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课程设计机械玩具

专业方向课程设计计算书

1.课题研究的目的意义及国内外研究概况：

1.1课题来源

1.1.1项目背景

众所周知，玩具是儿童成长的过程中必不可少的玩伴。

在我国儿童玩具的所有组成部分中，益智玩具一直都是消费者最关心的一类。

因为益智玩具在儿童成长的过程中能起到普通玩具所不能达到的作用：

益智玩具能够协调儿童的身体机能、刺激大脑活动、开发智力等等。

在现在与未来的家庭中儿童是家庭的中心，每一个家长都希望自己的孩子在小伙伴中脱颖而出。

随着家长们对孩子情商、智商培养的逐渐重视，益智类玩具逐步走俏市场。

图1.1儿童玩游戏的场景

益智类玩具具有以下功能：

1.1.1.1开发智力

严格的说，益智玩具应该分为少儿益智玩具和成人益智玩具，虽然两者的界限不是非常明显，但还是应该加以区分。

所谓益智玩具，不管是少儿类的还是成人类的，顾名思义都是可以让我们在玩的过程中开发智力增长智慧的玩具。

益智玩具是否真的具有益智的功能呢？

据英国皇家科学院研究发现，经常玩益智玩具的人，比不玩的人平均智商高出11分左右，大脑开放性思维能力较高；美国医学专家也发现，50岁以前开始玩成人益智玩具的人老年痴呆的发病率只有普通人群的32%，而从小就玩益智玩具的人发病率不到普通人群发病率的1%。

1.1.1.2刺激各器官反应

其实除了开发智力外，益智玩具还有更多的功能。

比如刺激功能发展，设计的颜色鲜艳，线条吸引人的益智玩具可以刺激孩子的视觉；而一握就响的“响环”、按键就发出各种动物声音的“小钢琴”等能刺激孩子的听觉；滚动的彩色球能培养孩子的触觉。

因此，不同的益智玩具是辅助孩子认识世界的有效工具，帮助他们配合身上各种感官的反应，来接触和认知新奇的万事万物。

1.1.1.3协调身体机能

此外，益智玩具还具有协调身体机能的作用，例如孩子将一盒积木砌出图形，除了要用脑，还要有手的配合，这样通过玩益智玩具，训练并逐渐建立起孩子的手脚协调、手眼配合等身体机能；具有练习社交活动的作用，孩子在跟他们的同伴或父母玩益智玩具的过程中，不知不觉间在发展他们的社会关系，即使他们在合作或竞争中容易产生执拗和争吵，实际上他们正在发展合作精神和学习与人分享的心理，为日后融入社会打下基础。

同时，语言能力、情绪释放、动手能力等都得到一定提高。

在益智类玩具中，球形玩具以其独特的外形，可靠的安全性，运动的独特性，日益受到广大消费者的喜爱。

1.1.2本方案的提出

现今，儿童智力的开发已越来越受到家长的重视，开发儿童智力的方式也层出不穷。

部分益智玩具虽然设计巧妙，但安全性不可靠，或轻或重地损伤儿童的身心体健康，有的甚至是终身伤害；而另一部分虽然能益智，但操作繁琐，不容易实现其最终效果和目的。

所以既简单又易行的益智玩具在当今社会极其需要。

而飞行类玩具和球形类玩具都是十分理想的益智类玩具，将飞行类和球形类通过简单机构将两者的益智优势合理地结合是本方案的特点，它通过遥控手柄控制飞行器的飞行及转向，充分锻炼娱乐游玩者的手眼协调能力，而想要进行球形机器人的行走条件需要操纵者自己组装，又锻炼其动手能力，既简单易行，又起到开发智力的作用。

经常玩遥控玩具可以培养孩子们的眼、脑、手的配合。

孩子们的大脑处于发育阶段，经常玩遥控玩具，可以提前锻炼孩子的眼睛、手脚和大脑的配合，促进孩子们的智力发育，培养孩子的空间想象力。

玩遥控玩具还可以培养孩子们探索未知世界的兴趣。

很多孩子对遥控玩具很感兴趣的一个原因是对遥控玩具的好奇，想搞清楚是什么原理，一般会自己动手拆开来看究竟，锻炼了孩子动手的能力，特别是遥控飞机这类产品，最容易吸引孩子们的目光。

有些孩子还会研究遥控玩具的操作原理，查找书籍资料，从而培养了孩子们的学习兴趣和爱好，影响孩子们的成长道路。

许多科学家的成长历程可以证明，孩提时代的玩物可以决定孩子们将来的志向。

遥控类产品其实并不是孩子们专利，很多老年人也喜欢玩，许多老年人内心深处还是很童真的，可以买回去和孙子们一起玩，对开阔老人们的心境是一个很好良药。

本方案设计的可遥控益智球形玩具的方向控制单元打破常规思想，通过齿轮带动偏心质量块是球壳的重心发生偏转从而实现改变方向的作用，其旋翼机构也变为可伸缩、折叠式的，其外形更是一种胆大的挑战和创新，并将飞行器与球形机器人进行大胆地结合使用，巧妙地集中了益智的特点。

1.1.3本项目研究的内容及意义

本项目对国内外的产品进行了综合分析，并根据儿童智力开发的实际情况，设计了一款采用无线遥控控制的益智球形玩具，以球形壳体为本体，以电机为动力源，通过双旋翼机构来提供升力，以偏心质量块的偏转来控制方向，既可以在空中飞行，又可在地面行走，是一款集飞行与滚动行走为一体的益智娱乐设备。

为了实现上述功能，本项目研制的可遥控益智球形玩具具备以下特点：

1.3.1可遥控益智球形玩具通过可伸展式双层螺旋旋翼，实现从球壳内到球壳外展开并进行飞行的功能；

1.3.2可遥控益智球形玩具的方向控制部分由齿轮齿条机构组成，通过齿轮带动质量块的偏心实现改变方向的作用；

1.3.3可遥控益智球形玩具的球壳上镶嵌有齿条，通过减速电机带动齿轮转动，实现可遥控益智球形玩具的滚动行走功能；

1.3.4可遥控益智球形玩具有旋紧及压紧机构，保证飞行机构和行走机构快速结合，并保证其可靠性。

本项目研究的益智类球形玩具，不仅为儿童智力的开发工作提供一种有效地、可靠的益智设备，也可用于成年人娱乐，以及老人玩乐，老年人常玩益智类玩具可防止老年痴呆症的发生。

1.1.4课题来源

指导教师制定课题。

1.2课程设计目的

本课程设计是使现代机械设计方向的学生全面、系统地掌握和深化机械设计类课程的基本知识、基本理论与基本方法的专业性、综合性实践教学环节。

其作用和目标是：

3.1通过工程设计过程各主要环节的训练，使学生树立正确的设计思想，了解现代机械设计技术及其在实际工程中的应用，掌握一般机械设计的基本方法和技能，培养观察、提问、分析和解决问题的独立设计工作能力，训练设计构思和创新能力。

3.2培养学生综合运用机械设计类课程及其他有关先修课程的知识、理论与方法分析和解决机械设计问题的能力，以进一步巩固、深化、扩展所学到的理论知识，并使理论知识与生产实践紧密结合。

3.3培养学生的计算机辅助设计能力、现代设计理论与方法的运用能力和标准、规范、手册、图册及网络信息等有关技术资料的查阅与运用能力，为今后成为高级机械设计工程技术人员进行基本技能和基本素质训练。

2.课程设计题目

可遥控益智球型玩具

3.国内相关研究发展现状

目前市场上的益智类玩具主要有以下三类：

球形玩具、遥控飞机、飞行器，如图3.2所示。

球形玩具中的组合类和变形类玩具都属于拼插类玩具，容易丢失零部件。

现有的飞行方式有螺旋旋翼的，通过一对主旋翼旋转提供升力，同时通过一对小旋翼控制升力的方向，及贝尔-希拉操纵方式，具体操纵方式为：

主旋翼桨叶转动时会产生与空气相对的上升气流，自然形成升力。

在利用旋翼的旋转速度与各桨叶的角度变换，致使飞机完成起飞、升高、降落等多种不同的飞行动作。

遥控直升机向前飞行，是由于各桨叶在不同位置时，按固定规律变化所产生的。

旋翼产生的拉力相对于旋转轴向前倾斜，摇动遥控直升机前进。

使遥控直升机向左向右飞行也是同样的道理。

遥控直升机飞行方向改变时，基本原理是利用尾旋翼的可变角度产生的。

因为主旋翼旋转时机身会产生扭力作用，扭力作用使机身不停的转圈，无法正常飞行。

所以必须加一个尾旋翼来抵消扭力，平衡机身不旋转，但单靠尾旋翼来平衡是不够的，这就需要使用陀螺仪了，它可以根据机身的摆动多少，自动做出补偿给伺服器，去改变尾旋翼角度，平衡机身。

从而达到控制直升机的目的。

直升机的大多数性质如稳定性、灵活性等都是通过这种操纵方式实现的。

飞机是通过机翼产生升力，以支持飞机在空中飞行，同时机翼也起到一定的稳定和操作作用，当然还利用了尾翼，此尾翼分为水平尾翼和竖直尾翼，平尾翼由固定的水平安定面和可动的升降舵组成，有的高速飞机将水平安定面和升降舵合为一体成为全动平尾。

垂直尾翼包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。

尾翼的作用是操纵飞机俯仰和偏转，保证飞机能平稳飞行。

图3.2遥控飞行器与组合、插拼式变形球形玩具

它们具有以下不足点：

Ø球形玩具：

玩法单一，适用人群较窄；

Ø遥控飞机：

机翼不能折叠，占用空间大；

Ø飞行器：

控制方式复杂、造价昂贵。

4.原理方案设计

现在的飞行类玩具样式繁多，其飞行及转向原理基本相似，其功能比较简单，只能完成单项需求，为此我们研发了一种以无线遥控为操纵方式、借用球形机器人方向控制的原理，通过偏心质量块来改变方向，并将球形机器人巧妙容纳于其中，形成了新型的益智玩具。

本章将对可遥控益智球形玩具的飞行控制、传动原理、方向控制原理进行了详细的阐述，并给出了总体设计方案。

4.1可遥控益智球形玩具的设计要求

本项目提出了一种外观独特、玩法新颖、操作简单、稳定性好、娱乐性强，且能在在空中飞行、地面上全方位运动的新型机械玩具。

为达到该目的，本方案设计需满足一下要求：

4.1.1整体尺寸小，易于携带，方便不同位置的转移；

4.1.2适应性强，便于在不同的场合进行游玩；

4.1.3操作简单，短时间内就能熟练操控游玩；

4.1.4该方案设计安全可靠，工作稳定，适应较广的群众。

4.2可遥控益智球形玩具的系统组成及工作原理

4.2.1可遥控益智球形玩具的系统组成

本项目的技术方案是：

可遥控益智球形玩具主要由旋翼单元、传动单元、方向控制单元、上下球壳等组成，如图4.1所示

图4.1可遥控球形玩具总体方案图

4.2.2可遥控益智球形玩具的工作原理

镶嵌在球壳上的齿轮导轨通过轴承与球壳形成转动副，方向控制单元的内部电机驱动行走齿轮沿齿条运动，在摩擦力的作用下使球壳绕转动副转动，从而实现球形玩具的行走功能；方向控制单元的内部电机驱动转向轮沿齿轮导轨运动，使球体的重心发生偏移，实现球形玩具的转向功能；当球形玩具飞行时，如图4.2所示，通过旋转式锁扣进行快速解锁，将球壳上部分卸下，通过伸缩机构将机翼螺旋桨伸出球壳外，到达设定位置伸开旋翼；当球形玩具不工作时，如图4.3所示，可通过折叠机构和伸缩机构将旋翼单元折叠在球壳内部，再旋紧旋紧机构，将上下球壳固定在一起，如图所示，节省了空间，方便玩具储存；上下旋翼各由一个电机驱动，且转向相反，依靠下方配重块的偏转实现飞行姿态的调整。

图4.2可遥控益智球形玩具飞行姿态图

图4.3可遥控益智球形玩具存储姿态图

当球形玩具需要在地面滚动时，我们旋转压紧机构，取下旋翼单元、传动单元以及机架，再将上下球壳通过旋紧机构可将上下球壳连接在一起，这样本玩具就变为一个可遥控的球形机器人，如图4.4所示。

在滚动时的滚动及方向控制也是依靠方向控制单元完成的。

图4.4可遥控益智球形玩具滚动姿态图

当可遥控益智球形玩具飞行时，旋翼单元转动为其提供升力，方向控制单元可调节其飞行时的姿态；当其在地面滚动时，方向控制单元可控制其滚动方向。

4.3方案设计的可行性分析

4.3.1滚动时方向控制单元仿真分析

为了验证球形玩具滚动时方向控制单元的可控，了解方向控制单元滚动时的受力情况，我们利用adams对滚动状态下的球形玩具进行了运动分析，以下是球形玩具的仿真结果及曲线。

根据仿真，球形玩具直线行走时的位移曲线如图4.5所示。

图4.5直线行走位移曲线

如图4.6所示为球形玩具在转向时的速度曲线。

图4.6转向时的速度曲线

如图4.7所示为球形玩具在转向时的加速度曲线。

图4.7转向时的加速度曲线

根据可遥控益智球形玩具滚动状态时方向控制单元的位移、速度及加速度仿真分析曲线可知，球形玩具方向控制单元可对玩具在地面的滚动及转向起到较好的控制调节作用。

该设计方案可行性高，具有较好的实施性。

5.传动零件设计计算

为验证可遥控益智球形玩具旋翼单元的可行性现进行以下理论分析：

取空气密度

，重力常数

g，电机功率为P，翼角为

，旋翼实度σ（一般取偏小的值），旋翼叶桨弦长b，叶片数为N，翼最大半径R2，最小半径R1，角速度为ψ。

桨叶片数k可以参考直升机方法确定，目前大多旋翼机采用两片桨叶，安装在跷跷板式桨毂上。

典型两片桨叶旋翼，取实度σ为0.034～0.040。

如果实度取稍大值，则桨叶挥舞增加，性能改善不多，故一般都取偏小值。

由式

（1）可以确定旋翼桨叶弦长b，

（1）

旋翼有效半径为R=R2-R1=120mm=0.12m

电机转速取

现对双旋翼中的一个旋翼进行分析，两电机经两级减速与旋翼转轴连接，减速机构为两对圆柱直齿齿轮，其齿数分别为Z1=9、Z2=12、Z3=22、Z4=83，

传动比为

。

旋翼轴的转速

（2）

旋翼角速度

（3）

将已知数据代入公式（3）可以确定单旋翼提供的升力:

（4）

球形玩具总重量为G=4.6N,

可知，升力2F>G。

经过以上理论分析，球形玩具在正常飞行时，上下旋翼提供的升力远远大于球体自身的重力，因此球形玩具能安全起飞、下落。

4、齿轮齿条参数：

模数m

齿数z

齿轮

1

12

小齿条

1

126

大齿条

1

180

5、行走速度计算：

由公式

得：

所以

6.优化设计

可遥控益智球形玩具的结构设计是本方案的重点，它主要是由旋翼单元、传动单元、方向控制单元、上下球壳、快插机构、旋紧与压紧机构以及水平限位机构等七部分主成。

而旋翼单元是整个可遥控益智球形玩具的核心组成部分，它直接关系到可遥控益智球形玩具是否能成功飞行的关键。

因此，我们充分考虑到飞行器的各种飞行环境进而来设计飞行器的旋翼尺寸及其偏角，使得飞行器能适应各种不同的飞行环境，大大地扩大了玩家的超控范围，增加了其娱乐程度。

我们应用了机械结构设计技术、方向控制技术以及锁扣快速连接旋紧技术所以该产品能够转弯迅速，运行速度快，适用于各种复杂环境地飞行等优点。

我们应用了autoCAD、solidworks、adams及matlab等软件进行辅助分析，大大提高了设计效率和质量，缩短了产品开发周期。

6.1旋翼单元

如图3.1所示，旋翼单元的设计主要是借鉴新型直升飞机的结构，采用双旋翼结构，并在旋翼上添加平衡杆，可以在旋转时提供升力并抵消反扭矩的作用，使玩具在飞行时能更加稳定。

图6.1新型直升飞机的双旋翼结构

旋翼单元主要由升降机构、旋翼、驱动电机、传动机构组成，如图6.2、6.3所示。

伸缩机构能使旋翼从球壳内伸出球壳外，并使其像雨伞支架一样伸展，使上下旋翼能正常的打开。

其中旋翼为共轴双旋翼分为上旋翼和下旋翼，上下旋翼各由一个电机驱动，在球形玩具飞行时上、下旋翼的切风角度相反，上、下旋翼的动作旋转方向也是相反的，从而使上下旋翼因旋转而产生的扭力相互抵消，大大增强了整个球壳的平衡性能。

我们利用了钟表的设计理念使下旋翼的主轴为空心轴，上旋翼则由空心轴内层的实心轴带动旋转。

图6.2旋翼单元结构图

图6.3旋翼单元三维原理图

我们在旋翼单元中增添了折叠机构和伸缩机构，主要是借鉴了折叠雨伞的结构，设计了四杆机构的折叠机构，又借鉴雨伞伸缩杆的原理，设计了带有卡槽的伸缩机构，使旋翼能够上下伸缩自如、折叠自如；这样，在球形玩具不工作时（如图6.4所示），玩家可将上下旋翼伸缩、折叠在球壳内部，节省了空间，便于玩家的方便储藏。

图6.4可遥控益智球形玩具折叠存放三维状态图

6.2传动单元

通过两个相同的齿轮传动组将两个电机轴的转速和扭矩传递给旋翼轴，使上下旋翼获得等矩反向的转动，该传动机构都采用一级传动，如图6.5、6.6所示：

图6.5传动单元方案图

图6.6传动单元结构图

左电机通过齿轮传动组1使上旋翼转动，是玩具迅速上升；右电机通过齿轮传动组2使下旋翼转动，是玩具迅速下降；由于两电机转速、转矩均相同，但转向相反，因此上下旋翼就会等矩反向转动。

6.3方向控制单元

方向控制单元在齿轮导轨的上侧，该单元主要由连接空心轴、连接板、转向齿轮、齿轮轨道组成，如图6.7、6.8所示。

它控制方向的原理是在其减速电机的驱动下由齿轮带动沿齿轮导轨运动，使配重块随着齿轮的旋转使球体重心左右偏移从而实现球形玩具的转向控制。

当可遥控益智球形玩具要进行滚动前进时，前后方向控制单元此时变为滚动时的动力，通过电机带动，使齿轮齿条啮合，齿条固连在球壳上，使球体重心左右偏移，从而使整个球体行走；而齿条比驱动齿轮宽，保证齿轮不会与齿条错开，在摩擦力的作用下使球壳绕转动副转动，使球体重心前后移动从而推动球体直线运动。

图6.7方向控制单元结构图

图6.8方向控制单元三位效果图

6.4旋紧、压紧机构

旋紧机构是镶嵌在球壳上的一种快速限位并旋紧的机构，它分别定在上下球壳上，当需要伸出旋翼时，通过上下球壳的旋紧机构进行解锁，如图6.9所示，该旋紧机构通过旋转方式旋开，使机翼从球壳内伸出并旋开；在上半部分的球壳中，一个锁门侧部设有挡板，当操纵者想要实现球形机器人的行走功能时，通过该快锁机构进行迅速旋紧，因为锁门设有挡板，故起到限位的作用，使得该限位旋紧的功能瞬时实现，迅速搭接成完整的球形满足玩家的娱乐需求。

压紧机构是对旋翼进行压紧的作用。

如图6.9所示，通过旋转压紧机构的上片进行迅速压紧，防止旋翼与球体部分的松脱，保证娱乐的可靠性。

图6.9旋紧、压紧机构结构图

6.5快插机构

为了能实现飞行器快速从滚动到飞行的过度，本方案特意设计了快插机构，如图6.10所示，在旋翼支架的底板下侧突出四个立柱，在球壳方型板上开有四个通孔，是突台与方形板进行快速结合，并通过压紧结构迅速压紧，保证旋翼单元的迅速连接。

从而达到滚动与飞行之间的转换。

图6.10快插机构结构图

6.6水平限位机构

因为本方案的飞行与行走机构相互独立，为了保证本产品的可靠性，特意设计了水平限位机构，该机构的调整轴套上攻有内外螺纹，该调整轴套通过螺母与球壳连接，方向控制机构中的齿条部分通过轴承与调整轴套连接，当一端的调整轴套固定时，另一端通过螺纹顶针的旋进旋出来进行调整方向控制结构的齿轮及旋翼的水平位置。

7.结论

经过对市场的调研，目前市场上的益智类玩具主要有以下三类：

球形玩具、遥控飞机、飞行器。

球形玩具中的组合类和变形类玩具都属于拼插类玩具，容易丢失零部件。

现有的飞行方式有螺旋旋翼的，通过一对主旋翼旋转提供升力，同时通过一对小旋翼控制升力的方向，及贝尔-希拉操纵方式，具体操纵方式为：

主旋翼桨叶转动时会产生与空气相对的上升气流，自然形成升力。

在利用旋翼的旋转速度与各桨叶的角度变换，致使飞机完成起飞、升高、降落等多种不同的飞行动作。

遥控直升机向前飞行，是由于各桨叶在不同位置时，按固定规律变化所产生的。

旋翼产生的拉力相对于旋转轴向前倾斜，摇动遥控直升机前进。

所以我们拟定了上述方案，通过方案比较、理论计算、仿真计算等考考性能验证。

证明本方案是可行的的。

本设计完成了本项目的原理方案设计、方案设计的可行性分析、传动零件设计计算、优化设计等。

参考资料

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设计小结

致谢

经过近一段时间的努力，我们终于完成了“可遥控益智球形玩具——球形飞机”这一课题。

这一课题的完成，标志着我们这一批在校大学生从此有了一个新的发展起点。

我们这群从零开始的本科学生，终于迈出了挑战自我、战胜自我、敢于创新的第一步。

通过对本项目的研制，使我们对机械创新设计有了更深层次的认识，让我们体会了科研的困惑和乐趣。

在体验辛酸、体验成功之喜悦的同时，我们也深深地知道：

我们的进步离不开指导老师的指导支持，