傳統旋轉娛樂設備改造設計及運動參數的安全性分析

李睿，郭枳邑，張曉峰，韓博

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傳統旋轉娛樂設備改造設計及運動參數的安全性分析

李睿1*，郭枳邑2，張曉峰1，韓博3

（1.大連民族大學 機電工程學院，遼寧 大連 116600；2.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206；3.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168）

針對傳統旋轉木馬這種娛樂設備單調乏味的缺陷進行了改造設計，利用齒輪連桿機構實現了騎具復雜的運動軌跡和多變的速度與加速度，增加了娛樂設施的趣味性。該設計可以根據訂單調節運動機構的各項參數。通過對運動機構的仿真分析，使位移速度以及加速度實現了可視化，并且根據數據曲線圖對機構的安全性進行了分析。

娛樂設備；旋轉木馬；齒輪連桿機構；運動分析

隨著當代社會人們對娛樂活動要求的日趨提高，旋轉木馬這項曾經風靡一時的游樂項目由于其機構運動形式的單調乏味，漸漸失去了對人們的吸引力。旋轉木馬只是騎具繞公共軸公轉的同時，單個騎具在垂直方向的往復直線運動和勻速自轉運動的復合，這種規律可預測的運動形式是造成游客失去游玩興趣的主要因素，因此使該設備中騎具運動軌跡復雜化和加速度變化多樣化成為改造設計的關鍵點。

通過研究發現，齒輪連桿機構可以產生無規則的運動路線和復雜多變的加速度。因此，本次改造設計在傳統旋轉木馬的基礎上，利用齒輪連桿機構作為騎具分運動的實現機構，并將馬的形狀改造為斗牛的形狀，不僅可以實現該設備的改進，還可通過改變齒輪齒數和連桿長度定量地調節運動形式，這樣更易于根據客戶的需求進行定制型的改造[1-2]。這種可以忽上忽下左右不定的復雜隨機軌跡運動與斗牛的曠野外形非常匹配，讓游客難以預測，從而保證了新穎的娛樂特性。

1 整體機構方案設計

1.1 騎具公轉運動機構設計

騎具的公轉運動參考了現階段產品即傳統旋轉木馬的旋轉機構的設計。公轉運動由大圓盤帶動各個騎具實現，圓盤上方均勻布置6個騎具，如圖1所示，騎具由緊固件固定在大圓盤上。圓盤下方安裝圓形大齒圈，齒圈的回轉運動可以由4個電動機通過小齒輪帶動實現，為了減少摩擦和保證傳動平穩，圓盤下面安裝車輪可以在圓形軌道上運動。

圖1 騎具公轉運動機構簡圖

1.2 騎具分運動機構設計

在滿足運動要求的前提下，為了使機構盡量簡單，節約設備成本，選擇在騎具正中矢狀面內做運動軌跡的設計研究，這樣也易于更改方案而滿足面向客戶訂單設計的需要[2]。騎具的分運動采用齒輪連桿機構，即兩個互相嚙合的齒輪上各鉸接一根連桿。比如在圖2（a）中1點和1'點處各鉸接一個連桿，并在A處安放騎具，如圖2（b）所示。

圖2 騎具分運動機構簡圖

這種機構簡單，卻可以實現A點處復雜的運動軌跡，而且通過改變各部件的尺寸，可以控制軌跡的變化[3-4]。A點處運動軌跡、速度與加速度等運動指標可以通過調整齒輪的模數、齒數、傳動比、連桿長度、連桿與齒輪鉸接端到齒輪中心的距離等參數改變。其中，齒輪分度圓直徑的大小影響整體機構尺寸和運動速度、加速度；齒輪傳動比影響運動軌跡的循環周期；連桿一端到齒輪中心的距離，影響軌跡形狀；連桿長度，影響整體機構的高度和軌跡形狀。

2 機構的運動學分析

娛樂設備的設計軌跡要有一定的復雜性，周期要比較長，不能在短時間內重復運動以免乘客產生單調乏味的感覺。軌跡的尺寸即運動幅度應控制在一定的范圍內，具體數值可以面向訂單確定，騎具整體要有一定高度，盡量使乘客的身體距離地面一米左右，這樣游樂性可以大大增強。

騎具運動速度方面的要求：不要突然改變速度方向，以免產生急停急走的感覺，速度曲線要平滑轉變，并且速度的范圍要盡量廣泛，以滿足各個人群與愛好的乘客使用[5]。

從游客乘坐舒適度的角度考慮限制運動的與向加速度，向的加速度向上和向下都不能過大，如果超過一個重力加速度，乘客會感到恐懼和不適，甚至眩暈跌落騎具。向下加速度如果超過，乘客會完全脫離騎具產生危險[5-6]。向加速度可根據實際情況適當選取，也可面向訂單定制。

為了使運動軌跡可視化，對于騎具機構的運動采用MATLAB軟件進行仿真，將抽象的信息圖形化，可以使數據信息非常容易理解，有利于更有效地探索機構運動規律。

本研究中采取了兩組方案，如表1所示。對比分析不同機構參數下騎具的運動軌跡、速度和加速度的變化情況，大圓盤公轉運動的轉速由游樂場負責機構確定，轉速通常比較低，所以以下只研究A點處騎具的相對運動參數。

表1 運動機構主要尺寸數據

2.1 A點的運動軌跡圖像

從圖3中可以看到，前后運動的范圍在700 mm左右，適合小型旋轉游樂設備的運動幅度，運動高低變化在350 mm左右，運動曲線比較復雜，屬于包含小弧度與大弧度的結合光滑曲線。一個周期內在矢狀面內的運動軌跡復雜且不重復，用于游樂設施會讓乘客充滿樂趣和好奇感。兩個方案對比發現，方案一的縱向位移變化幅度大、變化頻率較高，包含7個波峰，從50 mm變化到360 mm，方案二的縱向位移變化幅度稍小，從170 mm變化到400 mm，包含5個波峰。

圖3 A點運動軌跡曲線圖

2.2 運動速度分析

從圖4（a）可看出騎具運動速率最大值不超過1000 mm/s，平均速率在350 mm/s，兩種方案一個周期內速率變化曲線都包含6個波峰，說明速率變化多樣又不至太快引起人體恐懼[7]。

從圖4（b）（c）對比可以看出橫向運動的速率變化沒有縱向復雜，這樣可以防止乘客產生暈車的感覺，并且有增添了娛樂的趣味性[8]。

2.3 計算加速度圖像

圖5可看出運動加速度在合理范圍內，縱向加速度絕對值小于0.25 m/s2，保證乘客不會有類似失重的不適感，且身體不會脫離騎具[7]。

3 結論

本設計對旋轉木馬運動軌跡進行了詳細的模擬設計，以達到更好的娛樂效果。給出了運動軌跡的設計立意、設計具體方法，以及仿真模擬辦法。通過設計立意確定設計方案，通過模擬仿真優化設計方案的一系列內容。設計利用了MATLAB、SolidWorks等仿真建模軟件，通過對運動參數尺寸的嚴格設計指導工程圖紙的機構設計。

斗牛機構的軌跡設計有著很多可調參數，可以適應實際客戶的需求，各個零件的設計，本著低成本、易于制造的原則。在三維建模之后給出實際可行的設計方案圖紙。

本設計軌跡多變，具有極高的可定制性。采用開放性設計，易于改裝加工，適合市場適用發展。

圖4 運動速率曲線圖

圖5 運動加速度曲線圖

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Modification Design of Traditional Rotary Recreation Equipment and the Safety Analysis of Motion Parameters

LI Rui1，GUO Zhiyi2，ZHANG Xiaofeng1，HAN Bo3

( 1.College of Electromechanical and Information Engineering, Dalian Minzu University, Dalian 116600, China; 2.School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 3.Shenyang Siasun Robot Automation Co.,Ltd, Shenyang, 110168, China)

The article in view of the traditional merry-go-round that the defect of tedious entertainment equipment retrofit design, using the gear linkage mechanism to realize the motion trajectory of riding with complex and changeable, velocity and acceleration of increase fun of entertainment facilities. The design can adjust the parameters of the sports organization according to the order of order. Through the simulation analysis of the motion mechanism, the displacement velocity and acceleration are visualized, and the security of the mechanism is analyzed according to the data curve diagram.

entertainment equipment；merry-go-round；gear connecting rod mechanism；geared linkage mechanism；motion analysis

TP242.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.009

1006－0316 (2018) 07－0036－04

2017－11－24

遼寧省教育廳項目（L2014545）

*通訊作者：李睿（1980－），女，遼寧鞍山人，博士，講師，主要研究方向為機構動力學。