---六杆机构（连杆5），2---后轮，3---大腿，4---腰部，5---前轮，6---头部7---车门，8---手臂9---爪手，图2-4从车形到人形的变形过程图表2-2：从车形变为人形过程各状态简图状态机构简图変胞前変胞时変胞后2.3基于杆组理论的机构运动分析 六杆机构机架和原动件 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。为了正确的确定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基于压力角的尺寸计算分析在平面连杆机构中不计摩擦和构件的惯性的情况下，机构运动时从动件所机构运转过程中，压力角和传动角随从动件的位置而变化。压力角运动的有效分力越大，机构传动的效率也越高，所以可用压力角的大小在设计本六杆机构时，规定最大压力角max不超过40°,即最小传动角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机构运动仿真 带动汽车后盖顺时针转动为人形脚部，其变形过程与点击2.6颈部齿轮副的设计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×),距为) ,, 2.7运动控制系统设计与实现2.7.1变形过程电机选择、运动区域设定在电机的选择中主要是考虑以下几个方面1）是否可用程序控制2）电机调速的平滑性3）电机的大小是否可以安装在有限的空间内4）电机的数尺转矩转动角度是否达到要求6）电机的过载能力。直流电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小、调速范围宽广、调速特性平滑、过载能力较强、热动和制动转矩较品作为户外使用，采用直流电机可以用电池直接供电。而交流电机适用于高转压、大电流、大容量的工作状态下，且需要交流电来提供电力，不宜在户外使 空载转速0.13秒空载转速0.13秒空载转速0.13秒空载转速0.13秒产品尺寸转动角最大转动角最大死区设定4反应转速输出功使用电反应转速输出功使用电6工作电死区设定3工作扭矩30.2秒0.2秒使用电6工作电工作扭矩2.7使用电6工作电工作扭矩2.7反应转速0.2秒输出功死区设定2转动角最大空载转速0.13秒2.7.2转向实现涉，故采用后轮速度差的方案来实现转向。使本产品具有结构简单可靠2.7.3人形手臂舞蹈动作、汽车构态叠放 第三章三维实体建模及动态仿真问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行 相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更3.2汽车人三维建模此在汽车人三维建模之前，首先绘制手工草图，初步勾勒出汽车人整体外形轮廓，设计创意主要来自电影《变形金刚》中大黄蜂汽车人的整体外形，由于整体造型难度较高， 3.3汽车人整体装配装配前车盖，前车盖依靠车身为机架可以变形为人形且由于变形为前胸时所旋转的最大角度为160°,因此使车盖与车身底盘的旋转角最小限制为0°,最大限制为160°,如图3-2所示。 装配大腿，行走时大腿以车身为机架转动，因此使用能太大，因此使大腿与汽车底盘的旋转角最小限制为-40°,最大限制为30°,如图3-4。装配车后盖，变形时车后盖以腿部转动变为小腿，因度最小限制为0°,最大限制为180°,如图3-5。 装配六杆机构，首先装配滑杆，由于滑杆只能实现来胸与汽车前盖之间的转换，因此使他们与后盖和前盖固结为一体装配连杆，连杆的作用为带动曲柄与滑杆间的运动，因 真模块进行动态仿真。仿真过程需要按照实际运动需求进行机构定义， 所有机构定义完成后，即可进行运动分析，打）， 因此加工制作材料主要以有机玻璃和纯铝材为主。由于零部件较多，且加工条件、设备舵机，对腿部的空间要求较大。通过对伺服舵机位置的优化设计，腰部