引脚元件自动收集器结构设计与运动仿真

第 1 章 绪论

1.1 课题来源及研究目的和意义
随着我国城市化进程的加快以及人口老龄化现象日益严重，我国的劳动人口数量在逐步下降。因此，越来越多的生产作业被服务机器人代替以节约劳动力，优化资源配置。机器人联合会将服务机器人定义为一种半自主作业或全自主作业的机器，其服务让人类生存的更好并且能让其他服务设备工作的更好[1]；德国技术与自动化研究所对服务机器人做了更具体的定义：服务机器人至少有三个运动轴，能够重复编程并自由移动，能够自主或半自主的进行工作。随着传感技术、控制技术、驱动技术以及材料技术的进步，在服务行业实现运输、操作及加工自动化已成为了现实。因此，在诸多新的领域，服务机器人开始了广泛的应用。从目前趋势来看，在不久的将来，服务业机器人的数量将会超过工业机器人的数量。目前，很多国家和研究机构都在研发应用于专门领域的服务机器人，如救灾机器人、家庭清洁机器人、医用陪护机器人以及监控机器人等。根据相关数据的统计[2]，服务机器人的销售数量已接近 16 万台，价值约 35 亿美元。其中，家用服务机器人的销售数量约为 200 万台，销售额接近 7 亿美元；娱乐机器人的年销售量为 110 万台，销售额约 5.24 亿美元。据预测，到 2016 年，各种家用服务机器人（清洁、割草、擦窗等机器人）将达到 1550 万台，价值 56亿美元，各种娱乐休闲机器人将会达到 650 万台。这是一份市场份额巨大的蛋糕，尤其是家用智能清洁领域，已然引起众多生产厂商的极大兴趣。
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1.2 常见的结构设计方法
传统的结构设计大都是依靠经验或者参考类似产品来完成，虽然设计结果能满足使用要求，但是设计过程中具有一定的盲目性，设计出来的产品良莠不齐，普遍存在着成本高，原材料损耗大等缺点[3]。随着现代设计理论的不断发展以及计算机水平的提高，大量的功能型软件以及先进的设计方法开始发挥作用，现代设计方法主要有以下几种。CAD/CAE 技术：CAD/CAE 技术是一种计算机辅助设计方法，广泛应用于设计领域以及制造领域。它可以用快速、便捷、准确的方式帮助技术人员在产品研发中的各个阶段进行设计[4]。CAD/CAE 技术的广泛应用既可以缩短产品的设计周期又可以极大的提升产品设计的精确性和标准化程度。CAE 中最常见的方法就是有限元法，它集成了力学、数学以及计算机技术三大学科的特点，具有很完善的理论基础。它可以在虚拟环境下对设计的合理性进行验证并将验证结果作为设计的参考依据。采用这种方法能极大的缩短产品设计周期，产生很大的经济价值以及应用价值[5]。在设计工作中，技术人员综合运用 CAD/CAE 技术来解决设计中遇到的各个难题，对于绝大多数问题，CAD/CAE 技术都能给出很好的解决办法。在设计过程中技术人员首先画出机构的三维模型并施加相应的约束以及负载，观察运动上是否满足设计要求，有无运动学干涉现象，然后分析模型的应力状况，并采取相应方法对所受应力进行优化。
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第 2 章 总体设计方案

2.1 收集器移动方式选择
机器人的移动方式有很多种，常见的移动方式主要有轮式、履带式、足式、蠕动式以及螺旋式，不同的移动方式有各自的优点，视具体应用情况以及外部环境限制而选择相应的移动方式。轮式移动方式主要的优点是运动连续、平稳，缺点则是越过障碍物的能力相对欠缺。而且轮式移动方式的牵引力比较小，当遇到移动平面不平整时，会造成移动困难、倾斜等状况。履带式移动方式多应用于工作环境恶劣的情况下，其优点为牵引力大，抓地性好，翻越障碍物的能力尤为突出。此外，履带式移动方式对地面环境的适应能力很强。但是其缺点是体积大、不灵活。足式移动方式是一种模仿自然界生物行走的移动方式，其环境适应能力突出，可以翻越壕沟、攀爬台阶。其缺点主要是结构非常复杂，控制起来比较困难，而且移动速度比较慢，所以实践中难以得到广泛应用。螺旋式移动机构应用的范围比较窄，多用于各种管道中，如空调管道等环境中。其移动的动力主要来自于管道中的旋转摩擦，缺点是无法产生太大的动力，移动速度较慢。由于收集器要求移动灵活，转向方便，并且其工作环境比较固定，地面平坦，没有太多的障碍物，所以本文决定采用轮式移动方式。轮子数目的多少以及底盘平面的布置都会对车体的灵活性，准确定位以及导航产生很大的影响，因此，移动机构的设计应争取做到，控制方便，加工容易[15]。对于元件自动收集机构的移动方式主要有三轮移动，四轮移动两种方式。
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2.2 收集器外形选择
对于自动收集器的外壳形状，一般有两类选择，一种是长方形外壳，一种是圆盘形外壳。长方形外壳的主要优点是对于尺寸的控制比较灵活，尤其在宽度方面，可以通过调节两个半轴的长度使得收集器的宽度达到一个合理的值，从而使得收集器空间紧凑，但是缺点也很突出，首先由于机器要有传感器来采集周围的信息，方形的外壳不利于传感器的布置，对传感器采集信息的精度以及信息耦合处理有一定影响，其次，方形的外壳不易躲避障碍物，当遇到墙角，狭窄空间时，方形外壳容易被卡住，，极大地限制了机器的灵活性；圆形外壳对于障碍物的躲避比较有优势，当外壳触及障碍物时，机器接到控制系统的指示，会主动避让，从而避免了被卡住的可能性。而且圆形外壳可以均匀布置传感器，对于控制系统有较大的帮助。综合上面的论述，论文将收集器外壳设计成前圆后方的形式，这样子既有利于障碍物躲避，又可以减少整体重量，避免浪费不必要的空间。
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第 3 章 驱动系统的设计.......12
3.1 驱动系统电机的选择.....12
3.2 POM 塑料齿轮疲劳强度的计算......13
3.3 基于遗传算法的减速器优化设计.........16
3.4 差速器的设计.........26
3.4.1 差速器简介.........26
3.4.2 对称圆锥齿轮差速器的齿轮设计.....28
3.4.3 差速器结构设计.........30
3.5 本章小结.........32
第 4 章 转向机构的设计.......33
4.1 转向机构简介.........33
4.2 转向梯形的优化设计.....35
4.3 转向机构的设计.....41
4.4 本章小结.........43
第 5 章 UG 环境下转向机构运动仿真..........44
5.1 运动仿真简介.........44
5.2 UG 软件及其运动仿真模块的介绍........45
5.2.1 UG 软件简介........45
5.2.2 UG 运动仿真模块介绍........46
5.3 转向机构的运动仿真验证.....48
5.4 本章小结.........52

第 5 章 UG 环境下转向机构运动仿真

运动仿真属于仿真技术的一种，它将三维模型按照合适的约束关系装配起来，并对装配体定义合适的运动副以及驱动，从而分析特定机构的位移、速度、加速度等运动规律[42]。本文的运动仿真主要是验证转向机构的最大偏转角是否符合设计要求，内外偏转角是否符合阿克曼转向原理，以及转向过程中是否平稳。

5.1 运动仿真简介
随着CAD/CAE技术的发展，运动仿真技术已经成为产品设计的有效辅助手段，在计算机上设计出产品模型并进行仿真，模拟机构的运行状态，既方便修改设计过程中的错误又可以缩短制造周期、减少设计成本[43]。运动仿真技术结合了运动学理论与仿真技术，其基本思想是按照机械原理的理论将机构转化成空间中的连杆、运动副以及相应的约束条件，通过确定各个构件的位置、速度、加速度以及运动范围的参数进行相应的分析和评价，并以此为依据进行设计方案的改进，从而达到理想的设计要求[44]。运动仿真通过定义各个运动件的约束来实现仿真过程，首先选定相应的运动构件并赋予其初始参数，然后定义这些运动构件的运动关系，使得这些运动构件能够按照运动学上的规律进行动作从而完成运动仿真。用于运动仿真的软件很多，其中最常见的是ADAMS解码器，其可以用于多种机械系统的仿真[45]，在运动仿真中一般要定义四种基本元素[46]，分别为构件、力、力元以及驱动。其中构件可以定义为柔性构件和刚性构件两种，两者的区别是在外力作用下，构件的形状是否发生变化；力元代表了力的类型，驱动则是各种机械原理上的运动副。

结论

引脚元件自动收集器由结构部分和控制系统组成，本文负责设计收集器的结构部分。通过借鉴类似产品的设计经验以及从控制成本、降低控制系统难度的角度出发，设计中采用磁铁吸附磁性元件的工作方式并采用单电机后轮驱动，前轮转向的移动方案，由此本文着重对驱动系统和转向机构进行了设计。
（1）本文根据实际需要，对驱动系统的体积进行了优化。本文建立了基于罚函数法的二级减速器体积最小模型，并利用 MTALAB 软件编写遗传算法程序进行优化求解，最后得到减速器体积最小时的相关参数。为了满足收集器在转向过程中平稳行驶的要求，本文添加了差速器部件并对差速器的结构进行了设计，将差速器置于大齿轮中，此种设计既充分保证了收集器差速行驶的功能又节约了体积。
（2）在转向机构的设计中，为了保证收集器转向时的平稳行驶以及减小转向过程中的附着摩擦力，本文参考阿克曼转向原理设计了梯形转向机构，建立了内侧车轮理论转向角和实际转向角之差最小值的数学模型，利用 MTALAB 软件编写程序进行优化求解，得到了转向梯形的最佳臂长及底角，并利用 MTALAB 软件编程画出最优解状况下的内侧车轮理论偏转角和实际偏转角对比图，为后面的运动仿真提供对比依据。
（3）本文在最后利用 UG 软件的运动仿真模块进行了转向机构的运动仿真，仿真结果证明，转向机构能满足 25°转向角的设计要求，并且转向机构在转向时，内外车轮转向角符合阿克曼转向原理。本文通过分析有关部件的运动位移变化情况，可知转向机构工作平稳。
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参考文献（略）