蜘蛛機(jī)器人兒童玩具與仿真

1、1 引言人類很早就開(kāi)始了對(duì)自然界動(dòng)物的模仿：關(guān)于行走機(jī)器的制作文獻(xiàn)，最早見(jiàn)于 HYPERLINK /search?word=墨子&fr=qb_search_exp&ie=utf8墨子魯問(wèn)中提到；“HYPERLINK /search?word=公輸&fr=qb_search_exp&ie=utf8公輸子削竹木以為鵲，三日不下。”他還創(chuàng)造了載人大木鳶，作為戰(zhàn)爭(zhēng)的調(diào)查工具。三國(guó)時(shí)期，諸葛亮為了滿足戰(zhàn)事的需要，造出了“木牛流馬”來(lái)運(yùn)送糧草（見(jiàn)圖1.1a），隨著經(jīng)濟(jì)水品及文化水平的提高，掌握了各種科學(xué)技術(shù)，人類制造出來(lái)的機(jī)器人可以說(shuō)是栩栩如生、功能齊全。比如說(shuō)德國(guó)斯圖加特市科學(xué)家拉爾夫-貝克爾制作出來(lái)的

2、為了災(zāi)后營(yíng)救任務(wù)的蜘蛛機(jī)器人（見(jiàn)圖1.1b）。他們的靈活性很強(qiáng)，而且與現(xiàn)實(shí)的蜘蛛機(jī)非常相似，袖珍的外形適合各種不同環(huán)境的需要，特別是災(zāi)后的救援工作。 a） b） 圖1.11.1 兒童玩具的概念 什么是玩具呢？發(fā)現(xiàn)這個(gè)詞語(yǔ)還是比較新穎，雖然日常多提到，但是查閱辭?；蛘咦钤绲霓o海文稿都沒(méi)找到這樣的一個(gè)詞，在現(xiàn)代漢語(yǔ)詞典中是這么定義玩具的“專供兒童玩兒的東西”。兒童玩具不僅能夠提供兒童游戲、研習(xí)，而且還能夠促發(fā)兒童的動(dòng)手能力以及促進(jìn)兒童的智力開(kāi)發(fā)。玩具是全人類認(rèn)知從前世界、現(xiàn)實(shí)世界、未來(lái)世界的成就與志向的具體、形象、簡(jiǎn)單、通俗化的用具，有人這么說(shuō)過(guò)“一部玩具史就是一部?jī)和壑械纳鐣?huì)發(fā)展史”?？梢?jiàn)兒童

3、玩具對(duì)于兒童的作用是不可忽略的。1.2 兒童玩具的意義 兒童玩具結(jié)構(gòu)游戲的意義在于：通過(guò)兒童在探索搭建各種物體或建筑物的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)自己的不斷摸索，來(lái)促進(jìn)思維發(fā)展，養(yǎng)成一個(gè)動(dòng)手操作、手腦并用的好習(xí)慣，也體現(xiàn)在兒童在使用各類材料的過(guò)程中，可直接了解各種物質(zhì)的性能，認(rèn)識(shí)各種材料的樣子、數(shù)目等，同時(shí)在結(jié)構(gòu)中獲得利用各種領(lǐng)域的學(xué)問(wèn)的經(jīng)驗(yàn)，而孩子的創(chuàng)新、思考的能力，也都可得到提高。比如說(shuō)在用積木搭建高樓或者橋梁的時(shí)候，積木都是要要一塊一塊地搭，一層一層地拼，在取得成功之前或許會(huì)經(jīng)歷很多失敗，這是一個(gè)鍛煉兒童意志的非常好的方法。 在小朋友在不斷探索認(rèn)知當(dāng)前社會(huì)的進(jìn)程中，玩具扮演著比較重要的角色。有人說(shuō)：“

4、玩具是兒童的天使”，為什么這么說(shuō)呢？玩具的顏色鮮艷，造型優(yōu)美、奇特，運(yùn)動(dòng)起來(lái)活靈活現(xiàn)很生動(dòng)，一些玩具和還能夠發(fā)出生動(dòng)的聲響，這些吸引著孩子的好奇心和注意力。玩具和現(xiàn)實(shí)物體在孩子的眼睛里圖像相似，能夠促發(fā)兒童手腦并用，促進(jìn)小孩的智力開(kāi)發(fā)。各種類型的玩具，有各種各樣的方式，能引起孩子的興趣，好的玩具能激發(fā)孩子的玩游戲的欲望，在游戲中，他們可以獲得新的知識(shí)，能認(rèn)識(shí)新的朋友也，而且玩具是他們所喜愛(ài)的生活好伴侶。1.3 兒童玩具的發(fā)展及現(xiàn)狀 據(jù)統(tǒng)計(jì)近幾年中國(guó)逐漸成為世界上最大的玩具生產(chǎn)國(guó)家而且其出口玩具的數(shù)量也在世界前列，世界上接近70的玩具是在中國(guó)生產(chǎn)的，據(jù)統(tǒng)計(jì)2013年內(nèi)中國(guó)玩具的出口額高達(dá)78億美

5、元。中國(guó)玩具最主要的幾個(gè)生產(chǎn)和出口基地分別在中國(guó)的廣東、江蘇、浙江、上海、山東，這些地方生產(chǎn)了接近全國(guó)90的兒童玩具，因?yàn)槿丝诒容^密集，江蘇和上海以毛絨玩具為主。浙江因?yàn)榈乩淼膬?yōu)勢(shì)，原料在浙江比較容易運(yùn)輸，所以這樣主要生產(chǎn)木制類的玩具，20013年，我國(guó)11大類出口玩具中，有8類玩具與往年相比出現(xiàn)同比跌落。其中，毛絨玩具的出口額僅有13.6億美元，比往年相比下降24.2%。而智力玩具和成套玩具出口額都有所增長(zhǎng)分別達(dá)到了5.2 億美元和5 億美元。從玩具的出口比例的變化可看出，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及人們生活水平的提高，玩具出口產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)生了較大的變化；在發(fā)達(dá)國(guó)家，人們對(duì)于玩具的需求已經(jīng)從傳統(tǒng)的塑料

6、玩具、木質(zhì)玩具等中低檔玩具產(chǎn)品逐漸轉(zhuǎn)向成人玩具、高科技電動(dòng)玩具、智力開(kāi)發(fā)類玩具等高檔次高技術(shù)種類。擁有高科技、新技術(shù)的電子玩具、網(wǎng)絡(luò)玩具將逐漸成為新的發(fā)展方向。 中國(guó)的毛絨玩具在歐洲市場(chǎng)所占比例較大，但是中國(guó)的出口玩具的優(yōu)勢(shì)僅在于價(jià)格優(yōu)勢(shì)和加工貿(mào)易，利潤(rùn)較少，至少90%為貼牌生產(chǎn)和代工生產(chǎn)。隨著國(guó)家的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民幣升值和勞動(dòng)力成本上升，毛絨玩具制造成本升高，毛絨玩具所占份額逐漸減少，木制玩具大約占整個(gè)玩具的市場(chǎng)的10%，傳統(tǒng)的木制類玩具逐漸向益智木制玩具、寵物木制玩具等方向發(fā)展。中國(guó)的塑料玩具市場(chǎng)充滿了各種風(fēng)險(xiǎn)，例如各種關(guān)稅還有生產(chǎn)玩具的原材料的質(zhì)量等。中國(guó)益智類的兒童玩具前景比較廣闊，潛

7、力比較大，有較大的發(fā)展空間，但需要出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)規(guī)范市場(chǎng)的穩(wěn)定發(fā)展。從各國(guó)兒童每年人均在玩具上面的花銷調(diào)查中，中國(guó)只有140元，但是澳大利亞和美國(guó)各達(dá)到了2800元和2100美元。目前國(guó)內(nèi)玩具消費(fèi)存在巨大的潛力，兒童玩具數(shù)量達(dá)到了3億。另一方面，進(jìn)入2014年，80后父母的小孩逐漸成為玩具消費(fèi)的主力。但是其對(duì)玩具的水品也會(huì)有所提高，預(yù)期未來(lái)幾年，國(guó)內(nèi)玩具行業(yè)需求將快速增長(zhǎng)。市場(chǎng)需求逐年上升，因此開(kāi)發(fā)出高品質(zhì)低成本玩具迫在眉睫。1.4 兒童玩具的前景近年來(lái)隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們的收入水平增長(zhǎng)，家長(zhǎng)在小孩身上的花費(fèi)也越來(lái)越高，對(duì)玩具的需求也出現(xiàn)了很大幅度的增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)玩具年消費(fèi)額將會(huì)

8、以40%的速度逐年增長(zhǎng)，這些數(shù)據(jù)體現(xiàn)出了中國(guó)玩具市場(chǎng)的潛力是巨大的。 中國(guó)是最大的玩具生產(chǎn)國(guó)家。在2005年的時(shí)候中國(guó)就有了8000多家生產(chǎn)玩具的企業(yè)，和建國(guó)初期的52家相比翻了接近150倍，現(xiàn)在全國(guó)從事在玩具生產(chǎn)一線的人數(shù)大約在350萬(wàn)人，而玩具的產(chǎn)值達(dá)到了1000億元，玩具在中國(guó)的輕工業(yè)出口產(chǎn)品中排前三，由此可見(jiàn)中國(guó)玩具的前景非?？捎^。1.5 兒童玩具的分類 玩具的分類方法對(duì)兒童在識(shí)別玩具的類型非常重要，不同的玩具因?yàn)榉N類的不同有著不同的功能，家長(zhǎng)如果能夠了解玩具的分類、功能，更有針對(duì)性地給孩子買玩具會(huì)有事半功倍的效果。 玩具的種類很多，可以從很多的方面給玩具分類。 一般來(lái)說(shuō)玩具可以分成四

9、大類：第一類：由于玩具的生產(chǎn)材料的不同，可以根據(jù)玩具的材料給其分類，大致可分為電子類、陶瓷類、毛絨類、橡膠類等。 第二類：可以根據(jù)玩具的狀態(tài)來(lái)分類一些玩具屬于動(dòng)態(tài)類的一些屬于靜態(tài)類的，比如說(shuō)風(fēng)箏就是動(dòng)態(tài)玩具，還有遙控賽車等都是動(dòng)態(tài)玩具，而毛絨玩具，一些益智類拼接玩具靜態(tài)玩具具屬于靜態(tài)玩具。 第三類：由于玩具現(xiàn)在不僅僅是面向兒童了，少年、青年、成人及老人都有自己年齡階段的玩具。所以根據(jù)玩具所面向的人群的年齡我們可以把玩具分成幼兒玩具、少年玩具、成年人玩具、老人玩具等。第四類：由于玩具的作用的不同可以根據(jù)其功能給其分類，大致可分為益智類玩具 、啟蒙類玩具，觀賞性玩具。1.6 課題研究的目的及意義

10、人和世界的關(guān)系很奇妙，我們?cè)谒伎甲约汉褪澜绲年P(guān)系的時(shí)候我覺(jué)得沒(méi)必要把物的因素排除在外，因?yàn)槲锉旧砭褪俏覀兩畹囊粋€(gè)部分。但是物也不是全部，它只是一種條件，而不是意義本省。人與世界關(guān)系的意義是一個(gè)內(nèi)涵豐富、無(wú)線擴(kuò)展的系統(tǒng)，越是豐富遼闊，就越是實(shí)現(xiàn)兩者的高度和諧統(tǒng)一，如果說(shuō)這種關(guān)系是通過(guò)工具和符號(hào)為中介進(jìn)行建設(shè)的，那么在游戲活動(dòng)中玩具的運(yùn)用和選擇有著不可忽略的作用。 好的玩具能夠建構(gòu)起兒童與世界之間的關(guān)系，引導(dǎo)兒童去認(rèn)知這個(gè)世界，這種關(guān)系首先是一種緊密性的關(guān)系。這種關(guān)系主要是由活動(dòng)的特點(diǎn)造成的。在兒童與玩具的玩?；顒?dòng)中，結(jié)果往往直接體現(xiàn)數(shù)來(lái)玩具的品質(zhì)的高低，所以好的玩具能夠把自身和兒童很好的聯(lián)系起

11、來(lái)，并且能夠貫穿在和兒童的整個(gè)游戲活動(dòng)中。 本課題要討論設(shè)計(jì)的是一種簡(jiǎn)便易拼接的八爪蜘蛛機(jī)器人，能夠生動(dòng)的模仿蜘蛛的運(yùn)動(dòng)方式，而且兒童在組裝過(guò)程中可以提高其自身的動(dòng)手能力還有想象能力，能夠開(kāi)發(fā)孩子的創(chuàng)新思維能力和智力。1.7 課題研究的主要內(nèi)容由于目前我國(guó)的機(jī)器人兒童玩具很多都是海外的，而國(guó)外的的機(jī)器人兒童玩具的價(jià)格往往都比較高。一般家庭不會(huì)選擇，而且國(guó)內(nèi)的蜘蛛機(jī)器人玩具還不算成熟，所以鑒于這些原因我們要設(shè)計(jì)一種適合中國(guó)小朋友的蜘蛛機(jī)器人兒童玩具。研究手段：（1）根據(jù)課題要求，設(shè)計(jì)出蜘蛛機(jī)器人兒童玩具的雛形；（2）根據(jù)設(shè)計(jì)，利用Pro/E軟件繪制出三維圖，并進(jìn)行分析交合，使其實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行；（3

12、）根據(jù)蜘蛛機(jī)器人兒童玩具運(yùn)行的要求，選擇相應(yīng)的元件；2 蜘蛛機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)蜘蛛機(jī)器人兒童玩具主要的構(gòu)成部分是蜘蛛腿的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、電路機(jī)構(gòu)、牙箱機(jī)構(gòu)及齒輪的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。蜘蛛腿的抬、落、蹬由自由度為1的一個(gè)平面的連桿機(jī)構(gòu)來(lái)完成。整體的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械是由2臺(tái)電機(jī)相互配合及齒輪間的配合帶動(dòng)連桿的運(yùn)動(dòng)從而完成蜘蛛機(jī)器人各類動(dòng)作。2.1蜘蛛機(jī)器人的工作原理 蜘蛛機(jī)器人兒童玩具核心部件是電馬達(dá)，金屬導(dǎo)體片和上電機(jī)蓋 2塊U形磁鐵與金屬外殼組成磁崗， 金屬導(dǎo)線纏繞導(dǎo)電鐵片組成電機(jī)芯 ，電池通過(guò)金屬導(dǎo)片向電機(jī)芯導(dǎo)電，電機(jī)新通過(guò)電流改變磁場(chǎng)，磁鐵平衡磁場(chǎng)是電機(jī)芯旋轉(zhuǎn)11，正常馬達(dá)額定電壓應(yīng)是45V ，通過(guò)馬

13、達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，然后再通過(guò)齒輪間的傳動(dòng)配合從而使得蜘蛛機(jī)器人兒童玩具像蜘蛛一樣運(yùn)動(dòng)。 圖2.1工作原理圖2.2蜘蛛機(jī)器人的組成設(shè)計(jì)的蜘蛛機(jī)器人兒童玩具主要由驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、齒輪箱、電池、蜘蛛腿四個(gè)部分組成，如圖2所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蜘蛛機(jī)器人內(nèi)部齒輪組的轉(zhuǎn)動(dòng)，這部分齒輪組是蜘蛛機(jī)器人兒童玩具能夠行走的主要元件。在蜘蛛腿上腳底加上了橡膠緩沖，由于橡膠的彈性形變可以不考慮運(yùn)動(dòng)時(shí)的沖擊，而且橡膠類的材料可以增大其與地面的摩擦力，這樣使蜘蛛機(jī)器人在行走的時(shí)候能夠更加的穩(wěn)健。而且可以減緩蜘蛛腿的損耗。 圖2.1蜘蛛機(jī)器人的組成2.3 蜘蛛腿的設(shè)計(jì)通過(guò)觀察真實(shí)生活中蜘蛛

14、腿的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，再將市面上已有的蜘蛛機(jī)器人玩具及各科研機(jī)構(gòu)研發(fā)的蜘蛛機(jī)器人結(jié)合起來(lái)，提出具有創(chuàng)新性的基于連桿機(jī)構(gòu)的蜘蛛腿運(yùn)動(dòng)方案，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖如下圖2.3： 圖2.3 蜘蛛機(jī)器人兒童玩具蜘蛛腿2.3.1 蜘蛛腿材料的選擇現(xiàn)在市面上的大部分玩具都是用合成樹(shù)脂制作的，因?yàn)楹铣蓸?shù)脂的無(wú)毒性，而且合成樹(shù)脂不會(huì)像金屬材料那樣容易割傷手指。現(xiàn)在市面上的合成樹(shù)脂大概可以分為兩類，一種是熱塑性材料，一種是熱固性材料，熱塑性樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)式鏈狀的線型結(jié)構(gòu)，它在受熱的時(shí)候易被軟化，這種特性使其能夠被反復(fù)的塑制。而熱固型的樹(shù)脂恰好相反，不過(guò)這使其能夠做一些特殊產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，在玩具行業(yè)中，橡膠和塑料是同一種東西。在本產(chǎn)品中蜘蛛

15、腿的材料選擇前者，可以節(jié)約成本，遵循可循環(huán)原則。塑料玩具不能太薄，因?yàn)樘〉脑捜菀讋潅麅和氖种?。在一些變焦或者弧度的地方把厚度設(shè)計(jì)的大點(diǎn)，來(lái)保證玩具在摔到地上的時(shí)候所受到的力是在其承受力范圍內(nèi)，從而減少了玩具的損壞。在本設(shè)計(jì)中蜘蛛機(jī)器人兒童玩具的蜘蛛腿的厚度設(shè)置為4mm，這樣可以保證兒童在使用時(shí)候的安全。在玩具的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注意蜘蛛腿的材料要采用無(wú)毒的材料，因?yàn)橐恍﹥和矚g咬玩具的零件，要把安全性考慮進(jìn)去，蜘蛛腿的連接部分一定要緊密，這樣能夠防止兒童吞食一些細(xì)小零件，把材料選擇成無(wú)毒的材料也是出于安全性考慮?，F(xiàn)階段我國(guó)生產(chǎn)PVC一般都是采用的都是電石法和乙烯法，兩者想比較的話電石法的成本比

16、較低，但是生產(chǎn)出來(lái)的PVC材料質(zhì)量不算好，而且對(duì)環(huán)境的污染比較大，所以選擇后者生產(chǎn)出來(lái)的PVC材料，符合可持續(xù)發(fā)展的觀念，減少對(duì)環(huán)境的污染，而且材料的安全性也得到了保障。 2.3.2蜘蛛腿靜力計(jì)算計(jì)算得到在蜘蛛機(jī)器人的腿部施加3.72N的均勻載荷（整個(gè)機(jī)構(gòu)重218g，2個(gè)電機(jī)總重48g，電池40g，將蜘蛛機(jī)器人的總重量定為298g,蜘蛛機(jī)器人八條腿的手機(jī)均勻，腿部經(jīng)過(guò)過(guò)肩板溝槽與主機(jī)架接觸，假想受力均勻，故每個(gè)腿受3.72N的壓力）；在蜘蛛腿的底部處受到地面3.72N的支持力；在齒輪約束處應(yīng)考慮到有摩擦阻力矩，假設(shè)阻力是隨角速度線性變化的，,取,共5個(gè)扭轉(zhuǎn)阻力?？梢粤谐銎矫媪ο档牧仄胶夥匠?，

17、有：其中T為需要求的曲柄處從電機(jī)輸入到主軸的轉(zhuǎn)矩。用SolidWorks Motion分析得到不同相位時(shí)對(duì)應(yīng)的T的值如下圖： 圖2.4 不同相位時(shí)曲柄轉(zhuǎn)矩變化圖上可以看出，當(dāng)曲柄靜止在某一相位角時(shí)，所需要最高轉(zhuǎn)矩400Nmm，為來(lái)支撐機(jī)身。若假設(shè)蜘蛛腿是勻速運(yùn)動(dòng)的 ，以此為依據(jù)計(jì)算電機(jī)功率，則當(dāng)馬腿3s一周期時(shí)，電機(jī)需要提供5w的功率;以1s為一周期時(shí)，需要15W。2.3.3 蜘蛛腿腿運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)分析因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中蜘蛛機(jī)器人的八條蜘蛛腿兩兩對(duì)稱，所以可以取其中一邊四條蜘蛛腿經(jīng)行運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)分析。四腿離地距離隨時(shí)間變化如上圖所示：“1-2-3-4-1”一個(gè)周期內(nèi)，“4-1-2”過(guò)程X速度分量沿X正向，此時(shí)

18、蜘蛛腿有向下的趨勢(shì)，這個(gè)過(guò)程中占相位需要大于180o，這樣蜘蛛機(jī)器人才能夠向前行走。進(jìn)行四肢運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)分析的主要目的是為了確保在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中蜘蛛機(jī)器人最長(zhǎng)的兩條腿始終不在同側(cè)這樣才能夠使得蜘蛛機(jī)器人在后蹬的過(guò)程中行走穩(wěn)定，不至于出現(xiàn)傾倒顯現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，盡量使處于下瞪狀態(tài)的那條蜘蛛腿騰空，這樣才能方便此蜘蛛腿的下一部動(dòng)作。在兩臺(tái)電機(jī)的配合下，怎么樣安排蜘蛛機(jī)器人八只腿的動(dòng)作需要在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)中不斷的調(diào)試和演練才能夠確定，這樣才能夠保證其實(shí)際行走效果。圖2.5 蜘蛛腿離地距離隨時(shí)間變化2.4 齒輪的設(shè)計(jì) 因?yàn)楸井a(chǎn)品面向的人群是兒童，而兒童的好奇心比較大，所以再設(shè)計(jì)齒輪部分的時(shí)候要主要考

19、慮到安全性，防止兒童在游戲的過(guò)程中由于不慎造成事故。因而在設(shè)計(jì)玩具安全性中要注意：第一，兒童玩具的材料必須是無(wú)毒的；第二，形狀結(jié)構(gòu)必須沒(méi)有尖銳的形式需是光滑；第三玩具結(jié)構(gòu)應(yīng)合理、牢固。本設(shè)計(jì)中齒輪材料使用PVC材料，齒輪的表面盡量沒(méi)有尖銳形態(tài)，而且齒輪的連接處保證結(jié)實(shí)穩(wěn)定，不易脫落。在整個(gè)蜘蛛機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，齒輪在其中有著不可忽略的作用，因?yàn)楸井a(chǎn)品因?yàn)槊嫦虻娜巳菏莾和韵拗屏似潴w積不需要太大，為了兒童的安全方面著想在齒輪的選擇方面應(yīng)該選擇模數(shù)較小的齒輪。根據(jù)計(jì)算及軟件分析最后決定采用兩個(gè)傳動(dòng)齒輪組。在查閱了資料后，最終決定采用模數(shù)0.4齒輪，將壓力角壓力角定為20。列出各計(jì)算公式：分度圓直徑

20、 安裝中心距離 基圓直徑在本設(shè)計(jì)中傳動(dòng)部分的齒輪主要采用的還是支持圓柱齒輪，因?yàn)檫@類的齒輪的模數(shù)較小，且它的種類非常多，容易購(gòu)買，易于生產(chǎn)。齒輪設(shè)計(jì)一般對(duì)齒輪的質(zhì)量還有尺寸方面的要求比較高，但是對(duì)強(qiáng)度，還有磨損壽命這方面的要求不高。按照機(jī)械設(shè)計(jì)減速器的設(shè)計(jì)步驟及要求對(duì)其來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度校核，提出具有創(chuàng)新的齒輪系的設(shè)計(jì)思路： 圖2.6蜘蛛機(jī)器人齒輪結(jié)構(gòu)處于安全性的考慮，蜘蛛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)需要緊湊以防止其掉落造成事故，這需要對(duì)其分度圓的直徑有所要求，越小越好。但是分度圓直徑小了容易造成根切。如果齒輪發(fā)生根切，那么就需要對(duì)其進(jìn)行正變位?，F(xiàn)在我國(guó)在齒輪上面的加工技術(shù)還不夠太完善，加工小模數(shù)齒輪比較有難度，這樣

21、會(huì)增加此款設(shè)計(jì)的成本給加工帶來(lái)困難，使得產(chǎn)品的制作成本變高。根據(jù)公式選最小齒輪齒數(shù)20，ZB=51。齒E為直徑最大的齒輪，根據(jù)實(shí)際的測(cè)量機(jī)運(yùn)動(dòng)分析，可以假設(shè)軸和底板距離25mm左右，這樣對(duì)蜘蛛機(jī)器人的固定件的強(qiáng)度要會(huì)求小些，使得在材料上的花費(fèi)會(huì)少些，制作成本上也少了很多。因此d的取值需要小于40mm，又因?yàn)閕2=2,所以齒輪F2不能太小。最后得到ZE=30、ZF2=38，滿足i22,ZE不取是從大、小齒輪的齒數(shù)最好互為質(zhì)數(shù)，這樣來(lái)保證齒輪的磨損比較均勻，延長(zhǎng)齒輪的使用壽命。在齒輪組的設(shè)計(jì)中需滿足ZD/ZF1=ZE/ZF2，選齒輪為30個(gè)齒；,可得傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比為：i=nm/nw=30/20

22、=1.5各級(jí)傳動(dòng)比分配取一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)比i1=1.5,則二級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)比為：i2=i/i1=6/3=1.26，i1和i2符的大小都符合一般齒輪減速器的正常范圍。2.5 電動(dòng)機(jī)的選擇2.5.1 電動(dòng)機(jī)的工作原理電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用運(yùn)用電磁感應(yīng)原理的電磁機(jī)械。用于將電能轉(zhuǎn)換成蜘蛛機(jī)器人兒童玩具工作時(shí)所需要的機(jī)械能。電動(dòng)機(jī)達(dá)到電動(dòng)的作用是依靠在多匝線圈，多對(duì)磁極的作用下的原理。電動(dòng)機(jī)在工作的時(shí)候從供電系統(tǒng)吸收電功率，然后再向機(jī)械系統(tǒng)輸出機(jī)械功率。這個(gè)過(guò)程中直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)直流電流的線圈在磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，在電磁力的作用下動(dòng)下點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)定向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)靠近N極和S極的線圈總是恒定的電流，這樣會(huì)使得電磁

23、轉(zhuǎn)矩的方向不變，從而使電機(jī)達(dá)到持續(xù)旋轉(zhuǎn)的效果。2.5.2 電動(dòng)機(jī)的主要組成電動(dòng)機(jī)主要是由定子、轉(zhuǎn)子和其它附件組成。定子就是靜止部分，它又可以分為定子鐵心、定子繞組；轉(zhuǎn)子是其旋轉(zhuǎn)的部分，它分為轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組兩種。2.5.3 電動(dòng)機(jī)的分類1根據(jù)電機(jī)工作電源分類：現(xiàn)階段電動(dòng)機(jī)主要分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，這種分類是看電動(dòng)機(jī)工作的時(shí)候是在上面的電源的種類。2根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理分類：電動(dòng)機(jī)還可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)來(lái)分類，一般可以分為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)還有同步電動(dòng)機(jī)，在同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)中還有磁阻同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)、磁滯同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)、永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)里面根據(jù)電機(jī)的工作原理，電機(jī)又可以分為無(wú)刷直流電機(jī)還有有刷

24、直流電機(jī)。3根據(jù)電機(jī)起動(dòng)和運(yùn)行方式分類：現(xiàn)階段電機(jī)的運(yùn)行主要方式有電容啟動(dòng)式、電容盍式、電容起動(dòng)運(yùn)行式和分相式?？梢愿鶕?jù)其啟動(dòng)的方式的不同分類。4根據(jù)電機(jī)的用途分類：電機(jī)的用途很廣泛，可以用在遙控賽車，火箭。汽車等等，我們可以根據(jù)其用途把其分為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和控制電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般就是運(yùn)用在汽車、玩具賽車及一些機(jī)械設(shè)備方面的電機(jī)?？刂齐姍C(jī)一般可分為步進(jìn)電機(jī)還有私服電機(jī)等多種電機(jī)。從5根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分類：現(xiàn)在市面上的電機(jī)的轉(zhuǎn)子分為籠型還有繞轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)子，這樣可以把電機(jī)也分為籠型感應(yīng)和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)。6根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)速度分類：根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的不同可以分為四個(gè)等級(jí)不同的電機(jī)、分別為：高速電機(jī)、低速電機(jī)、恒速

25、電機(jī)和調(diào)速電機(jī)。2.5.4 電機(jī)類型的選擇如果電機(jī)容量過(guò)大，那么電機(jī)的效率就會(huì)很低，使得電機(jī)容量不能充分利用造成容量浪費(fèi)；如果容量太小會(huì)造成電機(jī)過(guò)熱，減少電機(jī)壽命。電動(dòng)機(jī)里面還有一部分絕緣材料。這部分絕緣材料的最高的允許溫度限制了電機(jī)的最高允許溫度，假如在電機(jī)工作時(shí)，電機(jī)的工作溫度超過(guò)其允許的最高溫度，那樣絕緣體的壽命將會(huì)隨著電機(jī)溫度的升高而減少，電機(jī)每升高則8，意味著電機(jī)的壽命也就減少一半。因此我們必須選擇合適的容量的電機(jī)，當(dāng)然，在容量選擇的時(shí)候，還要考慮電機(jī)類型，電流的類型，電機(jī)速度等因素。（1）先從重量說(shuō)起：由于本款蜘蛛機(jī)器人玩具是提供給兒童使用所以不需要多中的電機(jī)，選擇24g交直流小電

26、動(dòng)機(jī)。（2）轉(zhuǎn)速：在本設(shè)計(jì)中直流電機(jī)轉(zhuǎn)速一般為12000轉(zhuǎn)/分才能夠達(dá)到蜘蛛機(jī)器人行走速度的要求。（3）使用壽命；正常情況下，交流電動(dòng)機(jī)的使用壽命都比直流電動(dòng)機(jī)的使用壽命高，但是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的使用壽命比一般的交流電動(dòng)機(jī)都要長(zhǎng)。直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)在工作的時(shí)候可以快速的無(wú)極限速度的啟動(dòng)而且可以隨時(shí)的制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，而且直流電機(jī)的過(guò)載能力也很大，能夠承受的住頻繁的沖擊，在本設(shè)計(jì)中蜘蛛機(jī)器人兒童玩具在攀爬的過(guò)程中會(huì)多次的出現(xiàn)過(guò)載情況。而且直流電機(jī)調(diào)速性能也較好，可以實(shí)現(xiàn)平滑、準(zhǔn)確的調(diào)速，并且其可調(diào)節(jié)的范圍也比較廣，蜘蛛機(jī)器人兒童玩具的電動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)是可以快速的啟動(dòng)，不需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)速，而且還需要一定的承載力

27、，所以設(shè)計(jì)中采用用直流電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)蜘蛛機(jī)器人兒童玩具。直流電動(dòng)機(jī)是依靠直流工作電壓運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)、影碟機(jī)、傳真機(jī)、按摩儀、吹風(fēng)機(jī)、電腦、玩具等。在直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)中，永磁式直流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的磁極才聊用的是永磁材料，這樣抱保證了電機(jī)所需要的磁源，取代了電磁式電動(dòng)機(jī)中的線圈式的磁極，使得電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)沉重能夠平穩(wěn)，而且在用一次是直流電機(jī)中因?yàn)椴恍枰褂脛?lì)磁線圈，所以耗電量少了，電機(jī)發(fā)熱也少了，極大地延長(zhǎng)了電機(jī)使用的時(shí)間，而且這樣也使得電機(jī)損耗的能量少了。從而電能所轉(zhuǎn)化的動(dòng)能也更加完全了。綜上：蜘蛛機(jī)器人兒童玩具的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選則永磁直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。2.5.5 電機(jī)型號(hào)的選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)在滿足機(jī)械

28、載荷的要求的這個(gè)前提下，要選擇最經(jīng)濟(jì)、最合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，若功率太大，投資也會(huì)隨著增大，不僅會(huì)造成浪費(fèi)資源，而且會(huì)經(jīng)常因?yàn)榍份d而停止運(yùn)行，影響工作效率；若功率太小了，驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)發(fā)生過(guò)載運(yùn)行的情況，這會(huì)使驅(qū)動(dòng)電機(jī)燒壞，會(huì)縮短電機(jī)的壽命。根據(jù)上面的計(jì)算，可以計(jì)算出蜘蛛機(jī)器人兒童玩具在工作時(shí)的阻力，計(jì)算如下： =7.45N線速度： =2*3.14*12000*0.0001752=13.2m/s負(fù)載功率：=7.45*13.4=98.5w電動(dòng)機(jī)的額定功率： ，且留有一定的余量，取 =1.3*98.5 =128.05W查閱參數(shù)表如圖2-7最終選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的型號(hào)為：130型小電機(jī) 表2-7 130點(diǎn)擊參數(shù)表

29、數(shù)據(jù)如下：轉(zhuǎn)速：12000轉(zhuǎn)/分 功率：130W 電壓：6V 電流：0.5A 重量：24g該類電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是：體積小，使用壽命長(zhǎng)，噪聲小，有內(nèi)部零件的通用化程度高。國(guó)內(nèi)可以進(jìn)行生產(chǎn)，而且因?yàn)槭菄?guó)產(chǎn)的，價(jià)格會(huì)比較適中，維修更換簡(jiǎn)單，使用也方便。2.6牙箱的設(shè)計(jì) 根據(jù)測(cè)量算得最后一個(gè)齒輪路所帶動(dòng)的連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為26，其運(yùn)動(dòng)速度大概通過(guò)測(cè)量得到的是0.6m/s，此時(shí)求得轉(zhuǎn)速齒輪的轉(zhuǎn)速選用12000r/min的電動(dòng)機(jī)牙箱的總傳動(dòng)比為I=12000/400=30通過(guò)傳動(dòng)比算，再加實(shí)際的操作需要及SolidWorks的分析我們決定使用兩級(jí)傳動(dòng)機(jī)5:4玩具內(nèi)部的傳動(dòng)部分中，有兩個(gè)傳動(dòng)齒輪組共4個(gè)齒輪。 圖

30、2.7傳動(dòng)齒輪組示意圖3 設(shè)計(jì)軟件3.1 SolidWorks軟件介紹 在本設(shè)計(jì)中采用的事SolidWorks軟件，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)也得到很大的改進(jìn)，每個(gè)行業(yè)都有屬于自己的設(shè)計(jì)軟件和方法，現(xiàn)今，三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)越來(lái)越廣泛的運(yùn)用實(shí)際設(shè)計(jì)中。由于SolidWorks 的三大特點(diǎn)：功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新。使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 的智能性，能夠給與設(shè)計(jì)者很多種選擇方案，精確的三維建模過(guò)程中能夠減少在設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，從而以提高產(chǎn)品的質(zhì)量。SolidWorks具有繪制二維草圖、實(shí)體零件建模、曲面特征建模、工程圖生成、零件裝

31、配及Pro/NC加工等功能，并且它的優(yōu)點(diǎn)很多，多功能化、全面性及高效化等多種優(yōu)點(diǎn)，更是吸引了很多設(shè)計(jì)者，并將它廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、模具、自動(dòng)化、汽車等等的各機(jī)電行業(yè)中。在本設(shè)計(jì)中最后的誤差分析及運(yùn)動(dòng)仿真SolidWorks都可以完成，減少了很多不必要的工作。SolidWorks軟件里面有專門設(shè)計(jì)塑料的這個(gè)模塊比較方便，還有 燈畫鈑金，普通二維機(jī)械圖，模具模塊在后期的分析過(guò)程中很節(jié)約時(shí)間，其裝配過(guò)程也比較簡(jiǎn)便，還可以出三視圖、剖視圖，現(xiàn)在從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作中有必要掌握這款軟件，因?yàn)樗鞣N制圖軟件優(yōu)勢(shì)于一體，比較節(jié)約勞動(dòng)力。3.2 CAD軟件介紹CAD一開(kāi)始是由由HYPERLINK /view/23

32、98.htm美國(guó)通用汽車公司和波音HYPERLINK /view/246944.htm航空公司自行開(kāi)發(fā)一套繪圖軟件，廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，存在到現(xiàn)在已經(jīng)接近40年了依舊是主流的一款畫圖軟件，其功能比較強(qiáng)大，能夠繪制二維圖，剖面圖。半剖圖等，而且其安裝要求比較低，對(duì)電腦的配置要求不高，比較普遍化，而且CAD在標(biāo)注方面很方便，尺寸都很標(biāo)準(zhǔn)，有對(duì)應(yīng)的指令對(duì)圖紙進(jìn)行繪制?，F(xiàn)在的圖紙繪制中CAD是不可缺少的一款軟件，他的規(guī)范化的標(biāo)注還有簡(jiǎn)便的操作是它一直被大家選擇的原因。在繪制本設(shè)計(jì)的二位圖紙過(guò)程中感覺(jué)到了其需要掌握技術(shù)的全面性，這款軟件作為一個(gè)從事機(jī)械類的工作者是不可缺少的一個(gè)得力幫手。4 圖紙本設(shè)計(jì)

33、中蜘蛛機(jī)器人兒童玩具的SolidWorks裝配圖紙及零件圖紙如下： 本款設(shè)計(jì)蜘蛛機(jī)器人兒童玩具整體的裝配效果如圖4.1 圖 4.1 蜘蛛機(jī)器人兒童玩具的裝配效果 蜘蛛機(jī)器人兒童玩具設(shè)計(jì)中用拉伸、抽殼、鏡像來(lái)創(chuàng)作蜘蛛機(jī)器人的電動(dòng)機(jī)部分實(shí)體模型如圖4.2 圖4.2蜘蛛機(jī)器人電動(dòng)機(jī) 蜘蛛機(jī)器人的設(shè)計(jì)中運(yùn)用到了陣列、拉伸切除、來(lái)創(chuàng)作蜘蛛機(jī)器人的齒輪組部分，分別畫出齒數(shù)為20 30 38的三個(gè)齒輪，它們的實(shí)體模型如圖4.3 圖4.3 齒輪 蜘蛛腿是蜘蛛機(jī)器人兒童玩具設(shè)計(jì)中比較中演的一個(gè)部分，在此部分的設(shè)計(jì)中運(yùn)用到了拉伸、鏡像等命令完成了對(duì)蜘蛛腿的設(shè)計(jì)，實(shí)體圖模型見(jiàn)圖4.4 圖4.4蜘蛛腿 齒輪的實(shí)際裝配

34、效果見(jiàn)圖4.5 圖4.5齒輪組 本設(shè)計(jì)中最重要的一部分齒輪的電源部分，由兩個(gè)電池盒組成運(yùn)用到了拉伸、抽殼、倒圓角、鏡像等特征命令完成電源部分的繪制實(shí)體模型見(jiàn)圖4.6 圖4.6電池盒 齒輪的外擋板運(yùn)用了拉伸、鏡像、倒圓角等特征命令操作來(lái)創(chuàng)作的，蜘蛛機(jī)器人的外擋板的實(shí)體模型如圖4.7 圖4.7外擋板5 作品創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用前景5.1 作品創(chuàng)新點(diǎn) （1）腿部行走機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新蜘蛛機(jī)器人的平面連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)美修長(zhǎng)，很好地模擬了蜘蛛腿的真實(shí)腿骨，仿生效果好；腳板始終與地面接觸保證了蜘蛛機(jī)器人的穩(wěn)定性。而且在蜘蛛機(jī)器人的腳部加了橡膠制的皮套增加了其余地面的摩擦，使其行走的時(shí)候更加穩(wěn)健，而且根據(jù)SolidWorks分析

35、出來(lái)的數(shù)據(jù)八只蜘蛛腿之間的配合更加合理，是電能能夠充分的轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。 （2）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新直線采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的蜘蛛機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力，使得電路的結(jié)構(gòu)變的簡(jiǎn)化了，而且蜘蛛機(jī)器人在行走過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)步伐錯(cuò)亂的情況，而且蜘蛛腿采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證了其在行走時(shí)的穩(wěn)定性。采用了齒輪傳動(dòng)的方式較為合適的傳動(dòng)比減小了能量的損耗。 （3）機(jī)器人材料的創(chuàng)新采用PVE材料和傳統(tǒng)的兒童玩具相比增加了兒童玩具牢固性，增加了其使用時(shí)間。而且材料能夠?qū)g利用，符合當(dāng)下的可持續(xù)發(fā)展的觀念。也節(jié)約了成本。 （4）機(jī)器人的安全性的創(chuàng)新 在本設(shè)計(jì)中蜘蛛機(jī)器人的各連接件都采用PVE材料，盡量減少使用螺釘螺栓，因?yàn)閮和谄綍r(shí)的游戲中易吞

36、食這些小零件，齒輪間的連接也比較牢固，增加的機(jī)器人玩具的安全性。 5.2 應(yīng)用前景根據(jù)本款蜘蛛機(jī)器人兒童玩具的模型，有很大的延展性，大家可以根據(jù)不同的需要將其按照一定的比例進(jìn)行放大或者縮小來(lái)達(dá)到自己的要求。滿足不同的目的。家長(zhǎng)可以將其縮小一定的尺寸，增加遙控設(shè)備，較小的外形可以作為兒童的啟蒙道具。在軍事上可以將其放大一定的倍數(shù)，改變材質(zhì)，例如可以使用鋼材，可以應(yīng)用在軍事上，將其改造成一個(gè)排爆機(jī)器人或者改造成災(zāi)后搜救機(jī)器人。或者可以從造型上面出發(fā)可以給本款蜘蛛機(jī)器人價(jià)格比較好看的殼子，這樣能夠增加其對(duì)兒童的吸引力，這樣更加能夠促發(fā)兒童與其游戲。本產(chǎn)品現(xiàn)階段有較強(qiáng)的拓展性和適應(yīng)性，本款蜘蛛機(jī)器人的

37、結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，生產(chǎn)起來(lái)比較方便，而且材料都比較便宜，批量生產(chǎn)也是可行的。但是現(xiàn)在本快設(shè)計(jì)還不算完善，現(xiàn)階段只是個(gè)開(kāi)端，但是我相信，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，是能夠設(shè)計(jì)出更加有意義的設(shè)計(jì)的。 結(jié)束語(yǔ)做畢業(yè)設(shè)計(jì)就是要對(duì)我們所學(xué)到所有的知識(shí)進(jìn)行一次全面的總結(jié)，但我剛拿到畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題的時(shí)候，但是覺(jué)得一點(diǎn)頭緒都沒(méi)有，不知道從哪里著手開(kāi)始做，感到很忙然。于是我就先去收集了一些與我所做的課題相關(guān)的資料，在初期，我對(duì)食物垃圾粉碎機(jī)的了解只是限于我所找到的那些有限文字資料，如發(fā)展現(xiàn)狀，前景等等。到后面才漸漸的進(jìn)入到狀態(tài)，有了思路。在本次設(shè)計(jì)中，研究?jī)?nèi)容如下：因?yàn)橹┲霗C(jī)器人兒童玩具是一款面向兒童的玩具產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)中既要考慮到此款產(chǎn)品對(duì)兒童智力的開(kāi)發(fā)作用，而且因?yàn)槠涿鎸?duì)的對(duì)象是兒童，其安全方面是必須要考慮進(jìn)去的，所以我要對(duì)蜘蛛機(jī)器人的外觀、材料進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)分析，而蜘蛛機(jī)器人又是驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的動(dòng)能，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的，所以還要選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型和型號(hào)。此次設(shè)計(jì)，使我對(duì)以前學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了一次總結(jié)，提高了我的繪圖的能力，從一開(kāi)始對(duì)solidworks的不知所措，再到最后的靈活運(yùn)用，是我受益匪淺。在本次設(shè)計(jì)中學(xué)到了做什么事情都要有著恒心，而且學(xué)術(shù)方面的研究必須要嚴(yán)謹(jǐn)，認(rèn)真。 參 考 文 獻(xiàn) 1