【導(dǎo)讀】我國是全球第一大玩具生產(chǎn)國，其中機(jī)器人玩具一直以來都是兒童和成人最受歡迎的產(chǎn)品，目前市場上的機(jī)器人產(chǎn)品要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜，依靠手動實(shí)現(xiàn)變形，要么依靠簡單的開式鏈實(shí)現(xiàn)折疊變形，或者不具備變形功能，缺乏使用機(jī)構(gòu)組合變形實(shí)現(xiàn)汽車與人形兩種構(gòu)態(tài)的機(jī)器人玩具。本設(shè)計(jì)基于市場已有機(jī)械玩具產(chǎn)品分析，將變胞機(jī)構(gòu)理論應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款可實(shí)現(xiàn)人形行走、汽車構(gòu)態(tài)下遙控駕駛、人形和汽車兩種構(gòu)態(tài)相互可逆變形的機(jī)械玩具——汽車人。2007年，變形金剛大熱，一度供不應(yīng)求。巨大的變形玩具市場吸引著大量玩具廠商紛紛跟進(jìn)，“動畫十產(chǎn)品”的模式廣被沿用，國

　　

【正文】 結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來。這一優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜。外形往往是消費(fèi)者選擇機(jī)械玩具的重要因素之一，酷炫的外形更容易吸引眼球，因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(shè)計(jì)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，需要用到曲面高級造型，而Pro/E的曲面造型模塊非常強(qiáng)大，所以本文所有的三維實(shí)體全部采用Pro/Engineer來設(shè)計(jì)。汽車人整體外形及結(jié)構(gòu)的建模步驟是：1） 根據(jù)確定的六桿機(jī)構(gòu)長度可以初步確定車前蓋（人形前胸）、車底盤、車后蓋（人形小腿）尺寸；2） 將初步機(jī)構(gòu)導(dǎo)入運(yùn)動設(shè)計(jì)模塊，驗(yàn)證變形機(jī)構(gòu)是否滿足運(yùn)動要求；3） 建立三維六桿機(jī)構(gòu)，并分析結(jié)構(gòu)的合格性；4） 根據(jù)手繪設(shè)計(jì)外形繪制草繪曲線，建立曲面；5） 車前蓋、車身、車后蓋、頭部及其他各部件的實(shí)體化。六桿機(jī)構(gòu)的三維對照圖及其他關(guān)鍵零部件建模效果如表31,32所示。表31 六桿機(jī)構(gòu)——三維實(shí)體對照圖構(gòu)件簡圖三維實(shí)體32其他零件建模效果頭部汽車前蓋車身汽車后蓋人形小腿大腿手臂車門車輪完成零件建模后，在Pro/E新建一個ASM組件，首先裝配汽車底盤（車身），車身是整個汽車人的機(jī)架，導(dǎo)入車身零件，定義為缺省狀態(tài)，如圖31所示。 圖31汽車底盤的導(dǎo)入裝配前車蓋，前車蓋依靠車身為機(jī)架可以變形為人形前胸，所以使用銷釘連接，并且由于變形為前胸時所旋轉(zhuǎn)的最大角度為160176。，因此使車蓋與車身底盤的旋轉(zhuǎn)角最小限制為0176。，最大限制為160176。，如圖32所示。圖32 前車蓋的裝配裝配腰部電機(jī)，定義為與車身后部剛性連接，如圖33所示。圖33 腰部電機(jī)的裝配裝配大腿，行走時大腿以車身為機(jī)架轉(zhuǎn)動，因此使用銷釘連接，行走時擺動幅度不能太大，因此使大腿與汽車底盤的旋轉(zhuǎn)角最小限制為40176。，最大限制為30176。，如圖34。圖34 大腿的裝配裝配車后蓋，變形時車后蓋以腿部轉(zhuǎn)動變?yōu)樾⊥?，因此使后蓋與汽車底盤的轉(zhuǎn)動角度最小限制為0176。，最大限制為180176。，如圖35。圖35 車后蓋的裝配裝配六桿機(jī)構(gòu)，首先裝配滑桿，由于滑桿只能實(shí)現(xiàn)來回滑動的功能，所以定義滑桿與汽車底盤的套筒為滑動桿約束，如圖36。圖36 滑桿的裝配裝配曲柄，曲柄1與曲柄6的作用為實(shí)現(xiàn)變形過程中人形小腿與汽車后蓋，人形前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(jié)為一體，故使用剛性約束，如圖37。圖37 曲柄的裝配裝配連桿，連桿的作用為帶動曲柄與滑桿間的運(yùn)動，因此兩頭使用銷釘約束，如圖38。圖38 連桿的裝配頭部的裝配，頭部以車身為機(jī)架轉(zhuǎn)動，因此使用銷釘約束，如圖39。圖39 頭部的裝配頸部齒輪副的裝配，使用銷釘裝配后再使用剛性固定在軸上，如圖311。圖310 頸部齒輪副的裝配其他零部件的裝配在此不再詳述，最后的裝配整體效果如圖311。圖311 裝配完成整體效果圖 Pro/Engineer三維動態(tài)仿真汽車人所有零部件在按照各自約束關(guān)系裝配完成后，將其導(dǎo)入Pro/Engineer運(yùn)動仿真模塊進(jìn)行動態(tài)仿真。仿真過程需要按照實(shí)際運(yùn)動需求進(jìn)行機(jī)構(gòu)定義，最重要的為以下三部分的定義?；瑮U碰撞的定義打開3D接觸，在參照對話框中，選擇滑桿3的端面作為接觸參照1，選擇滑桿4整體作為接觸參照2，即當(dāng)滑桿3的端面接觸到安裝在滑桿4上的電磁跌時即可推動滑桿4運(yùn)動。設(shè)置為無摩擦，如圖312。圖312 3D接觸的定義齒輪副的定義打開齒輪副功能，齒輪1選擇小齒輪，齒輪2選擇中間變向齒輪，在屬性選項(xiàng)卡定義傳動比，根據(jù)傳動比，輸入D1=9，D2=9，如圖313。圖313 一級齒輪副的定義同理，第二級齒輪的定義中，齒輪1選擇中間齒輪，齒輪2選擇大齒輪，在屬性選項(xiàng)卡定義傳動比，D1=9，D2=16，如圖314。圖314 二級齒輪副的定義伺服電機(jī)的定義打開私服電動機(jī)定義功能，在類型選項(xiàng)卡選擇運(yùn)動軸，選擇曲柄1的旋轉(zhuǎn)中心為參照；在輪廓選項(xiàng)卡定義速度為10,如圖315。圖315 伺服電機(jī)的定義所有機(jī)構(gòu)定義完成后，即可進(jìn)行運(yùn)動分析，打開分析定義功能，輸入相應(yīng)參數(shù)，點(diǎn)擊運(yùn)行，即可進(jìn)行三維動態(tài)仿真，可從多個角度觀察機(jī)構(gòu)變形過程中各桿件的運(yùn)動狀態(tài)，分析完成后打開動畫捕獲功能即可導(dǎo)出視頻動畫（見視頻文件），如圖316。圖316 運(yùn)動分析以及視頻文件的導(dǎo)出第四章 汽車人實(shí)物制作加工汽車人的加工制作過程較為復(fù)雜和困難，考慮到重量及整車曲面較多，成型較困難，因此加工制作材料主要以有機(jī)玻璃和純鋁材為主。由于零部件較多，且加工條件、設(shè)備有限，因此實(shí)物的制作與設(shè)計(jì)存在一定的偏差，本章主要介紹關(guān)鍵零部件的制作加工?！嚭笊w的制作加工腿部材料為純鋁材，采用U型槽設(shè)計(jì)制作，其集中了腰部、后輪和膝蓋三處的伺服舵機(jī)，對腿部的空間要求較大。通過對伺服舵機(jī)位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，腰部舵機(jī)由兩個精減為一個，將膝蓋舵機(jī)朝內(nèi)側(cè)，六桿機(jī)構(gòu)安裝在舵機(jī)和小腿內(nèi)側(cè)板的間隙之間。加工完成后的實(shí)物如圖41。圖41，人形腿部（汽車后蓋）實(shí)物圖 胸部汽車前蓋的制作加工胸部主要集中了支持六桿運(yùn)動、手部推出的套筒及雙手，所以胸部制作的面積比較大需要的強(qiáng)度也較大。前車蓋不承擔(dān)任何功能但因其表面積大多為曲面則整體成型教困難，因此采用有機(jī)玻璃為材料，將其置于電爐絲上加熱后，彎曲而成，由于整個前蓋的曲面較為復(fù)雜，加大了加工制作的難度和復(fù)雜度。加工完成實(shí)物圖如圖42。圖42，人形胸部（汽車前蓋）實(shí)物圖 頸部齒輪副的安裝頸部主要集中了頸部齒輪副，使頭部跟隨汽車前蓋的160176。轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動90176。由于頸部的空間有限，故頸部齒輪副和頸部必須小而輕，從而減少干涉和順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動。齒輪加工要求技術(shù)難度教高，因技術(shù)、設(shè)備有限，因此只能外購，實(shí)物圖如圖43。圖43，頸部齒輪副實(shí)物圖 手臂舞蹈、疊放的位置與整體設(shè)計(jì)手臂材料為純鋁材，手臂是實(shí)現(xiàn)變形過程中的重要部分，其長度是決定變形是否成功的關(guān)鍵，由于車身的空間有限，故決定將手臂采用三層疊放，用三個伺服舵機(jī)依次將手腕、小臂和大臂伸開和收縮。同時為使人形與車形時的整體外形更加完美，將車門安裝在手臂的外側(cè)。實(shí)物圖如圖44。圖44，手臂實(shí)物圖 整體裝配其他零部件如輪子、頭部加工較為困難，因此采用外購的形式，至此，所有零部件實(shí)物制作完成，將其裝配，整體效果如圖45（a）（b）。（a）人形狀態(tài) （b）車形狀態(tài) 圖45整體裝配實(shí)物圖第五章 總結(jié)與展望經(jīng)過為期三個多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作，從一開始變形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)到三維建模仿真，再而制作加工，到最后的撰寫論文，基本完成所有項(xiàng)目。本畢業(yè)設(shè)計(jì)涵蓋了機(jī)械專業(yè)的大部分學(xué)科，包括機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、工程材料、參數(shù)建模，金工實(shí)訓(xùn)等。其創(chuàng)新點(diǎn)主要有如下4點(diǎn)：本產(chǎn)品應(yīng)用變胞機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了汽車人人形行走和汽車奔馳兩種構(gòu)態(tài)，以及兩者間可逆變形的實(shí)現(xiàn)；在可逆變形功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)作品構(gòu)態(tài)，對各個零部件進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，產(chǎn)品造型較好地與產(chǎn)品功能相融合；基于單片機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大黃蜂汽車人可逆變形、人形行走、汽車遙控等動作和功能的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；為市場上提供一款集趣味性、益智于一體的大黃蜂機(jī)器人產(chǎn)品，相關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)造型和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)均為原創(chuàng)，具有較好的市場投資價值和技術(shù)推廣價值。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，鞏固了大學(xué)幾年來所學(xué)到的相關(guān)專業(yè)知識，包括機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、Pro/E軟件的操作及加工制作方法。在以后的工作中可以在以下方面做進(jìn)一步的改善：變胞機(jī)構(gòu)的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)；人形行走時動作不夠平穩(wěn)，且步幅較小，這是由于整體平衡性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素，可通過更改相關(guān)機(jī)構(gòu)使其行走更加平穩(wěn)；肩部及手臂部分自由度不夠，只能完成不用的伸展動作，以后可以將相關(guān)結(jié)構(gòu)改善，使其可以完成較為復(fù)雜的的動作；人形狀態(tài)時頭部只能往前看，不能實(shí)現(xiàn)上、下、左、右的擺動，可在頸部增加相應(yīng)機(jī)構(gòu)，在頸部有限的空間通過更為緊湊的結(jié)構(gòu)布局實(shí)現(xiàn)該功能。謝 辭本畢業(yè)設(shè)計(jì)在指導(dǎo)老師孫亮波的悉心指導(dǎo)下得以完成，在設(shè)計(jì)整個過程里，凝聚著孫老師的汗水和心血，孫老師是一位對知識飽含激情的學(xué)者，他具有淵博的專業(yè)知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)于律已、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠(yuǎn)，孫老師指引我畢業(yè)設(shè)計(jì)的方向和架構(gòu)，并在這個需要付出努力的過程當(dāng)中給予我無盡的啟迪，在此謹(jǐn)向?qū)O老師表示崇高的敬意和衷心的感謝！同時也要感謝麻健嘉、楊波等同學(xué)在運(yùn)動控制系統(tǒng)、加工等方面給予我的幫助。在設(shè)計(jì)過程中，我查找了許多相關(guān)的書記和文獻(xiàn)，并上網(wǎng)搜尋了不少相關(guān)信息還在網(wǎng)上發(fā)了不少問題讓網(wǎng)友幫忙解決。在此，感謝那些辛苦寫書的作者、發(fā)表相關(guān)信息的網(wǎng)友并向所有幫助過我的人致以衷心地感謝！最后，再次感謝孫老師和各位同學(xué)，謝謝你們的關(guān)心。也祝愿大家身體健康，在今后的日子里我們還能相互學(xué)習(xí)！參考文獻(xiàn)[1][2]汽車雜志2011年第7期[3] 戴建生，丁希侖，王德倫. 空間變胞機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4] 楊廷力，機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)學(xué)[M]。 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.[5] 張克濤，方躍法，房海蓉. 基于變胞原理的一種探測車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2007，[6] 孫亮波，Ⅳ級桿組的型綜合分析, 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，.[7] 廖漢元、. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，[8] 大連理工大學(xué)工程畫教研窒.《機(jī)械制圖》[M]高等教育出版社，2007.[9] ［M].電子工業(yè)出版社，2008.[10] 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