【正文】 第二章 汽車人創(chuàng)新設(shè)計分析本畢設(shè)基于變胞機構(gòu)理論進行機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計，實現(xiàn)汽車構(gòu)態(tài)、人形行走構(gòu)態(tài)的遙控可逆自動變形。變形機械玩具經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，產(chǎn)品越來越趨于成熟，但經(jīng)過市場調(diào)查分析，該類機械玩具或多或少存在一定缺陷，要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜，依靠手動實現(xiàn)變形，要么依靠簡單的開式鏈實現(xiàn)折疊變形，或者不具備變形功能，缺乏使用機構(gòu)組合變形實現(xiàn)汽車與人形兩種構(gòu)態(tài)的機械玩具。本課題的研究重點及難點有如下幾點：研究重點：汽車人人形和車形的可逆變形過程的實現(xiàn)；變形機構(gòu)的尺寸設(shè)計及壓力角的計算；汽車人整體的三維造型設(shè)計以及運動過程仿真。同時,該機械玩具可實現(xiàn)人形構(gòu)態(tài)兩腿交替踏步前行、舞蹈等動作；汽車構(gòu)態(tài)外部遙控駕駛、無人自適應(yīng)駕駛等功能。 研究內(nèi)容本課題基于變胞機構(gòu)理論，將其應(yīng)用于實際開發(fā)，創(chuàng)新設(shè)計了一款可實現(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)相互可逆變形的機械玩具——汽車人。表13 判斷桿組級別的封閉形桿組級別ⅡⅢⅣ決定級別的封閉形表14判斷桿組級別的封閉形II級組簡圖RRRRRPRPRPRPRPPIII級組簡圖RRRRRRRRRRPRRRRRRPRRPRRPRPPRRP根據(jù)桿組法分析機構(gòu)的原理，這里用一六桿機構(gòu)來舉例分析，如表15示。根據(jù)Ⅱ級組和Ⅲ級組中低副的不同形式（轉(zhuǎn)動副R或移動副P）和它們所在的不同位置又分成不同的類型，如表1表1－4所示。 如表12所示。表12構(gòu)件數(shù)和低副數(shù)的組合n246所以最簡單的基本桿組是、的基本桿組，我們把這種基本桿組稱為II級組，II級組是應(yīng)用最多的一種基本桿組。機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類是根據(jù)機構(gòu)中組成基本桿組的形態(tài)進行的，組成平面機構(gòu)的基本桿組應(yīng)符合條件： （式11）式中，n為基本桿組中的構(gòu)件數(shù)；為基本村組中低副的數(shù)目；為基本桿組中高副的數(shù)目。所以可以這樣定義：任何機構(gòu)都可以看成是由若干個基本桿組依次聯(lián)接于原動件和機架上而構(gòu)成的[5]。一個機構(gòu)具有確定運動必滿足原動件的數(shù)目與自由度的數(shù)目相等?！獥U組法仿生行走機構(gòu)的核心是它的機構(gòu)原理，針對機構(gòu)原理的分析，我們常用桿組法來研究。學(xué)者的共識是變胞機構(gòu)一定會有著廣泛的應(yīng)用，但由于變胞機構(gòu)只有十多年的研究歷程，還不是很成熟。由于變胞機構(gòu)是一個新興研究課題，實際應(yīng)用特別是產(chǎn)品化應(yīng)該是滯后于理論成果的，所以實際應(yīng)用，尤其是成熟的產(chǎn)品還比較少。在航天領(lǐng)域，變胞機構(gòu)具有構(gòu)態(tài)變化和重組特點，其在航天領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用，如空間站基礎(chǔ)骨架、空間機械臂、可展開天線、太陽能帆板等 引。 變胞機構(gòu)的實際應(yīng)用現(xiàn)狀變胞機構(gòu)的應(yīng)用自提出以后，一直是待解決的關(guān)鍵問題之一。變構(gòu)件數(shù)通過構(gòu)件的合并與分離實現(xiàn)，變運動副數(shù)通過運動副的有效和失效實現(xiàn)、變構(gòu)件特性通過改變構(gòu)件的剛性和柔性特性實現(xiàn)、變運動副特性通過改變運動副的類型和幾何關(guān)系實現(xiàn)、變鄰接關(guān)系通過機構(gòu)的重組實現(xiàn)。按照變胞機構(gòu)的判定條件，一個機構(gòu)為了能夠滿足判定條件，需要采取具體的變胞方式實現(xiàn)變胞過程。從生物學(xué)角度去解釋變胞機構(gòu)的定義，一個機構(gòu)成為變胞機構(gòu)必須同時具備變拓撲結(jié)構(gòu)和變自由度兩個判定條件。機構(gòu)可看作由機構(gòu)細胞組成，機構(gòu)細胞最基本的單位就是構(gòu)件和運動副。變胞機構(gòu)提供了一條通路去連接機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)與生物結(jié)構(gòu)，因為生物體與機械的結(jié)構(gòu)存在著一定共性。楊廷力[4]在他的國家自然科學(xué)基金研究專著《機器人機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)學(xué)》中寫到：“若未來‘碰巧’發(fā)現(xiàn)機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)某些結(jié)構(gòu)存在著共性，會再次感受到客觀世界是一個整體”。變胞機構(gòu)提出之后，其與變拓撲機構(gòu)機器人機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)學(xué)基本方程及其應(yīng)用、可展機構(gòu)、變自由度機構(gòu)等類概念的區(qū)分有一定難度。這里給出變胞機構(gòu)的定義和引申：在機構(gòu)連續(xù)運行中，由有效桿件數(shù)目變化或運動副類型和幾何關(guān)系變化引起機構(gòu)的拓撲變化，并導(dǎo)致機構(gòu)活動度變化；在機構(gòu)連續(xù)運行中，至少有一次活動度變化，并在活動度變化后，機構(gòu)仍保持運行，這樣的機構(gòu)稱為變胞機構(gòu)。從可衍變、重組和重構(gòu)的機構(gòu)特點出發(fā)，二人借鑒生物學(xué)中細胞分裂，組合和再生的類似現(xiàn)象，提出了一個新的機構(gòu)概念，并將其中文名稱命名為“變胞機構(gòu)”。 自從變胞機構(gòu)被提出后，引起了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注，成為機構(gòu)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一。綜上可知，目前市場上的機器人產(chǎn)品要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜，依靠手動實現(xiàn)變形，要么依靠簡單的開式鏈實現(xiàn)折疊變形，或者不具備變形功能，缺乏使用機構(gòu)組合變形實現(xiàn)汽車與人形兩種構(gòu)態(tài)的機器人玩具。表11 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 變形金剛，屬多自由度塑料玩具，其造型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過翻轉(zhuǎn)組合實現(xiàn)變形，而且多是由手動實現(xiàn)，難以實現(xiàn)全自動變形。同時，目前市場上已有的各種機器人均不同程度具有行走、舞蹈、視覺識別、攀登等不同功能。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美好回憶，可譽為一代人的成人禮。農(nóng)村消費對象仍然以傳統(tǒng)的玩具類型為主，48%的農(nóng)村消費者愿意購買電動型玩具，28%的農(nóng)村消費者愿意購買拼裝型玩具，24%的農(nóng)村消費者愿意購買中低檔次的毛絨、布制類玩具。因而，集知識趣味、動手動腦于一體的玩具迎合了城市家長們望子成龍的心理。而消費者對玩具的需求方向又是怎樣的呢？SMR調(diào)查結(jié)果表明，隨著城市居民收入的提高，家長對孩子進行智力開發(fā)極為重視。這種極低的消費金額差異，恰好反映出我國玩具消費市場所擁有的難以估量的發(fā)展?jié)摿ΑＶ袊鞘袃和婢呷司晗M僅55元，而農(nóng)村兒童玩具人均消費不足30元。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)銷市場，國內(nèi)企業(yè)應(yīng)該加大投入力度，力爭中國市場成為另外一個美國市場，成為中國玩具業(yè)最堅定，最雄厚的一條頂梁柱。而目前，我國成人玩具的開發(fā)還是一個空白，顯然這個市場有著巨大的潛力去開發(fā)，從而解決了因玩具出口受限而轉(zhuǎn)內(nèi)銷的市場銷量瓶頸。隨著人們對休閑、娛樂需求的增加，以及人們對玩具功能觀念的改變，玩具的消費群體也正在迅速擴大。走訪全國幾個著名的玩具集散地，包括義烏國際商貿(mào)城、廣州中港城批發(fā)市場、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，零售價格從幾十元到百多元不等，以廣東的汕頭、東莞廠家居多，包裝以卡裝為主，產(chǎn)品品質(zhì)偏低。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。有業(yè)內(nèi)人士笑曰，近幾年變形玩具出了一撥又一撥，相關(guān)動畫片出了一部又一部，但名字都大同小異，“獸”、“甲”、“變”、“機”等幾個字輪流用，叫人都搞糊涂了。巨大的變形玩具市場吸引著大量玩具廠商紛紛跟進，“動畫十產(chǎn)品” 的模式廣被沿用，國內(nèi)企業(yè)在制造熱點、量身打造，推廣營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。發(fā)展后期，進行變形金剛文化的全方位構(gòu)造，溫故知新，激發(fā)新思路。玩具的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。從此開創(chuàng)了變形金剛時代；l984年初：變形金剛一季播出，引起巨大反響；l988年：中國引進并播出了變形金剛，和日本的變形金剛開始進入市場；2007年：變形金剛國內(nèi)上映，票房飆升的同時帶動了國內(nèi)變形玩具市場的發(fā)展。變形金剛經(jīng)歷了20余年的發(fā)展歷程。桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙汽車機器人玩具結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計畢業(yè)論文目 錄第一章 緒論 1 1 2 市場容量分析 2 行業(yè)分析 2 3 3 變胞機構(gòu)的實際應(yīng)用現(xiàn)狀 4——桿組法 4 6 研究內(nèi)容 6 7第二章 汽車人創(chuàng)新設(shè)計分析 8 8 10 10 11 12 13 RRP桿組運動分析的數(shù)學(xué)模型 13 RRR桿組運動分析的數(shù)學(xué)模型 15 17 基于壓力角的尺寸計算分析 19 機構(gòu)運動仿真 21 頸部齒輪副的設(shè)計 22 運動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 24 變形過程電機選擇、運動區(qū)域設(shè)定 24 轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn) 25 人形手臂舞蹈動作、汽車構(gòu)態(tài)疊放 25第三章 三維實體建模及動態(tài)仿真 26 26 26 28 Pro/Engineer三維動態(tài)仿真 32第四章 汽車人實物制作加工 35—汽車后蓋的制作加工 35 胸部汽車前蓋的制作加工 35 頸部齒輪副的安裝 36 手臂舞蹈、疊放的位置與整體設(shè)計 36 整體裝配 36第五章 總結(jié)與展望 37 37 37謝 辭 38參考文獻 39附 錄 40附錄1：汽車人人形狀態(tài)渲染效果圖 40附錄2：汽車人車形狀態(tài)渲染效果圖 40附錄3：汽車人人形狀態(tài)實物圖 41附錄4：汽車人人形狀態(tài)實物圖 41桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第45頁 共 41 頁第一章 緒論變形機械玩具，顧名思義，以變形為基本進行設(shè)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孩之寶(Ha sbro)公司的變形金剛，發(fā)展至今日，變形金剛已經(jīng)是航母型級別產(chǎn)品，給老青少一代留下了深刻的記憶和無窮的樂趣。1983年：日本Takara公司設(shè)計并推出了icroIBen和Diac1OnO兩個系列玩具，主角是一群可以變成汽車、飛機的機器人：l983年底： 美國孩之寶(Ha sbro) 公司與Takara公司合作，重新設(shè)計概念，推出了全新包裝的玩具產(chǎn)品。總的來說，變形玩具的發(fā)展分為三個階段：發(fā)展初期，先有玩具后有動畫。發(fā)展中期，不斷推陳出新，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。2007年，變形金剛大熱，一度供不應(yīng)求。但是，企業(yè)蜂涌而上也造成了大量題材的雷同。2009年始，國內(nèi)的變形玩具市場逐漸現(xiàn)出疲態(tài)。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；大量的代加工外貿(mào)。而在當(dāng)?shù)叵鄳?yīng)的高端商場，國內(nèi)的品牌較為少見，由美國孩之寶的變形金剛，日本萬代的戰(zhàn)隊系列等占據(jù)主導(dǎo)。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。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國現(xiàn)有玩具企業(yè)2萬余家，從業(yè)人員超過400萬，年產(chǎn)值1000多億元，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的70%以上。 市場容量分析據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，在我國現(xiàn)有的14億人口中，14歲以下的少年兒童及嬰幼兒有4億，其中城市兒童1億人，農(nóng)村兒童3億人，這是玩具行業(yè)的一塊大市場。城市中年人玩具平均年消費僅20元，農(nóng)村成年人玩具人均年消費基本上為零。 行業(yè)分析由于玩具市場潛力巨大以及城鄉(xiāng)消費差距的存在，決定了我國玩具市場在今后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)各個檔次、各類品種共存的態(tài)勢。而給孩子買玩具，是家長表達愛心、對孩子進行智力開發(fā)的重要方式。查閱相關(guān)資料[1]，有50%的城市消費者對電子型玩具情有獨鐘，30%的城市消費者認為智能型玩具更有吸引力，20%的城市消費者則青睞