蜘蛛机器人儿童玩具与仿真

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1 引言

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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1.1

1.1 儿童玩具的概念

什么是玩具呢？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，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

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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，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

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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

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具 、启蒙类玩具，观赏性玩具。

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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。

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2.1蜘蛛机器人的工作原理

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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4－5V ，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。

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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 蜘蛛腿材料的选择

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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，将蜘蛛机器人的总重量定为298g,蜘蛛机器人八条腿的手机均匀，腿部经过过肩板沟槽与主机架接触，假想受力均匀，故每个腿受3.72N的压力）；在蜘蛛腿的底部处受到地面3.72N的支持力；在齿轮约束处应考虑到有摩擦阻力矩，假设阻力是随角速度线性变化的，M?c??,取c?18N?mm/(deg/sec),共5个扭转阻力。

可以列出平面力系的力矩平衡方程，有：

其中T为需要求的曲柄处从电机输入到主轴的转矩。

用SolidWorks Motion分析得到不同相位时对应的T的值如下图：

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图2.4 不同相位时曲柄转矩变化

图上可以看出，当曲柄静止在某一相位角时，所需要最高转矩400N·mm，为来支撑机身。若假设蜘蛛腿是匀速运动的 ，以此为依据计算电机功率，则当马腿3s一周期时，电机需要提供5w的功率;以1s为一周期时，需要15W。 2.3.3 蜘蛛腿腿运动协调分析

因为本设计中蜘蛛机器人的八条蜘蛛腿两两对称，所以可以取其中一边四条蜘蛛腿经行运动协调分析。

四腿离地距离随时间变化如上图所示：“1-2-3-4-1”一个周期内，“4-1-2”过程X速度分量沿X正向，此时蜘蛛腿有向下的趋势，这个过程中占相位需要大于180o，这样蜘蛛机器人才能够向前行走。进行四肢运动协调分析的主要目的是为了确保在一个运动周期内，运动过程中蜘蛛机器人最长的两条腿始终不在同侧这样才能够使得蜘蛛机器人在后蹬的过程中行走稳定，不至于出现倾倒显现。在此基础上，尽量使处于下瞪状态的那条蜘蛛腿腾空，这样才能方便此蜘蛛腿的下一部动作。在两台电机的配合下，怎么样安排蜘蛛机器人八只腿的动作需要在实际的运动中不断的调试和演练才能够确定，这样才能够保证其实际行走效果。

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图2.5 蜘蛛腿离地距离随时间变化

2.4 齿轮的设计

因为本产品面向的人群是儿童，而儿童的好奇心比较大，所以再设计齿轮部分的时候要主要考虑到安全性，防止儿童在游戏的过程中由于不慎造成事故。因而在设计玩具安全性中要注意：第一，儿童玩具的材料必须是无毒的；第二，形状结构必须没有尖锐的形式需是光滑；第三玩具结构应合理、牢固。

本设计中齿轮材料使用PVC材料，齿轮的表面尽量没有尖锐形态，而且齿轮的连接处保证结实稳定，不易脱落。

在整个蜘蛛机器人的设计中，齿轮在其中有着不可忽略的作用，因为本产品因为面向的人群是儿童所以限制了其体积不需要太大，为了儿童的安全方面着想在齿轮的选择方面应该选择模数较小的齿轮。根据计算及软件分析最后决定采用两个传动齿轮组。

在查阅了资料后，最终决定采用模数0.4齿轮，将压力角压力角?定为20。

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(GB/T?1357?1997)

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列出各计算公式：分度圆直径 d?m?z

安装中心距离a?(z1?z2)*d/2

基圆直径db?dcos?

在本设计中传动部分的齿轮主要采用的还是支持圆柱齿轮，因为这类的齿轮的模数较小，且它的种类非常多，容易购买，易于生产。齿轮设计一般对齿轮的质量还有尺寸方面的要求比较高，但是对强度，还有磨损寿命这方面的要求不高。按照《机械设计》减速器的设计步骤及要求对其来进行强度校核，提出具有创新的齿轮系的设计思路：

图2.6蜘蛛机器人齿轮结构

处于安全性的考虑，蜘蛛机器人的结构需要紧凑以防止其掉落造成事故，这需要对其分度圆的直径有所要求，越小越好。但是分度圆直径小了容易造成根切。如果齿轮发生根切，那么就需要对其进行正变位。现在我国在齿轮上面的加工技术还不够太完善，加工小模数齿轮比较有难度，这样会增加此款设计的成本给加工带来困难，使

（1-z/zmin）得产品的制作成本变高。根据公式xmin?ha*选最小齿轮齿数20，ZB=51。齿E为直径最大的齿轮，根据实际的测量机运动分析，可以假设轴和底板距离25mm左右，这样对蜘蛛机器人的固定件的强度要会求小些，使得在材料上的花费会少些，制作成本上也少了很多。因此d的取值需要小于40mm，又因为i2=2,所以齿轮F2不能太小。最后得到ZE=30、ZF2=38，满足i2≈2,ZE不取是从大、小齿轮的齿数最好互为质数，这样来保证齿轮的磨损比较均匀，延长齿轮的使用寿命。在齿轮组的设计中需满足

ZD/ZF1=ZE/ZF2，选齿轮为30个齿；,可得传动装置的总传动比为：i=nm/nw=30/20=1.5

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各级传动比分配取一级圆柱齿轮传动比i1=1.5,则二级圆柱齿轮传动比为：

i2=i/i1=6/3=1.26，i1和i2符的大小都符合一般齿轮减速器的正常范围。

2.5 电动机的选择

2.5.1 电动机的工作原理

电动机是应用运用电磁感应原理的电磁机械。用于将电能转换成蜘蛛机器人儿童玩具工作时所需要的机械能。电动机达到电动的作用是依靠在多匝线圈，多对磁极的作用下的原理。电动机在工作的时候从供电系统吸收电功率，然后再向机械系统输出机械功率。这个过程中直流电动机通过直流电流的线圈在磁场的作用下，产生电磁转矩，在电磁力的作用下动下点击实现定向旋转，通过靠近N极和S极的线圈总是恒定的电流，这样会使得电磁转矩的方向不变，从而使电机达到持续旋转的效果。 2.5.2 电动机的主要组成

电动机主要是由定子、转子和其它附件组成。定子就是静止部分，它又可以分为定子铁心、定子绕组；转子是其旋转的部分，它分为转子铁心、转子绕组两种。 2.5.3 电动机的分类 1．根据电机工作电源分类：

现阶段电动机主要分为直流电动机和交流电动机，这种分类是看电动机工作的时候是在上面的电源的种类。 2．根据电机结构和工作原理分类：

电动机还可以根据其结构来分类，一般可以分为驱动电动机还有同步电动机，在同步驱动电机中还有磁阻同步驱动电机、磁滞同步驱动电机、永磁同步驱动电机。在直流驱动电机里面根据电机的工作原理，电机又可以分为无刷直流电机还有有刷直流电机。

3．根据电机起动和运行方式分类：

现阶段电机的运行主要方式有电容启动式、电容盍式、电容起动运行式和分相式。可以根据其启动的方式的不同分类。 4．根据电机的用途分类：

电机的用途很广泛，可以用在遥控赛车，火箭。汽车等等，我们可以根据其用途把其分为驱动电动机和控制电动机，驱动电机一般就是运用在汽车、玩具赛车及一些机械设备方面的电机。控制电机一般可分为步进电机还有私服电机等多种电机。从 5．根据转子的结构分类：

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感应和绕线转子感应电机。 6．根据运转速度分类：

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现在市面上的电机的转子分为笼型还有绕转型转子，这样可以把电机也分为笼型

根据电动机的转速的不同可以分为四个等级不同的电机、分别为：高速电机、低速电机、恒速电机和调速电机。 2.5.4 电机类型的选择

如果电机容量过大，那么电机的效率就会很低，使得电机容量不能充分利用造成容量浪费；如果容量太小会造成电机过热，减少电机寿命。电动机里面还有一部分绝缘材料。这部分绝缘材料的最高的允许温度限制了电机的最高允许温度，假如在电机工作时，电机的工作温度超过其允许的最高温度，那样绝缘体的寿命将会随着电机温度的升高而减少，电机每升高则8℃，意味着电机的寿命也就减少一半。因此我们必须选择合适的容量的电机，当然，在容量选择的时候，还要考虑电机类型，电流的类型，电机速度等因素。

（1）先从重量说起：由于本款蜘蛛机器人玩具是提供给儿童使用所以不需要多中的电机，选择24g交直流小电动机。

（2）转速：在本设计中直流电机转速一般为12000转/分才能够达到蜘蛛机器人行走

速度的要求。

（3）使用寿命；正常情况下，交流电动机的使用寿命都比直流电动机的使用寿命高，但是无刷直流电动机的使用寿命比一般的交流电动机都要长。

直流驱动电机在工作的时候可以快速的无极限速度的启动而且可以随时的制动和反转，而且直流电机的过载能力也很大，能够承受的住频繁的冲击，在本设计中蜘蛛机器人儿童玩具在攀爬的过程中会多次的出现过载情况。而且直流电机调速性能也较好，可以实现平滑、准确的调速，并且其可调节的范围也比较广，蜘蛛机器人儿童玩具的电动机的工作特点是可以快速的启动，不需要对其进行调速，而且还需要一定的承载力，所以设计中采用用直流电动机来驱动蜘蛛机器人儿童玩具。

直流电动机是依靠直流工作电压运行的电动机，广泛应用于录音机、影碟机、传真机、按摩仪、吹风机、电脑、玩具等。在直流驱动电机中，永磁式直流驱动电动机的磁极才聊用的是永磁材料，这样抱保证了电机所需要的磁源，取代了电磁式电动机中的线圈式的磁极，使得电机在转动的过沉重能够平稳，而且在用一次是直流电机中因为不需要使用励磁线圈，所以耗电量少了，电机发热也少了，极大地延长了电机使

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了。

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用的时间，而且这样也使得电机损耗的能量少了。从而电能所转化的动能也更加完全

综上：蜘蛛机器人儿童玩具的驱动电机选则永磁直流驱动电机。 2.5.5 电机型号的选择

驱动电机应在满足机械载荷的要求的这个前提下，要选择最经济、最合适的驱动电机，若功率太大，投资也会随着增大，不仅会造成浪费资源，而且会经常因为欠载而停止运行，影响工作效率；若功率太小了，驱动电机会发生过载运行的情况，这会使驱动电机烧坏，会缩短电机的寿命。

根据上面的计算，可以计算出蜘蛛机器人儿童玩具在工作时的阻力，计算如下： F?F1?F2 =7.45N 线速度：

v=ωR

?2πnR/60

=2*3.14*12000*0.0001752 =13.2m/s

负载功率：

Pv=Fv

=7.45*13.4 =98.5w

电动机的额定功率Pd：

Pd≥Pv，且留有一定的余量， 取 Pd=1.3Pv =1.3*98.5 =128.05W

查阅参数表如图2-7最终选择驱动电机的型号为：130型小电机

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表2-7 130点击参数表

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数据如下：转速：12000转/分 功率：130W 电压：6V 电流：0.5A 重量：24g

该类电动机的特点是：体积小，使用寿命长，噪声小，有内部零件的通用化程度高。国内可以进行生产，而且因为是国产的，价格会比较适中，维修更换简单，使用也方便。

2.6牙箱的设计

根据测量算得最后一个齿轮路所带动的连杆的转动半径为26，其运动速度大概通 过测量得到的是0.6m/s，此时求得转速齿轮的转速n?v600??200(r/min) 3.14d3.14?52选用12000r/min的电动机牙箱的总传动比为I=12000/400=30通过传动比算，再加实 际的操作需要及SolidWorks的分析我们决定使用两级传动机5:4玩具内部的传动部 分中，有两个传动齿轮组共4个齿轮。

图2.7传动齿轮组示意图

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3 设计软件

3.1 SolidWorks软件介绍

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在本设计中采用的事SolidWorks软件，随着科学技术的不断发展，计算机技术也得到很大的改进，每个行业都有属于自己的设计软件和方法，现今，三维实体造型设计越来越广泛的运用实际设计中。由于SolidWorks 的三大特点：功能强大、易学易用和技术创新。使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 的智能性，能够给与设计者很多种选择方案，精确的三维建模过程中能够减少在设计中的错误，从而以提高产品的质量。SolidWorks具有绘制二维草图、实体零件建模、曲面特征建模、工程图生成、零件装配及Pro/NC加工等功能，并且它的优点很多，多功能化、全面性及高效化等多种优点，更是吸引了很多设计者，并将它广泛地应用在机械、模具、自动化、汽车等等的各机电行业中。在本设计中最后的误差分析及运动仿真SolidWorks都可以完成，减少了很多不必要的工作。SolidWorks软件里面有专门设计塑料的这个模块比较方便，还有 灯画钣金，普通二维机械图，模具模块在后期的分析过程中很节约时间，其装配过程也比较简便，还可以出三视图、剖视图，现在从事机械设计工作中有必要掌握这款软件，因为它集各种制图软件优势于一体，比较节约劳动力。 3.2 CAD软件介绍

CAD一开始是由由美国通用汽车公司和波音航空公司自行开发一套绘图软件，广泛的应用在各个领域，存在到现在已经接近40年了依旧是主流的一款画图软件，其功能比较强大，能够绘制二维图，剖面图。半剖图等，而且其安装要求比较低，对电脑的配置要求不高，比较普遍化，而且CAD在标注方面很方便，尺寸都很标准，有对应的指令对图纸进行绘制。现在的图纸绘制中CAD是不可缺少的一款软件，他的规范化的标注还有简便的操作是它一直被大家选择的原因。在绘制本设计的二位图纸过程中感觉到了其需要掌握技术的全面性，这款软件作为一个从事机械类的工作者是不可缺少的一个得力帮手。

4 图纸

本设计中蜘蛛机器人儿童玩具的SolidWorks装配图纸及零件图纸如下：

本款设计蜘蛛机器人儿童玩具整体的装配效果如图4.1

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图 4.1 蜘蛛机器人儿童玩具的装配效果

蜘蛛机器人儿童玩具设计中用拉伸、抽壳、镜像来创作蜘蛛机器人的电动机部分实体模型如图4.2

图4.2蜘蛛机器人电动机

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蜘蛛机器人的设计中运用到了阵列、拉伸切除、来创作蜘蛛机器人的齿轮组部分，分别画出齿数为20 30 38的三个齿轮，它们的实体模型如图4.3

图4.3 齿轮

蜘蛛腿是蜘蛛机器人儿童玩具设计中比较中演的一个部分，在此部分的设计中运用到了拉伸、镜像等命令完成了对蜘蛛腿的设计，实体图模型见图4.4

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图4.4蜘蛛腿

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齿轮的实际装配效果见图4.5

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图4.5齿轮组

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本设计中最重要的一部分齿轮的电源部分，由两个电池盒组成运用到了拉伸、抽壳、倒圆角、镜像等特征命令完成电源部分的绘制实体模型见图4.6

图4.6电池盒

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的外挡板的实体模型如图4.7

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齿轮的外挡板运用了拉伸、镜像、倒圆角等特征命令操作来创作的，蜘蛛机器人

图4.7外挡板

5 作品创新点及应用前景

5.1 作品创新点

（1）腿部行走机构的创新

蜘蛛机器人的平面连杆机构优美修长，很好地模拟了蜘蛛腿的真实腿骨，仿生效果好；脚板始终与地面接触保证了蜘蛛机器人的稳定性。而且在蜘蛛机器人的脚部加了橡胶制的皮套增加了其余地面的摩擦，使其行走的时候更加稳健，而且根据SolidWorks分析出来的数据八只蜘蛛腿之间的配合更加合理，是电能能够充分的转化为动能。

（2）传动机构的创新

直线采用双电机驱动的蜘蛛机器人的驱动力，使得电路的结构变的简化了，而且蜘蛛机器人在行走过程中不会出现步伐错乱的情况，而且蜘蛛腿采用的传动机构，保

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耗。

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证了其在行走时的稳定性。采用了齿轮传动的方式较为合适的传动比减小了能量的损

（3）机器人材料的创新

采用PVE材料和传统的儿童玩具相比增加了儿童玩具牢固性，增加了其使用时间。而且材料能够寻欢利用，符合当下的可持续发展的观念。也节约了成本。

（4）机器人的安全性的创新

在本设计中蜘蛛机器人的各连接件都采用PVE材料，尽量减少使用螺钉螺栓，因

为儿童在平时的游戏中易吞食这些小零件，齿轮间的连接也比较牢固，增加的机器人玩具的安全性。 5.2 应用前景

根据本款蜘蛛机器人儿童玩具的模型，有很大的延展性，大家可以根据不同的需要将其按照一定的比例进行放大或者缩小来达到自己的要求。满足不同的目的。家长可以将其缩小一定的尺寸，增加遥控设备，较小的外形可以作为儿童的启蒙道具。在军事上可以将其放大一定的倍数，改变材质，例如可以使用钢材，可以应用在军事上，将其改造成一个排爆机器人或者改造成灾后搜救机器人。或者可以从造型上面出发可以给本款蜘蛛机器人价格比较好看的壳子，这样能够增加其对儿童的吸引力，这样更加能够促发儿童与其游戏。

本产品现阶段有较强的拓展性和适应性，本款蜘蛛机器人的结构很简单，生产起来比较方便，而且材料都比较便宜，批量生产也是可行的。但是现在本快设计还不算完善，现阶段只是个开端，但是我相信，在现有的基础上进行拓展，是能够设计出更加有意义的设计的。

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结束语

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做毕业设计就是要对我们所学到所有的知识进行一次全面的总结，但我刚拿到毕业设计的课题的时候，但是觉得一点头绪都没有，不知道从哪里着手开始做，感到很忙然。于是我就先去收集了一些与我所做的课题相关的资料，在初期，我对食物垃圾粉碎机的了解只是限于我所找到的那些有限文字资料，如发展现状，前景等等。到后面才渐渐的进入到状态，有了思路。

在本次设计中，研究内容如下：

因为蜘蛛机器人儿童玩具是一款面向儿童的玩具产品，在设计中既要考虑到此款产品对儿童智力的开发作用，而且因为其面对的对象是儿童，其安全方面是必须要考虑进去的，所以我要对蜘蛛机器人的外观、材料进行具体的设计分析，而蜘蛛机器人又是驱动电机提供的动能，带动旋转的，所以还要选择驱动电机的类型和型号。

此次设计，使我对以前学的知识进行了一次总结，提高了我的绘图的能力，从一开始对solidworks的不知所措，再到最后的灵活运用，是我受益匪浅。在本次设计中学到了做什么事情都要有着恒心，而且学术方面的研究必须要严谨，认真。

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参 考 文 献

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[1] 肖勇.八足蜘蛛机器人的设计与仿真[D]. 安徽: 中国科技大学,2006.5.1 [2] 刁彦飞、王艳飞. 仿生蜘蛛爬行机构设计探索[M]. 北京: 运用科技, 2004.3

[3] 坂本范行. 轻轻松松制作机器人DIY[M]. 北京：科学出版社， 2010.6 [4] 坂本范行. 双足步行机器人DIY[M]. 北京：科学出版社， 2010.6

[5] 坂本范行. 双足步行机器人制作入门[M]. 北京：科学出版社， 2010.6 [6] 靳桂芳. 机动玩具设计原理与实例[M]. 北京：化学工业出版社， 2005

[7] 梁梅、马泽生. 玩具设计师[M]. 北京：中国劳动与社会保障出版社， 2006 [8] 梁梅、马泽生. 高级玩具设计师[M]. 北京：中国劳动与社会保障出版社， 2006

[9] 渠川珏、李国斌. 玩具机构设计与运用[M]. 北京：化学工业出版社， 2009 [10] 廖林清、王化培. 机械设计方法学[M]. 重庆：重庆大学出版社， 1996 [11] 姜琪. 机构运动方案及机构设计[M]. 北京：高等教育出版社， 1991 [12] 邹慧君. 机构运动方案设计手册[M]. 上海：上海交通大学出版社， 1994 [13] 邹慧君. 机构原理课程设计手册[M]. 北京：高等教育出版社， 1998 [14] 邹慧君. 机构系统设计[M]. 上海：上海科学技术出版社， 1995 [15] 王玉新. 机构创新设计方法学[M]. 天津：天津大学出版社， 1996

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致谢

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本次毕业设计大约经过了3个多月的时间。首先，要感谢的是我的指导老师吴粉

祥，我要予他最诚挚的感谢，是他一步一步指导我并且一直督促我，使我按时完成了这次毕业设计。从刚开始的开题报告，他一次一次的帮我纠正错误，不管是内容上的错误还是格式上的错误；然后再到绘制蜘蛛机器人solidworks图纸，是他启发了我，使我能根据自己的认识与了解，来设计蜘蛛机器人儿童玩具；接着就是蜘蛛机器人儿童玩具二维图纸了，在图纸的标注及二维图纸的出图，花费了半个多月时间，耗时也是最长的，是他的谆谆教导，让我对这个以前一无所知的任务从无到有，能够独立的设计。另外他也给我推荐了很多有关课题的书籍，也只是因为如此，我才能在这么短时间内完成，因为这样我就不会像无头苍蝇一样，不知道自己改参阅哪些书了，毕竟有关机械的书籍实在是太多了。另外吴师学识渊博、治学严谨而且平易近人，让我能很从容应对各种问题。

其次我还要感谢我的同学们，有些同学是我们的榜样，他们总是很认真，当然，他们的进度也一直领先着我，而当我遇到问题或者麻烦的时候，我就可以找他们寻求帮助，他们也是很耐心的指导着我；还有一些同学，他们可能不能经常指导我，但是他们能督促我，是他们一早上就把我叫醒，叫我去实验室进行毕业设计，不然我的进度可能会赶不上，他们也一样重要。

毕业设计的完成也预示着我大学生活即将结束，我还想在走一遍校园，来回忆这 几年在大学的点点滴滴。我体会到了老师们以及同学们对我的关心，感谢他们在日常生活给我中的帮助。再次感谢！

由于我的学术水平有限，所以在本片论文的完成中难免有不足之处，恳请给位老师给予批评和改正。

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