“福娃”玩具行走機(jī)構(gòu)方案分析、選擇及設(shè)計

摘 要：“福娃”是一款兩足步行玩具，它借鑒了北京奧運(yùn)吉祥物“福娃”的外形，通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)電機(jī)驅(qū)動兩足行走，并配備語音芯片播放群星演唱的奧運(yùn)歌曲“北京歡迎你”?！坝瓓W運(yùn)福娃”（兒童玩具）設(shè)計開發(fā)的主要內(nèi)容：（1）步行機(jī)構(gòu)的設(shè)計；（2）傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計；（3）步進(jìn)電機(jī)控制方案的設(shè)計；（4）語音芯片的設(shè)計選擇；文章著重介紹玩具行走傳動機(jī)構(gòu)的介紹及選擇。

關(guān)鍵詞：行走機(jī)構(gòu)；齒輪傳動；步進(jìn)電機(jī)；傳動比

1 行走機(jī)構(gòu)方案比較

行走動作機(jī)構(gòu)如圖1所示，左右腳之桿直接與曲軸相連，由電機(jī)輸出力矩和轉(zhuǎn)速，帶動曲軸轉(zhuǎn)動，依靠腳底板與地面的靜摩擦力，使曲軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動來實現(xiàn)雙足步行運(yùn)動，雙腳抬升、前行，步點圖如圖1所示。腳板離地高度符合三角波規(guī)律。

圖1 步點圖

1.1 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及步進(jìn)電機(jī)齒輪傳動方案

兩組行走機(jī)構(gòu)的動作是導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中的曲柄擺塊機(jī)構(gòu)，圖2所示為動作原理圖和動作機(jī)構(gòu)圖。機(jī)芯動作輸出軸彎成曲軸形式，兩端彎曲相錯180°，作為曲柄帶動左右兩腿前后交替運(yùn)動，兩腿上開有滑槽，安裝在固定位置，用于固定的軸安裝在玩具外殼貨是機(jī)芯箱壁上。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動時，兩腿以固定軸為軸前后擺動，較低面與地面接觸形成邁步動作，行走過程中腿部長度的變化通過滑槽來調(diào)節(jié)。

兩走行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動平穩(wěn)性是關(guān)鍵，因此行走速度不能太快，行走速度取決曲軸的轉(zhuǎn)速；腿的邁不動作幅度不能過大，否則影響運(yùn)動平穩(wěn)性。邁步幅度大小主要取決于曲軸長度，一般曲軸彎曲長度為3～5mm；較平面與腿平面夾角略小于90°，如此更平穩(wěn)。

1.2 步進(jìn)電機(jī)及傳動機(jī)構(gòu)

步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動的電磁執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。本玩具設(shè)計要求電機(jī)有良好的啟停、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)性能，步進(jìn)電機(jī)是最好的選擇。

本設(shè)計采用一級齒輪傳動。齒輪傳動一種常用的機(jī)械傳動方式，具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長、傳動比穩(wěn)定等優(yōu)點。

1.3 方案分析選擇

綜上所述，方案一整體機(jī)構(gòu)緊湊，傳動效率高，成本低，所設(shè)計的圓錐齒輪在制造成本較高，方案二結(jié)構(gòu)簡單，電機(jī)易于控制，齒輪傳動效率高。結(jié)合本設(shè)計要求，奧運(yùn)福娃玩具的動作機(jī)構(gòu)玩具行走的速度不高，轉(zhuǎn)速、扭矩、功率皆不大，同時需實現(xiàn)機(jī)構(gòu)不同速度行走、前進(jìn)倒退，轉(zhuǎn)速較低，故選擇控制較容易的方案二，由步進(jìn)電機(jī)提供動力，經(jīng)過一級齒輪傳動，由曲軸輸出轉(zhuǎn)速和扭矩。

2 齒輪傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算

為了估計傳動裝置的總傳動比范圍，以便選擇合適的傳動機(jī)構(gòu)和傳動方案，計算如下：

整體重量估算G=0.4kg×0.98N/kg=0.392N；齒輪傳動效率：經(jīng)驗測定，一般機(jī)械效率大致數(shù)值為：一對齒輪傳動0.94～0.99，η=0.98；輸出曲軸直徑D=2.6mm；最大轉(zhuǎn)速Nmax=1.3r/s；ω=8.168rad/s；F=G×f靜=0.392N×0.6=0.2352N；Tmax=F×D/2=0.2352N×1.3mm=0.306N*mm=0.000306N*m；P=T×ω=0.000306N*m×4.084rad/s=0.00125w

2.1 計算傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)

2.1.1 各軸轉(zhuǎn)速：電動機(jī)軸為0軸，輸出軸曲軸為1軸，兩軸轉(zhuǎn)速為1、2軸最大轉(zhuǎn)速N1max= N2max=1.3r/s；0軸最大轉(zhuǎn)速N0max=N1max=1.3r/s

2.1.2 各軸輸入功率：Nmax=1.3r/s； ω=8.168rad/s，η=0.98；

2軸輸出功率P2=T×ω=0.000125N*m×8.168rad/s =0.00102w

1軸功率P1=P2/η=0.00102w/0.98=0.001041w

0軸功率P0=P2/η×η=0.00102w/0.96=0.00w

2.1.3 各軸轉(zhuǎn)矩

2軸轉(zhuǎn)矩T1max 0.000306N*m

1軸轉(zhuǎn)矩T1max=T1max/η=0.000306Nm/0.98=0.0003122N*m

0軸轉(zhuǎn)矩T0max=T1max/η×η=0.000306Nm/0.96=0.000N*m

2.2 玩具齒輪設(shè)計

玩具齒輪與一般的機(jī)械中的齒輪一樣，起傳遞運(yùn)動和動力的作用，但玩具齒輪與一般齒輪相比有如下特點：

（1）玩具中應(yīng)用的齒輪為1mm以下的小模數(shù)齒輪。大多在0.4～0.6之間。

（2）玩具中應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)齒輪不是常用的漸開線齒型，而是類似于鐘表中應(yīng)用的圓弧-直線齒型，這種齒型加工工藝簡單，比漸開線齒型圓滑，旋轉(zhuǎn)輕松。

（3）由于玩具強(qiáng)調(diào)動作的靈活性，不要求嚴(yán)格的運(yùn)動規(guī)律、速度等，同時考慮為了降低成本，玩具齒輪與一般齒輪相比加工精度要求不是很高。

2.2.1 選定出論類型、精度等級、材料及齒數(shù)

（1）玩具中常用的塑料齒輪類型有：圓柱齒輪、管齒輪（噴齒輪）、蝸桿三種。圓柱齒輪按結(jié)構(gòu)又可分為標(biāo)準(zhǔn)齒輪、單聯(lián)齒輪（齒片）和雙聯(lián)齒輪。另外還有但見齒輪和雙肩齒輪。圖3所示的傳動方案，選用直齒圓柱輪傳動。

（2）輸出軸速度不高，故選用7級精度（GB10095-88）

（3）材料選擇。玩具齒輪常用的材料有金屬、塑料兩種。在金屬齒輪中，小圓柱齒輪一般用黃銅棒拉削而成，齒片用冷軋鐵皮沖制而成。金屬齒輪強(qiáng)度高，但考慮到玩具的特點，金屬齒輪加工精度不要求很高，因為傳動起來噪聲比較大。因而選用塑料齒輪。

聚甲醛POM在玩家中應(yīng)用最廣，該材料具有優(yōu)異的綜合性能，強(qiáng)度、剛度較高，抗沖擊、疲勞、蠕變性能較好，10000次交變負(fù)載的作用后疲勞強(qiáng)度可達(dá)35MP，自潤滑性能優(yōu)良，摩擦系數(shù)小且耐磨型號，吸水小，產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定。

（4）選大齒輪齒數(shù)z1=z2=40

2.2.2 計算各尺寸參數(shù)

模數(shù)m1=m2=0.5；分度圓直徑D=mz，d1=d2=20；齒頂高h(yuǎn)a=m=0.5；齒根高h(yuǎn)f=1.3m=6.5；全齒高h(yuǎn)=ha+hf=7；齒頂圓直徑da=d+2ha，da1=da2=20+1=21；齒根圓直徑df=d-2hf，df1=df2=20-6.5=13.5；齒側(cè)圓弧半徑ρ=3m+0.1m（Z-20），ρ1=ρ2=3.5；齒頂圓弧半徑ρa(bǔ)=0.4m+0.002（Z-34）m，ρa(bǔ)1=ρa(bǔ)2=0.212；分度圓調(diào)節(jié)P=πm=1.57；齒厚S=0.45p=0.707；齒間e=0.55p=0.864；查表得孔徑d=2.55，厚度l=5。

2.2.3 減速齒輪齒根彎曲強(qiáng)度校核

（1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值

a.載荷系數(shù)K=1；

b.分度圓圓周力矩T0 max=0.0003122N*m；

c.查文獻(xiàn)得YFa=2.80，應(yīng)力校正系數(shù)YSa=1.55

（2）計算

查閱資料：工程塑料PA6的彎曲強(qiáng)度[？滓F]=90Mpa。？滓F<[？滓F]設(shè)計滿足齒根彎曲強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)

[1]唐介.電機(jī)與拖動[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2]張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]王曉明.電動機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[4]趙克，高晗瓔.混合式步進(jìn)電動機(jī)正弦波微步驅(qū)動設(shè)計[J].微特電機(jī)，2006（2）：25-27.

[5]李忠科，趙靜.通用步進(jìn)電動機(jī)升降速控制器設(shè)計[J].微特電機(jī)，2006（1）：34-35.

[6]房玉明，杭柏林.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，33（4）：61-64.