蜘蛛机器人儿童玩具与仿真.doc

1、1 引言人类很早就开始了对自然界动物的模仿：关于行走机器的制作文献，最早见于 墨子鲁问中提到；“公输子削竹木以为鹊，三日不下。”他还创造了载人大木鸢，作为战争的调查工具。三国时期，诸葛亮为了满足战事的需要，造出了“木牛流马”来运送粮草（见图1.1a），随着经济水品及文化水平的提高，掌握了各种科学技术，人类制造出来的机器人可以说是栩栩如生、功能齐全。比如说德国斯图加特市科学家拉尔夫-贝克尔制作出来的为了灾后营救任务的蜘蛛机器人（见图1.1b）。他们的灵活性很强，而且与现实的蜘蛛机非常相似，袖珍的外形适合各种不同环境的需要，特别是灾后的救援工作。 a） b） 图1.11.1 儿童玩具的概念 什么是

2、玩具呢？发现这个词语还是比较新颖，虽然日常多提到，但是查阅辞海或者最早的辞海文稿都没找到这样的一个词，在现代汉语词典中是这么定义玩具的“专供儿童玩儿的东西”。儿童玩具不仅能够提供儿童游戏、研习，而且还能够促发儿童的动手能力以及促进儿童的智力开发。玩具是全人类认知从前世界、现实世界、未来世界的成就与志向的具体、形象、简单、通俗化的用具，有人这么说过“一部玩具史就是一部儿童眼中的社会发展史”。可见儿童玩具对于儿童的作用是不可忽略的。1.2 儿童玩具的意义 儿童玩具结构游戏的意义在于：通过儿童在探索搭建各种物体或建筑物的过程中，经过自己的不断摸索，来促进思维发展，养成一个动手操作、手脑并用的好习惯，

3、也体现在儿童在使用各类材料的过程中，可直接了解各种物质的性能，认识各种材料的样子、数目等，同时在结构中获得利用各种领域的学问的经验，而孩子的创新、思考的能力，也都可得到提高。比如说在用积木搭建高楼或者桥梁的时候，积木都是要要一块一块地搭，一层一层地拼，在取得成功之前或许会经历很多失败，这是一个锻炼儿童意志的非常好的方法。 在小朋友在不断探索认知当前社会的进程中，玩具扮演着比较重要的角色。有人说：“玩具是儿童的天使”，为什么这么说呢？玩具的颜色鲜艳，造型优美、奇特，运动起来活灵活现很生动，一些玩具和还能够发出生动的声响，这些吸引着孩子的好奇心和注意力。玩具和现实物体在孩子的眼睛里图像相似，能够促

4、发儿童手脑并用，促进小孩的智力开发。各种类型的玩具，有各种各样的方式，能引起孩子的兴趣，好的玩具能激发孩子的玩游戏的欲望，在游戏中，他们可以获得新的知识，能认识新的朋友也，而且玩具是他们所喜爱的生活好伴侣。1.3 儿童玩具的发展及现状 据统计近几年中国逐渐成为世界上最大的玩具生产国家而且其出口玩具的数量也在世界前列，世界上接近70的玩具是在中国生产的，据统计2013年内中国玩具的出口额高达78亿美元。中国玩具最主要的几个生产和出口基地分别在中国的广东、江苏、浙江、上海、山东，这些地方生产了接近全国90的儿童玩具，因为人口比较密集，江苏和上海以毛绒玩具为主。浙江因为地理的优势，原料在浙江比较容易

5、运输，所以这样主要生产木制类的玩具，20013年，我国11大类出口玩具中，有8类玩具与往年相比出现同比跌落。其中，毛绒玩具的出口额仅有13.6亿美元，比往年相比下降24.2%。而智力玩具和成套玩具出口额都有所增长分别达到了5.2 亿美元和5 亿美元。从玩具的出口比例的变化可看出，随着科学技术的进步及人们生活水平的提高，玩具出口产业已经发生了较大的变化；在发达国家，人们对于玩具的需求已经从传统的塑料玩具、木质玩具等中低档玩具产品逐渐转向成人玩具、高科技电动玩具、智力开发类玩具等高档次高技术种类。拥有高科技、新技术的电子玩具、网络玩具将逐渐成为新的发展方向。 中国的毛绒玩具在欧洲市场所占比例较大，

6、但是中国的出口玩具的优势仅在于价格优势和加工贸易，利润较少，至少90%为贴牌生产和代工生产。随着国家的经济的发展，人民币升值和劳动力成本上升，毛绒玩具制造成本升高，毛绒玩具所占份额逐渐减少，木制玩具大约占整个玩具的市场的10%，传统的木制类玩具逐渐向益智木制玩具、宠物木制玩具等方向发展。中国的塑料玩具市场充满了各种风险，例如各种关税还有生产玩具的原材料的质量等。中国益智类的儿童玩具前景比较广阔，潜力比较大，有较大的发展空间，但需要出台相关标准，来规范市场的稳定发展。从各国儿童每年人均在玩具上面的花销调查中，中国只有140元，但是澳大利亚和美国各达到了2800元和2100美元。目前国内玩具消费存

7、在巨大的潜力，儿童玩具数量达到了3亿。另一方面，进入2014年，80后父母的小孩逐渐成为玩具消费的主力。但是其对玩具的水品也会有所提高，预期未来几年，国内玩具行业需求将快速增长。市场需求逐年上升，因此开发出高品质低成本玩具迫在眉睫。1.4 儿童玩具的前景近年来随着国家经济水平的提高，人们的收入水平增长，家长在小孩身上的花费也越来越高，对玩具的需求也出现了很大幅度的增长。据统计，中国玩具年消费额将会以40%的速度逐年增长，这些数据体现出了中国玩具市场的潜力是巨大的。 中国是最大的玩具生产国家。在2005年的时候中国就有了8000多家生产玩具的企业，和建国初期的52家相比翻了接近150倍，现在全国

8、从事在玩具生产一线的人数大约在350万人，而玩具的产值达到了1000亿元，玩具在中国的轻工业出口产品中排前三，由此可见中国玩具的前景非常可观。1.5 儿童玩具的分类 玩具的分类方法对儿童在识别玩具的类型非常重要，不同的玩具因为种类的不同有着不同的功能，家长如果能够了解玩具的分类、功能，更有针对性地给孩子买玩具会有事半功倍的效果。 玩具的种类很多，可以从很多的方面给玩具分类。 一般来说玩具可以分成四大类：第一类：由于玩具的生产材料的不同，可以根据玩具的材料给其分类，大致可分为电子类、陶瓷类、毛绒类、橡胶类等。 第二类：可以根据玩具的状态来分类一些玩具属于动态类的一些属于静态类的，比如说风筝就是动

9、态玩具，还有遥控赛车等都是动态玩具，而毛绒玩具，一些益智类拼接玩具静态玩具具属于静态玩具。 第三类：由于玩具现在不仅仅是面向儿童了，少年、青年、成人及老人都有自己年龄阶段的玩具。所以根据玩具所面向的人群的年龄我们可以把玩具分成幼儿玩具、少年玩具、成年人玩具、老人玩具等。第四类：由于玩具的作用的不同可以根据其功能给其分类，大致可分为益智类玩具 、启蒙类玩具，观赏性玩具。1.6 课题研究的目的及意义 人和世界的关系很奇妙，我们在思考自己和世界的关系的时候我觉得没必要把物的因素排除在外，因为物本身就是我们生活的一个部分。但是物也不是全部，它只是一种条件，而不是意义本省。人与世界关系的意义是一个内涵丰

10、富、无线扩展的系统，越是丰富辽阔，就越是实现两者的高度和谐统一，如果说这种关系是通过工具和符号为中介进行建设的，那么在游戏活动中玩具的运用和选择有着不可忽略的作用。 好的玩具能够建构起儿童与世界之间的关系，引导儿童去认知这个世界，这种关系首先是一种紧密性的关系。这种关系主要是由活动的特点造成的。在儿童与玩具的玩耍活动中，结果往往直接体现数来玩具的品质的高低，所以好的玩具能够把自身和儿童很好的联系起来，并且能够贯穿在和儿童的整个游戏活动中。 本课题要讨论设计的是一种简便易拼接的八爪蜘蛛机器人，能够生动的模仿蜘蛛的运动方式，而且儿童在组装过程中可以提高其自身的动手能力还有想象能力，能够开发孩子的创

11、新思维能力和智力。1.7 课题研究的主要内容由于目前我国的机器人儿童玩具很多都是海外的，而国外的的机器人儿童玩具的价格往往都比较高。一般家庭不会选择，而且国内的蜘蛛机器人玩具还不算成熟，所以鉴于这些原因我们要设计一种适合中国小朋友的蜘蛛机器人儿童玩具。研究手段：（1）根据课题要求，设计出蜘蛛机器人儿童玩具的雏形；（2）根据设计，利用Pro/E软件绘制出三维图，并进行分析交合，使其实现仿真运行；（3）根据蜘蛛机器人儿童玩具运行的要求，选择相应的元件；2 蜘蛛机器人的总体设计蜘蛛机器人儿童玩具主要的构成部分是蜘蛛腿的传动机构、动力机构、电路机构、牙箱机构及齿轮的传动机构。蜘蛛腿的抬、落、蹬由自由度

12、为1的一个平面的连杆机构来完成。整体的运动机构机械是由2台电机相互配合及齿轮间的配合带动连杆的运动从而完成蜘蛛机器人各类动作。2.1蜘蛛机器人的工作原理 蜘蛛机器人儿童玩具核心部件是电马达，金属导体片和上电机盖 2块U形磁铁与金属外壳组成磁岗， 金属导线缠绕导电铁片组成电机芯 ，电池通过金属导片向电机芯导电，电机新通过电流改变磁场，磁铁平衡磁场是电机芯旋转11，正常马达额定电压应是45V ，通过马达的转动带动齿轮的转动，然后再通过齿轮间的传动配合从而使得蜘蛛机器人儿童玩具像蜘蛛一样运动。 图2.1工作原理图2.2蜘蛛机器人的组成设计的蜘蛛机器人儿童玩具主要由驱动马达、齿轮箱、电池、蜘蛛腿四个部

13、分组成，如图2所示。驱动电机作为动力来源带动主轴转动，主轴的转动带动蜘蛛机器人内部齿轮组的转动，这部分齿轮组是蜘蛛机器人儿童玩具能够行走的主要元件。在蜘蛛腿上脚底加上了橡胶缓冲，由于橡胶的弹性形变可以不考虑运动时的冲击，而且橡胶类的材料可以增大其与地面的摩擦力，这样使蜘蛛机器人在行走的时候能够更加的稳健。而且可以减缓蜘蛛腿的损耗。 图2.1蜘蛛机器人的组成2.3 蜘蛛腿的设计通过观察真实生活中蜘蛛腿的运动过程，再将市面上已有的蜘蛛机器人玩具及各科研机构研发的蜘蛛机器人结合起来，提出具有创新性的基于连杆机构的蜘蛛腿运动方案，机构运动图如下图2.3： 图2.3 蜘蛛机器人儿童玩具蜘蛛腿2.3.1

14、蜘蛛腿材料的选择现在市面上的大部分玩具都是用合成树脂制作的，因为合成树脂的无毒性，而且合成树脂不会像金属材料那样容易割伤手指。现在市面上的合成树脂大概可以分为两类，一种是热塑性材料，一种是热固性材料，热塑性树脂的结构式链状的线型结构，它在受热的时候易被软化，这种特性使其能够被反复的塑制。而热固型的树脂恰好相反，不过这使其能够做一些特殊产品的设计，在玩具行业中，橡胶和塑料是同一种东西。在本产品中蜘蛛腿的材料选择前者，可以节约成本，遵循可循环原则。塑料玩具不能太薄，因为太薄的话容易划伤儿童的手指。在一些变焦或者弧度的地方把厚度设计的大点，来保证玩具在摔到地上的时候所受到的力是在其承受力范围内，从而

15、减少了玩具的损坏。在本设计中蜘蛛机器人儿童玩具的蜘蛛腿的厚度设置为4mm，这样可以保证儿童在使用时候的安全。在玩具的设计过程中，要注意蜘蛛腿的材料要采用无毒的材料，因为一些儿童喜欢咬玩具的零件，要把安全性考虑进去，蜘蛛腿的连接部分一定要紧密，这样能够防止儿童吞食一些细小零件，把材料选择成无毒的材料也是出于安全性考虑。现阶段我国生产PVC一般都是采用的都是电石法和乙烯法，两者想比较的话电石法的成本比较低，但是生产出来的PVC材料质量不算好，而且对环境的污染比较大，所以选择后者生产出来的PVC材料，符合可持续发展的观念，减少对环境的污染，而且材料的安全性也得到了保障。 2.3.2蜘蛛腿静力计算计算得到在蜘蛛机器人的腿部施加3.72N的均匀载荷（整个机构重218g，2个电机总重48g，电池40g，将蜘蛛