第 1 章 緒論

1.1 課題來源及研究目的和意義
隨著我國城市化進(jìn)程的加快以及人口老齡化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，我國的勞動(dòng)人口數(shù)量在逐步下降。因此，越來越多的生產(chǎn)作業(yè)被服務(wù)機(jī)器人代替以節(jié)約勞動(dòng)力，優(yōu)化資源配置。機(jī)器人聯(lián)合會(huì)將服務(wù)機(jī)器人定義為一種半自主作業(yè)或全自主作業(yè)的機(jī)器，其服務(wù)讓人類生存的更好并且能讓其他服務(wù)設(shè)備工作的更好[1]；德國技術(shù)與自動(dòng)化研究所對(duì)服務(wù)機(jī)器人做了更具體的定義：服務(wù)機(jī)器人至少有三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，能夠重復(fù)編程并自由移動(dòng)，能夠自主或半自主的進(jìn)行工作。隨著傳感技術(shù)、控制技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及材料技術(shù)的進(jìn)步，在服務(wù)行業(yè)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸、操作及加工自動(dòng)化已成為了現(xiàn)實(shí)。因此，在諸多新的領(lǐng)域，服務(wù)機(jī)器人開始了廣泛的應(yīng)用。從目前趨勢來看，在不久的將來，服務(wù)業(yè)機(jī)器人的數(shù)量將會(huì)超過工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量。目前，很多國家和研究機(jī)構(gòu)都在研發(fā)應(yīng)用于專門領(lǐng)域的服務(wù)機(jī)器人，如救災(zāi)機(jī)器人、家庭清潔機(jī)器人、醫(yī)用陪護(hù)機(jī)器人以及監(jiān)控機(jī)器人等。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)[2]，服務(wù)機(jī)器人的銷售數(shù)量已接近 16 萬臺(tái)，價(jià)值約 35 億美元。其中，家用服務(wù)機(jī)器人的銷售數(shù)量約為 200 萬臺(tái)，銷售額接近 7 億美元；娛樂機(jī)器人的年銷售量為 110 萬臺(tái)，銷售額約 5.24 億美元。據(jù)預(yù)測，到 2016 年，各種家用服務(wù)機(jī)器人（清潔、割草、擦窗等機(jī)器人）將達(dá)到 1550 萬臺(tái)，價(jià)值 56億美元，各種娛樂休閑機(jī)器人將會(huì)達(dá)到 650 萬臺(tái)。這是一份市場份額巨大的蛋糕，尤其是家用智能清潔領(lǐng)域，已然引起眾多生產(chǎn)廠商的極大興趣。
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1.2 常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大都是依靠經(jīng)驗(yàn)或者參考類似產(chǎn)品來完成，雖然設(shè)計(jì)結(jié)果能滿足使用要求，但是設(shè)計(jì)過程中具有一定的盲目性，設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品良莠不齊，普遍存在著成本高，原材料損耗大等缺點(diǎn)[3]。隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論的不斷發(fā)展以及計(jì)算機(jī)水平的提高，大量的功能型軟件以及先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法開始發(fā)揮作用，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法主要有以下幾種。CAD/CAE 技術(shù)：CAD/CAE 技術(shù)是一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域以及制造領(lǐng)域。它可以用快速、便捷、準(zhǔn)確的方式幫助技術(shù)人員在產(chǎn)品研發(fā)中的各個(gè)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。CAD/CAE 技術(shù)的廣泛應(yīng)用既可以縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期又可以極大的提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)的精確性和標(biāo)準(zhǔn)化程度。CAE 中最常見的方法就是有限元法，它集成了力學(xué)、數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)三大學(xué)科的特點(diǎn)，具有很完善的理論基礎(chǔ)。它可以在虛擬環(huán)境下對(duì)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證并將驗(yàn)證結(jié)果作為設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。采用這種方法能極大的縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值以及應(yīng)用價(jià)值[5]。在設(shè)計(jì)工作中，技術(shù)人員綜合運(yùn)用 CAD/CAE 技術(shù)來解決設(shè)計(jì)中遇到的各個(gè)難題，對(duì)于絕大多數(shù)問題，CAD/CAE 技術(shù)都能給出很好的解決辦法。在設(shè)計(jì)過程中技術(shù)人員首先畫出機(jī)構(gòu)的三維模型并施加相應(yīng)的約束以及負(fù)載，觀察運(yùn)動(dòng)上是否滿足設(shè)計(jì)要求，有無運(yùn)動(dòng)學(xué)干涉現(xiàn)象，然后分析模型的應(yīng)力狀況，并采取相應(yīng)方法對(duì)所受應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化。
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第 2 章 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 收集器移動(dòng)方式選擇
機(jī)器人的移動(dòng)方式有很多種，常見的移動(dòng)方式主要有輪式、履帶式、足式、蠕動(dòng)式以及螺旋式，不同的移動(dòng)方式有各自的優(yōu)點(diǎn)，視具體應(yīng)用情況以及外部環(huán)境限制而選擇相應(yīng)的移動(dòng)方式。輪式移動(dòng)方式主要的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)連續(xù)、平穩(wěn)，缺點(diǎn)則是越過障礙物的能力相對(duì)欠缺。而且輪式移動(dòng)方式的牽引力比較小，當(dāng)遇到移動(dòng)平面不平整時(shí)，會(huì)造成移動(dòng)困難、傾斜等狀況。履帶式移動(dòng)方式多應(yīng)用于工作環(huán)境惡劣的情況下，其優(yōu)點(diǎn)為牽引力大，抓地性好，翻越障礙物的能力尤為突出。此外，履帶式移動(dòng)方式對(duì)地面環(huán)境的適應(yīng)能力很強(qiáng)。但是其缺點(diǎn)是體積大、不靈活。足式移動(dòng)方式是一種模仿自然界生物行走的移動(dòng)方式，其環(huán)境適應(yīng)能力突出，可以翻越壕溝、攀爬臺(tái)階。其缺點(diǎn)主要是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，控制起來比較困難，而且移動(dòng)速度比較慢，所以實(shí)踐中難以得到廣泛應(yīng)用。螺旋式移動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用的范圍比較窄，多用于各種管道中，如空調(diào)管道等環(huán)境中。其移動(dòng)的動(dòng)力主要來自于管道中的旋轉(zhuǎn)摩擦，缺點(diǎn)是無法產(chǎn)生太大的動(dòng)力，移動(dòng)速度較慢。由于收集器要求移動(dòng)靈活，轉(zhuǎn)向方便，并且其工作環(huán)境比較固定，地面平坦，沒有太多的障礙物，所以本文決定采用輪式移動(dòng)方式。輪子數(shù)目的多少以及底盤平面的布置都會(huì)對(duì)車體的靈活性，準(zhǔn)確定位以及導(dǎo)航產(chǎn)生很大的影響，因此，移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)爭取做到，控制方便，加工容易[15]。對(duì)于元件自動(dòng)收集機(jī)構(gòu)的移動(dòng)方式主要有三輪移動(dòng)，四輪移動(dòng)兩種方式。
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2.2 收集器外形選擇
對(duì)于自動(dòng)收集器的外殼形狀，一般有兩類選擇，一種是長方形外殼，一種是圓盤形外殼。長方形外殼的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于尺寸的控制比較靈活，尤其在寬度方面，可以通過調(diào)節(jié)兩個(gè)半軸的長度使得收集器的寬度達(dá)到一個(gè)合理的值，從而使得收集器空間緊湊，但是缺點(diǎn)也很突出，首先由于機(jī)器要有傳感器來采集周圍的信息，方形的外殼不利于傳感器的布置，對(duì)傳感器采集信息的精度以及信息耦合處理有一定影響，其次，方形的外殼不易躲避障礙物，當(dāng)遇到墻角，狹窄空間時(shí)，方形外殼容易被卡住，，極大地限制了機(jī)器的靈活性；圓形外殼對(duì)于障礙物的躲避比較有優(yōu)勢，當(dāng)外殼觸及障礙物時(shí)，機(jī)器接到控制系統(tǒng)的指示，會(huì)主動(dòng)避讓，從而避免了被卡住的可能性。而且圓形外殼可以均勻布置傳感器，對(duì)于控制系統(tǒng)有較大的幫助。綜合上面的論述，論文將收集器外殼設(shè)計(jì)成前圓后方的形式，這樣子既有利于障礙物躲避，又可以減少整體重量，避免浪費(fèi)不必要的空間。
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第 3 章 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).......12
3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的選擇.....12
3.2 POM 塑料齒輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算......13
3.3 基于遺傳算法的減速器優(yōu)化設(shè)計(jì).........16
3.4 差速器的設(shè)計(jì).........26
3.4.1 差速器簡介.........26
3.4.2 對(duì)稱圓錐齒輪差速器的齒輪設(shè)計(jì).....28
3.4.3 差速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).........30
3.5 本章小結(jié).........32
第 4 章 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).......33
4.1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡介.........33
4.2 轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì).....35
4.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).....41
4.4 本章小結(jié).........43
第 5 章 UG 環(huán)境下轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真..........44
5.1 運(yùn)動(dòng)仿真簡介.........44
5.2 UG 軟件及其運(yùn)動(dòng)仿真模塊的介紹........45
5.2.1 UG 軟件簡介........45
5.2.2 UG 運(yùn)動(dòng)仿真模塊介紹........46
5.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證.....48
5.4 本章小結(jié).........52

第 5 章 UG 環(huán)境下轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

運(yùn)動(dòng)仿真屬于仿真技術(shù)的一種，它將三維模型按照合適的約束關(guān)系裝配起來，并對(duì)裝配體定義合適的運(yùn)動(dòng)副以及驅(qū)動(dòng)，從而分析特定機(jī)構(gòu)的位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)規(guī)律[42]。本文的運(yùn)動(dòng)仿真主要是驗(yàn)證轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的最大偏轉(zhuǎn)角是否符合設(shè)計(jì)要求，內(nèi)外偏轉(zhuǎn)角是否符合阿克曼轉(zhuǎn)向原理，以及轉(zhuǎn)向過程中是否平穩(wěn)。

5.1 運(yùn)動(dòng)仿真簡介
隨著CAD/CAE技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有效輔助手段，在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)出產(chǎn)品模型并進(jìn)行仿真，模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，既方便修改設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤又可以縮短制造周期、減少設(shè)計(jì)成本[43]。運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)結(jié)合了運(yùn)動(dòng)學(xué)理論與仿真技術(shù)，其基本思想是按照機(jī)械原理的理論將機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成空間中的連桿、運(yùn)動(dòng)副以及相應(yīng)的約束條件，通過確定各個(gè)構(gòu)件的位置、速度、加速度以及運(yùn)動(dòng)范圍的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的分析和評(píng)價(jià)，并以此為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)，從而達(dá)到理想的設(shè)計(jì)要求[44]。運(yùn)動(dòng)仿真通過定義各個(gè)運(yùn)動(dòng)件的約束來實(shí)現(xiàn)仿真過程，首先選定相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件并賦予其初始參數(shù)，然后定義這些運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，使得這些運(yùn)動(dòng)構(gòu)件能夠按照運(yùn)動(dòng)學(xué)上的規(guī)律進(jìn)行動(dòng)作從而完成運(yùn)動(dòng)仿真。用于運(yùn)動(dòng)仿真的軟件很多，其中最常見的是ADAMS解碼器，其可以用于多種機(jī)械系統(tǒng)的仿真[45]，在運(yùn)動(dòng)仿真中一般要定義四種基本元素[46]，分別為構(gòu)件、力、力元以及驅(qū)動(dòng)。其中構(gòu)件可以定義為柔性構(gòu)件和剛性構(gòu)件兩種，兩者的區(qū)別是在外力作用下，構(gòu)件的形狀是否發(fā)生變化；力元代表了力的類型，驅(qū)動(dòng)則是各種機(jī)械原理上的運(yùn)動(dòng)副。

結(jié)論

引腳元件自動(dòng)收集器由結(jié)構(gòu)部分和控制系統(tǒng)組成，本文負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)收集器的結(jié)構(gòu)部分。通過借鑒類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及從控制成本、降低控制系統(tǒng)難度的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)中采用磁鐵吸附磁性元件的工作方式并采用單電機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)，前輪轉(zhuǎn)向的移動(dòng)方案，由此本文著重對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
（1）本文根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積進(jìn)行了優(yōu)化。本文建立了基于罰函數(shù)法的二級(jí)減速器體積最小模型，并利用 MTALAB 軟件編寫遺傳算法程序進(jìn)行優(yōu)化求解，最后得到減速器體積最小時(shí)的相關(guān)參數(shù)。為了滿足收集器在轉(zhuǎn)向過程中平穩(wěn)行駛的要求，本文添加了差速器部件并對(duì)差速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，將差速器置于大齒輪中，此種設(shè)計(jì)既充分保證了收集器差速行駛的功能又節(jié)約了體積。
（2）在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，為了保證收集器轉(zhuǎn)向時(shí)的平穩(wěn)行駛以及減小轉(zhuǎn)向過程中的附著摩擦力，本文參考阿克曼轉(zhuǎn)向原理設(shè)計(jì)了梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，建立了內(nèi)側(cè)車輪理論轉(zhuǎn)向角和實(shí)際轉(zhuǎn)向角之差最小值的數(shù)學(xué)模型，利用 MTALAB 軟件編寫程序進(jìn)行優(yōu)化求解，得到了轉(zhuǎn)向梯形的最佳臂長及底角，并利用 MTALAB 軟件編程畫出最優(yōu)解狀況下的內(nèi)側(cè)車輪理論偏轉(zhuǎn)角和實(shí)際偏轉(zhuǎn)角對(duì)比圖，為后面的運(yùn)動(dòng)仿真提供對(duì)比依據(jù)。
（3）本文在最后利用 UG 軟件的運(yùn)動(dòng)仿真模塊進(jìn)行了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，仿真結(jié)果證明，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能滿足 25°轉(zhuǎn)向角的設(shè)計(jì)要求，并且轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)向時(shí)，內(nèi)外車輪轉(zhuǎn)向角符合阿克曼轉(zhuǎn)向原理。本文通過分析有關(guān)部件的運(yùn)動(dòng)位移變化情況，可知轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)工作平穩(wěn)。
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參考文獻(xiàn)（略）