第 1 章 緒論

1.1 課題來源及研究目的和意義
隨著我國城市化進程的加快以及人口老齡化現(xiàn)象日益嚴重，我國的勞動人口數(shù)量在逐步下降。因此，越來越多的生產(chǎn)作業(yè)被服務機器人代替以節(jié)約勞動力，優(yōu)化資源配置。機器人聯(lián)合會將服務機器人定義為一種半自主作業(yè)或全自主作業(yè)的機器，其服務讓人類生存的更好并且能讓其他服務設備工作的更好[1]；德國技術與自動化研究所對服務機器人做了更具體的定義：服務機器人至少有三個運動軸，能夠重復編程并自由移動，能夠自主或半自主的進行工作。隨著傳感技術、控制技術、驅(qū)動技術以及材料技術的進步，在服務行業(yè)實現(xiàn)運輸、操作及加工自動化已成為了現(xiàn)實。因此，在諸多新的領域，服務機器人開始了廣泛的應用。從目前趨勢來看，在不久的將來，服務業(yè)機器人的數(shù)量將會超過工業(yè)機器人的數(shù)量。目前，很多國家和研究機構都在研發(fā)應用于專門領域的服務機器人，如救災機器人、家庭清潔機器人、醫(yī)用陪護機器人以及監(jiān)控機器人等。根據(jù)相關數(shù)據(jù)的統(tǒng)計[2]，服務機器人的銷售數(shù)量已接近 16 萬臺，價值約 35 億美元。其中，家用服務機器人的銷售數(shù)量約為 200 萬臺，銷售額接近 7 億美元；娛樂機器人的年銷售量為 110 萬臺，銷售額約 5.24 億美元。據(jù)預測，到 2016 年，各種家用服務機器人（清潔、割草、擦窗等機器人）將達到 1550 萬臺，價值 56億美元，各種娛樂休閑機器人將會達到 650 萬臺。這是一份市場份額巨大的蛋糕，尤其是家用智能清潔領域，已然引起眾多生產(chǎn)廠商的極大興趣。
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1.2 常見的結構設計方法
傳統(tǒng)的結構設計大都是依靠經(jīng)驗或者參考類似產(chǎn)品來完成，雖然設計結果能滿足使用要求，但是設計過程中具有一定的盲目性，設計出來的產(chǎn)品良莠不齊，普遍存在著成本高，原材料損耗大等缺點[3]。隨著現(xiàn)代設計理論的不斷發(fā)展以及計算機水平的提高，大量的功能型軟件以及先進的設計方法開始發(fā)揮作用，現(xiàn)代設計方法主要有以下幾種。CAD/CAE 技術：CAD/CAE 技術是一種計算機輔助設計方法，廣泛應用于設計領域以及制造領域。它可以用快速、便捷、準確的方式幫助技術人員在產(chǎn)品研發(fā)中的各個階段進行設計[4]。CAD/CAE 技術的廣泛應用既可以縮短產(chǎn)品的設計周期又可以極大的提升產(chǎn)品設計的精確性和標準化程度。CAE 中最常見的方法就是有限元法，它集成了力學、數(shù)學以及計算機技術三大學科的特點，具有很完善的理論基礎。它可以在虛擬環(huán)境下對設計的合理性進行驗證并將驗證結果作為設計的參考依據(jù)。采用這種方法能極大的縮短產(chǎn)品設計周期，產(chǎn)生很大的經(jīng)濟價值以及應用價值[5]。在設計工作中，技術人員綜合運用 CAD/CAE 技術來解決設計中遇到的各個難題，對于絕大多數(shù)問題，CAD/CAE 技術都能給出很好的解決辦法。在設計過程中技術人員首先畫出機構的三維模型并施加相應的約束以及負載，觀察運動上是否滿足設計要求，有無運動學干涉現(xiàn)象，然后分析模型的應力狀況，并采取相應方法對所受應力進行優(yōu)化。
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第 2 章 總體設計方案

2.1 收集器移動方式選擇
機器人的移動方式有很多種，常見的移動方式主要有輪式、履帶式、足式、蠕動式以及螺旋式，不同的移動方式有各自的優(yōu)點，視具體應用情況以及外部環(huán)境限制而選擇相應的移動方式。輪式移動方式主要的優(yōu)點是運動連續(xù)、平穩(wěn)，缺點則是越過障礙物的能力相對欠缺。而且輪式移動方式的牽引力比較小，當遇到移動平面不平整時，會造成移動困難、傾斜等狀況。履帶式移動方式多應用于工作環(huán)境惡劣的情況下，其優(yōu)點為牽引力大，抓地性好，翻越障礙物的能力尤為突出。此外，履帶式移動方式對地面環(huán)境的適應能力很強。但是其缺點是體積大、不靈活。足式移動方式是一種模仿自然界生物行走的移動方式，其環(huán)境適應能力突出，可以翻越壕溝、攀爬臺階。其缺點主要是結構非常復雜，控制起來比較困難，而且移動速度比較慢，所以實踐中難以得到廣泛應用。螺旋式移動機構應用的范圍比較窄，多用于各種管道中，如空調(diào)管道等環(huán)境中。其移動的動力主要來自于管道中的旋轉(zhuǎn)摩擦，缺點是無法產(chǎn)生太大的動力，移動速度較慢。由于收集器要求移動靈活，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方式。輪子數(shù)目的多少以及底盤平面的布置都會對車體的靈活性，準確定位以及導航產(chǎn)生很大的影響，因此，移動機構的設計應爭取做到，控制方便，加工容易[15]。對于元件自動收集機構的移動方式主要有三輪移動，四輪移動兩種方式。
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2.2 收集器外形選擇
對于自動收集器的外殼形狀，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)點是對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)兩個半軸的長度使得收集器的寬度達到一個合理的值，從而使得收集器空間緊湊，但是缺點也很突出，首先由于機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，當遇到墻角，狹窄空間時，方形外殼容易被卡住，，極大地限制了機器的靈活性；圓形外殼對于障礙物的躲避比較有優(yōu)勢，當外殼觸及障礙物時，機器接到控制系統(tǒng)的指示，會主動避讓，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計成前圓后方的形式，這樣子既有利于障礙物躲避，又可以減少整體重量，避免浪費不必要的空間。
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第 3 章 驅(qū)動系統(tǒng)的設計.......12
3.1 驅(qū)動系統(tǒng)電機的選擇.....12
3.2 POM 塑料齒輪疲勞強度的計算......13
3.3 基于遺傳算法的減速器優(yōu)化設計.........16
3.4 差速器的設計.........26
3.4.1 差速器簡介.........26
3.4.2 對稱圓錐齒輪差速器的齒輪設計.....28
3.4.3 差速器結構設計.........30
3.5 本章小結.........32
第 4 章 轉(zhuǎn)向機構的設計.......33
4.1 轉(zhuǎn)向機構簡介.........33
4.2 轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設計.....35
4.3 轉(zhuǎn)向機構的設計.....41
4.4 本章小結.........43
第 5 章 UG 環(huán)境下轉(zhuǎn)向機構運動仿真..........44
5.1 運動仿真簡介.........44
5.2 UG 軟件及其運動仿真模塊的介紹........45
5.2.1 UG 軟件簡介........45
5.2.2 UG 運動仿真模塊介紹........46
5.3 轉(zhuǎn)向機構的運動仿真驗證.....48
5.4 本章小結.........52

第 5 章 UG 環(huán)境下轉(zhuǎn)向機構運動仿真

運動仿真屬于仿真技術的一種，它將三維模型按照合適的約束關系裝配起來，并對裝配體定義合適的運動副以及驅(qū)動，從而分析特定機構的位移、速度、加速度等運動規(guī)律[42]。本文的運動仿真主要是驗證轉(zhuǎn)向機構的最大偏轉(zhuǎn)角是否符合設計要求，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 運動仿真簡介
隨著CAD/CAE技術的發(fā)展，運動仿真技術已經(jīng)成為產(chǎn)品設計的有效輔助手段，在計算機上設計出產(chǎn)品模型并進行仿真，模擬機構的運行狀態(tài)，既方便修改設計過程中的錯誤又可以縮短制造周期、減少設計成本[43]。運動仿真技術結合了運動學理論與仿真技術，其基本思想是按照機械原理的理論將機構轉(zhuǎn)化成空間中的連桿、運動副以及相應的約束條件，通過確定各個構件的位置、速度、加速度以及運動范圍的參數(shù)進行相應的分析和評價，并以此為依據(jù)進行設計方案的改進，從而達到理想的設計要求[44]。運動仿真通過定義各個運動件的約束來實現(xiàn)仿真過程，首先選定相應的運動構件并賦予其初始參數(shù)，然后定義這些運動構件的運動關系，使得這些運動構件能夠按照運動學上的規(guī)律進行動作從而完成運動仿真。用于運動仿真的軟件很多，其中最常見的是ADAMS解碼器，其可以用于多種機械系統(tǒng)的仿真[45]，在運動仿真中一般要定義四種基本元素[46]，分別為構件、力、力元以及驅(qū)動。其中構件可以定義為柔性構件和剛性構件兩種，兩者的區(qū)別是在外力作用下，構件的形狀是否發(fā)生變化；力元代表了力的類型，驅(qū)動則是各種機械原理上的運動副。

結論

引腳元件自動收集器由結構部分和控制系統(tǒng)組成，本文負責設計收集器的結構部分。通過借鑒類似產(chǎn)品的設計經(jīng)驗以及從控制成本、降低控制系統(tǒng)難度的角度出發(fā)，設計中采用磁鐵吸附磁性元件的工作方式并采用單電機后輪驅(qū)動，前輪轉(zhuǎn)向的移動方案，由此本文著重對驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向機構進行了設計。
（1）本文根據(jù)實際需要，對驅(qū)動系統(tǒng)的體積進行了優(yōu)化。本文建立了基于罰函數(shù)法的二級減速器體積最小模型，并利用 MTALAB 軟件編寫遺傳算法程序進行優(yōu)化求解，最后得到減速器體積最小時的相關參數(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差速器的結構進行了設計，將差速器置于大齒輪中，此種設計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)向機構的設計中，為了保證收集器轉(zhuǎn)向時的平穩(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)向原理設計了梯形轉(zhuǎn)向機構，建立了內(nèi)側(cè)車輪理論轉(zhuǎn)向角和實際轉(zhuǎn)向角之差最小值的數(shù)學模型，利用 MTALAB 軟件編寫程序進行優(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)角和實際偏轉(zhuǎn)角對比圖，為后面的運動仿真提供對比依據(jù)。
（3）本文在最后利用 UG 軟件的運動仿真模塊進行了轉(zhuǎn)向機構的運動仿真，仿真結果證明，轉(zhuǎn)向機構能滿足 25°轉(zhuǎn)向角的設計要求，并且轉(zhuǎn)向機構在轉(zhuǎn)向時，內(nèi)外車輪轉(zhuǎn)向角符合阿克曼轉(zhuǎn)向原理。本文通過分析有關部件的運動位移變化情況，可知轉(zhuǎn)向機構工作平穩(wěn)。
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參考文獻（略）