“福娃”玩具行走機構方案分析、選擇及設計

摘 要：“福娃”是一款兩足步行玩具，它借鑒了北京奧運吉祥物“福娃”的外形，通過單片機控制步進電機電機驅動兩足行走，并配備語音芯片播放群星演唱的奧運歌曲“北京歡迎你”。“迎奧運福娃”（兒童玩具）設計開發的主要內容：（1）步行機構的設計；（2）傳動機構的設計；（3）步進電機控制方案的設計；（4）語音芯片的設計選擇；文章著重介紹玩具行走傳動機構的介紹及選擇。

關鍵詞：行走機構；齒輪傳動；步進電機；傳動比

1 行走機構方案比較

行走動作機構如圖1所示，左右腳之桿直接與曲軸相連，由電機輸出力矩和轉速，帶動曲軸轉動，依靠腳底板與地面的靜摩擦力，使曲軸回轉運動來實現雙足步行運動，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律。

圖1 步點圖

1.1 曲軸連桿機構及步進電機齒輪傳動方案

兩組行走機構的動作是導桿機構中的曲柄擺塊機構，圖2所示為動作原理圖和動作機構圖。機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芯箱壁上。當曲軸轉動時，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節。

兩走行走機構的運動平穩性是關鍵，因此行走速度不能太快，行走速度取決曲軸的轉速；腿的邁不動作幅度不能過大，否則影響運動平穩性。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。

1.2 步進電機及傳動機構

步進電機是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執行元件。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。本玩具設計要求電機有良好的啟停、調速、正反轉性能，步進電機是最好的選擇。

本設計采用一級齒輪傳動。齒輪傳動一種常用的機械傳動方式，具有效率高、結構緊湊、工作可靠、壽命長、傳動比穩定等優點。

1.3 方案分析選擇

綜上所述，方案一整體機構緊湊，傳動效率高，成本低，所設計的圓錐齒輪在制造成本較高，方案二結構簡單，電機易于控制，齒輪傳動效率高。結合本設計要求，奧運福娃玩具的動作機構玩具行走的速度不高，轉速、扭矩、功率皆不大，同時需實現機構不同速度行走、前進倒退，轉速較低，故選擇控制較容易的方案二，由步進電機提供動力，經過一級齒輪傳動，由曲軸輸出轉速和扭矩。

2 齒輪傳動系統的設計計算

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構和傳動方案，計算如下：

整體重量估算G=0.4kg×0.98N/kg=0.392N；齒輪傳動效率：經驗測定，一般機械效率大致數值為：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 計算傳動裝置的運動和動力參數

2.1.1 各軸轉速：電動機軸為0軸，輸出軸曲軸為1軸，兩軸轉速為1、2軸最大轉速N1max= N2max=1.3r/s；0軸最大轉速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 各軸轉矩

2軸轉矩T1max 0.000306N*m

1軸轉矩T1max=T1max/η=0.000306Nm/0.98=0.0003122N*m

0軸轉矩T0max=T1max/η×η=0.000306Nm/0.96=0.000N*m

2.2 玩具齒輪設計

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

（1）玩具中應用的齒輪為1mm以下的小模數齒輪。大多在0.4～0.6之間。

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

（3）由于玩具強調動作的靈活性，不要求嚴格的運動規律、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

（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。圓柱齒輪按結構又可分為標準齒輪、單聯齒輪（齒片）和雙聯齒輪。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在玩家中應用最廣，該材料具有優異的綜合性能，強度、剛度較高，抗沖擊、疲勞、蠕變性能較好，10000次交變負載的作用后疲勞強度可達35MP，自潤滑性能優良，摩擦系數小且耐磨型號，吸水小，產品尺寸穩定。

（4）選大齒輪齒數z1=z2=40

2.2.2 計算各尺寸參數

模數m1=m2=0.5；分度圓直徑D=mz，d1=d2=20；齒頂高ha=m=0.5；齒根高hf=1.3m=6.5；全齒高h=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；齒側圓弧半徑ρ=3m+0.1m（Z-20），ρ1=ρ2=3.5；齒頂圓弧半徑ρa=0.4m+0.002（Z-34）m，ρa1=ρa2=0.212；分度圓調節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度校核

（1）確定公式內的各計算數值

a.載荷系數K=1；

b.分度圓圓周力矩T0 max=0.0003122N*m；

c.查文獻得YFa=2.80，應力校正系數YSa=1.55

（2）計算

查閱資料：工程塑料PA6的彎曲強度[？滓F]=90Mpa。？滓F<[？滓F]設計滿足齒根彎曲強度要求。

參考文獻

[1]唐介.電機與拖動[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2]張建民.機電一體化系統設計[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]王曉明.電動機的單片機控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[4]趙克，高晗瓔.混合式步進電動機正弦波微步驅動設計[J].微特電機，2006（2）：25-27.

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

[6]房玉明，杭柏林.基于單片機的步進電機開環控制系統[J].電機與控制應用，2006，33（4）：61-64.