關于一種休閑機械玩具馬的設計研究

呂相艷 李建永 孫麗霞 范久臣 李海連

（北華大學機械工程學院，吉林 吉林132021）

0 引言

隨著人們消費水平的提高，動物玩具已成為兒童消費者玩具中的一個必須品。四足動物騎行玩具，以其獨有的逼真動作和外觀，再加上能夠滿足兒童騎行等一系列體驗娛樂功能，成為了如游樂園、公園、超市等公共娛樂場所必有的娛樂玩具。自古以來，馬便是能力、圣賢、有作為的象征，因而也成為玩具設計者和玩具企業首選的靈感來源。市面上眾多騎行玩具都以馬作為模仿對象而設計研發出來的。目前市場上現有兒童玩具馬主要存在以下不足：多動力輸入，協調控制要求高；馬蹄著地時間短，不能有效地前進；多以前后腿輪滑為主，仿生效果不明顯等。為此，本文提出一款具有四腿交叉邁步功能的仿生機械玩具馬，可供兒童乘騎娛樂。

1 休閑機械玩具馬的總體方案設計

針對現有玩具馬所存在的不足，基于仿生設計的思想，對休閑機械玩具馬展開了深入的設計研究工作。為解決多動力輸入的問題，該休閑機械玩具馬采用充電電池驅動單電機為整個系統提供動力，主動力通過前后兩個雙曲柄機構和齒輪變速機構分成四個分動力，分別為玩具馬的四條腿提供動力，并由鋼絲閘線充當連桿的柔性曲柄搖桿機構巧妙的實現了馬腿的曲伸邁步與著地走路功能。該玩具馬主要由動力傳輸單元、行走執行單元、質心調節單元、馬體等幾部分構成。機械玩具馬的總體方案如圖1所示。

圖1 玩具馬總體方案示意圖

2 休閑機械玩具馬的結構設計

該休閑機械玩具馬的結構設計主要包括動力傳輸單元結構設計、行走執行單元結構設計、質心調節單元結構設計等。

2.1 動力傳輸單元結構設計

休閑機械玩具馬的動力傳輸單元主要由電機、V型帶輪、V型帶、曲軸、前曲軸、后曲軸、連桿、雙聯不完全齒輪、鏈輪、鏈等組成。通過V型帶傳動將電機的動力傳遞給曲軸，曲軸通過連桿將動力傳遞給前后兩曲軸，分別安裝在前后兩曲軸上的兩對雙聯不完全齒輪將運動傳遞給行走執行單元；同時后曲軸通過鏈傳動將運動傳遞給質心調節單元。動力傳輸單元的結構如圖2所示。

2.2 行走執行單元的的結構設計

休閑機械玩具馬的行走執行單元主要由腿桿、小腿馬蹄、肌肉塊、連桿、鋼絲閘線、柔性曲柄齒輪、邁步曲柄齒輪、上軸、下軸、曲軸等組成。行走執行單元的結構如圖3所示。休閑機械玩具馬的協調行走功能主要是通過由大腿桿1、2等構成的四桿機構、無急回特性曲柄搖桿機構和以鋼絲繩充當連桿的柔性曲柄搖桿機構等實現的。

圖2 動力傳輸單元的三維結構圖

圖3 行走執行單元三維結構圖

2.3 質心調節單元的結構設計

休閑機械玩具馬在行走過程中四腿交叉邁步呈N形順序，為提高其行走時的平穩性和安全性，因此以電池作為質心配重塊進行質心調節，通過后曲軸、鏈輪、鏈、凸輪、擺桿等機構使其達到質心調節的目的。質心調節單元的結構設計如圖4所示。

圖4 質心調節單元整體三維結構圖

3 休閑機械玩具馬的結構設計總結

基于仿生設計的思想，對休閑機械玩具馬進行了詳細的設計，突出的優點在于：

1）休閑機械玩具馬具有模仿真實動物馬四腿交叉邁步的仿生功能，玩具馬由單電機輸出的動力，通過前后雙曲柄機構和不完全齒輪變速機構分別為玩具馬的四條腿提供動力，實現了四腿的協調交叉邁步功能，并由鋼絲閘線充當連桿的柔性曲柄搖桿機構,巧妙的實現了馬腿的曲伸邁步與著地走路功能，增加了仿生效果和玩具的娛樂性。

2）休閑機械玩具馬具有質心調節功能，提高了騎行時的安全可靠程度，玩具馬結合馬腿邁步節奏巧妙地利用了電池充當質心配重塊，通過凸輪擺桿機構實現了質心調節功能，提高了兒童騎馬時的安全可靠性。