课程设计 机械玩具

2021年2月27日发(作者：恋足文章)

专业方向课程设计计算书
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1
1.
课题研究的目的意义及国内外研究概况：

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1.1
课题来源
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1
1.1.1
项目背景

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1
1.1.1.1
开发智力

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1
1.1.1.2
刺激各器官反应

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2
1.1.1.3
协调身体机能

.................... ..................................
2
1.1.2
本方案的提出
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2
1.1.3
本项目研究的内容及意义

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3
1.1.4
课题来源

........................ ........................................
3
1.2
课程设计目的

........................ ......................................
3
2.
课程设计题目
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3.
国内相关研究发展现状

.
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4
4.
原理方 案设计
........................................... .................
5
4.1
可遥控益智球形玩具的设计要求

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5
4.2
可遥控益智球形玩具的系统组成及工作原理

.
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6
4.2.1
可遥控益智球形玩具的系统组成

........................................
6
4.2.2
可遥控益智球形玩具的工作原理

.
.......................................
6
4.3
方案设计的可行性分析

.
........ .............................................
7
4.3.1
滚动时方向控制单元仿真分析

.
.........................................
7
5.
传动零件设计计算

.
........... ............................................
9
6.
优化设计
.............................. ................................
10
6.1
旋翼单元
..................................... ...........................
11
6.2
传动单元
..................................... ...........................
13
6.3
方向控 制单元
........................................... ..................
13
6.4
旋紧、压紧机构
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14
6.5
快插机构
............. .................................................. .
15
6.6
水平限位机构
................... ..........................................
15
7.
结论
................................ ..................................
16
参考资料
..................................... ...............................
17
设计小结
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18
致

谢
........................................ ...................................
18


专业方向课程设计计算书

1.

课题研究的目的意义及国内外研究概况：

1.1

课题来源

1.1.1
项目背景

众所周知，玩具是儿童成 长的过程中必不可少的玩伴。在我国儿童玩具的所有组成部分中，
益智玩具一直都是消费者最关心的一类 。
因为益智玩具在儿童成长的过程中能起到普通玩具所不
能达到的作用：益智玩具能够协调儿童 的身体机能、刺激大脑活动、开发智力等等。在现在与未
来的家庭中儿童是家庭的中心，每一个家长都希 望自己的孩子在小伙伴中脱颖而出。随着家长们
对孩子情商、智商培养的逐渐重视，益智类玩具逐步走俏 市场。



图
1.1
儿童玩游戏的场景


益智类玩具具有以下功能：

1.1.1.1
开发智力

严格的说，
益智玩具应该分为少儿益智玩具和成人益智玩具，
虽然两者的界限不是非常 明显，
但还是应该加以区分。所谓益智玩具，不管是少儿类的还是成人类的，顾名思义都是可以让我们< br>在玩的过程中开发智力增长智慧的玩具。
益智玩具是否真的具有益智的功能呢？据英国皇家科学< br>院研究发现，经常玩益智玩具的人，比不玩的人平均智商高出
11
分左右，大脑开放性思 维能力
较高；
美国医学专家也发现，
50
岁以前开始玩成人益智玩具的人老年 痴呆的发病率只有普通人群
的
32%
，而从小就玩益智玩具的人发病率不到普通人群发 病率的
1%
。


1

1.1.1.2
刺激各器官反应

其实除了开发智力外，益智玩具还有更多的 功能。
比如刺激功能发展，
设计的颜色鲜艳，线
条吸引人的益智玩具可以刺激孩子的视 觉；
而一握就响的
“
响环
”
、
按键就发出各种动物声音的< br>“
小
钢琴
”
等能刺激孩子的听觉；滚动的彩色球能培养孩子的触觉。因 此，不同的益智玩具是辅助孩
子认识世界的有效工具，帮助他们配合身上各种感官的反应，来接触和认知 新奇的万事万物。

1.1.1.3
协调身体机能

此外，益智玩具 还具有协调身体机能的作用，例如孩子将一盒积木砌出图形，除了要用脑，
还要有手的配合，这样通过玩 益智玩具，训练并逐渐建立起孩子的手脚协调、手眼配合等身体机
能；具有练习社交活动的作用，孩子在 跟他们的同伴或父母玩益智玩具的过程中，不知不觉间在
发展他们的社会关系，即使他们在合作或竞争中 容易产生执拗和争吵，实际上他们正在发展合作
精神和学习与人分享的心理，为日后融入社会打下基础。 同时，语言能力、情绪释放、动手能力
等都得到一定提高。

在益智类玩具中，球形玩 具以其独特的外形，
可靠的安全性，
运动的独特性，日益受到广大
消费者的喜爱。
1.1.2
本方案的提出

现今，
儿童智力的开发已越来越 受到家长的重视，
开发儿童智力的方式也层出不穷。
部分益
智玩具虽然设计巧妙，但安 全性不可靠，或轻或重地损伤儿童的身心体健康，有的甚至是终身伤
害；而另一部分虽然能益智，但操作 繁琐，不容易实现其最终效果和目的。所以既简单又易行的
益智玩具在当今社会极其需要。而飞行类玩具 和球形类玩具都是十分理想的益智类玩具，将飞行
类和球形类通过简单机构将两者的益智优势合理地结合 是本方案的特点，
它通过遥控手柄控制飞
行器的飞行及转向，充分锻炼娱乐游玩者的手眼协调能 力，而想要进行球形机器人的行走条件需
要操纵者自己组装，又锻炼其动手能力，既简单易行，又起到开 发智力的作用。

经常玩遥控玩具可以培养孩子们的眼、脑、
手的配合。孩子们的大脑 处于发育阶段，经常玩
遥控玩具，可以提前锻炼孩子的眼睛、手脚和大脑的配合，促进孩子们的智力发育 ，培养孩子的
空间想象力。玩遥控玩具还可以培养孩子们探索未知世界的兴趣。很多孩子对遥控玩具很感 兴趣
的一个原因是对遥控玩具的好奇，想搞清楚是什么原理，一般会自己动手拆开来看究竟，锻炼了孩子动手的能力，特别是遥控飞机这类产品，最容易吸引孩子们的目光。有些孩子还会研究遥控
玩具 的操作原理，
查找书籍资料，
从而培养了孩子们的学习兴趣和爱好，
影响孩子们的成长 道路。

2

许多科学家的成长历程可以证明，孩提时代的玩物可以决定孩 子们将来的志向。遥控类产品其实
并不是孩子们专利，很多老年人也喜欢玩，许多老年人内心深处还是很 童真的，可以买回去和孙
子们一起玩，对开阔老人们的心境是一个很好良药。

本方案 设计的可遥控益智球形玩具的方向控制单元打破常规思想，
通过齿轮带动偏心质量块
是球壳的重 心发生偏转从而实现改变方向的作用，其旋翼机构也变为可伸缩、折叠式的，其外形
更是一种胆大的挑战 和创新，并将飞行器与球形机器人进行大胆地结合使用，巧妙地集中了益智
的特点。

1.1.3
本项目研究的内容及意义

本项目对国内外的产品进行了综合分析 ，
并根据儿童智力开发的实际情况，
设计了一款采用
无线遥控控制的益智球形玩具，以 球形壳体为本体，以电机为动力源，通过双旋翼机构来提供升
力，以偏心质量块的偏转来控制方向，既可 以在空中飞行，又可在地面行走，是一款集飞行与滚
动行走为一体的益智娱乐设备。

为了实现上述功能，本项目研制的可遥控益智球形玩具具备以下特点：

1.3.1< br>可遥控益智球形玩具通过可伸展式双层螺旋旋翼，实现从球壳内到球壳外展开并进行
飞行的功能；

1.3.2
可遥控益智球形玩具的方向控制部分由齿轮齿条机构组成，通过齿轮带动 质量块的偏
心实现改变方向的作用；

1.3.3
可遥控益智球形玩具的球壳 上镶嵌有齿条，通过减速电机带动齿轮转动，实现可遥控
益智球形玩具的滚动行走功能；
1.3.4
可遥控益智球形玩具有旋紧及压紧机构，保证飞行机构和行走机构快速结合，并保证其可靠性。

本项目研究的益智类球形玩具，不仅为儿童智力的开发工作提供一种有效地、 可靠的益智设备，
也可用于成年人娱乐，以及老人玩乐，老年人常玩益智类玩具可防止老年痴呆症的发生 。

1.1.4
课题来源

指导教师制定课题。

1.2
课程设计目的

本课程设计是使现代机械设计方向的学生全面、系统地 掌握和深化机械设计类
课程的基本知识、
基本理论与基本方法的专业性、
综合性实践教 学环节。
其作用和目

3

标是：

3.1通过工程设计过程各主要环节的训练，
使学生树立正确的设计思想，
了解现
代机械 设计技术及其在实际工程中的应用，
掌握一般机械设计的基本方法和技能，
培
养观察、 提问、分析和解决问题的独立设计工作能力，训练设计构思和创新能力。

3.2
培养 学生综合运用机械设计类课程及其他有关先修课程的知识、
理论与方法
分析和解决机械设计问题 的能力，以进一步巩固、深化、扩展所学到的理论知识，并
使理论知识与生产实践紧密结合。

3.3
培养学生的计算机辅助设计能力、现代设计理论与方法的运用能力和标准、
规范 、
手册、
图册及网络信息等有关技术资料的查阅与运用能力，
为今后成为高级机
械设计工程技术人员进行基本技能和基本素质训练。

2.

课程设计题目

可遥控益智球型玩具

3.

国内相关研究发展现状

目前市场上的益智类玩具主要有以下三类：球形玩具、遥控飞 机、飞行器，如图
3.2
所示。
球形玩具中的组合类和变形类玩具都属于拼插类玩具， 容易丢失零部件。现有的飞行方式有螺旋
旋翼的，
通过一对主旋翼旋转提供升力，
同时 通过一对小旋翼控制升力的方向，
及贝尔
-
希拉操纵
方式，具体操纵方式为： 主旋翼桨叶转动时会产生与空气相对的上升气流，自然形成升力。在利
用旋翼的旋转速度与各桨叶的角度 变换，
致使飞机完成起飞、
升高、
降落等多种不同的飞行动作。
遥控直升机向 前飞行，是由于各桨叶在不同位置时，按固定规律变化所产生的。旋翼产生的拉力
相对于旋转轴向前倾斜 ，摇动遥控直升机前进。使遥控直升机向左向右飞行也是同样的道理。遥
控直升机飞行方向改变时，基本 原理是利用尾旋翼的可变角度产生的。因为主旋翼旋转时机身会
产生扭力作用，
扭力作用使机身 不停的转圈，
无法正常飞行。
所以必须加一个尾旋翼来抵消扭力，
平衡机身不旋转，但 单靠尾旋翼来平衡是不够的，这就需要使用陀螺仪了，它可以根据机身的摆
动多少，自动做出补偿给伺服 器，去改变尾旋翼角度，平衡机身。从而达到控制直升机的目的。
直升机的大多数性质如稳定性、灵活性 等都是通过这种操纵方式实现的。

飞机是通过机翼产生升力，
以支持飞机在空中飞行 ，
同时机翼也起到一定的稳定和操作作用，
当然还利用了尾翼，此尾翼分为水平尾翼和竖直尾翼 ，平尾翼由固定的水平安定面和可动的升降
舵组成，有的高速飞机将水平安定面和升降舵合为一体成为全 动平尾。垂直尾翼包括固定的垂直

4

安定面和可动的方向舵。尾翼的作用是操纵飞机俯仰和偏转，保证飞机能平稳飞行。









图
3.2
遥控飞行器与组合、插拼式变形球形玩具


它们具有以下不足点：

?

球形玩具：
玩法单一，适用人群较窄；

?

遥控飞机：
机翼不能折叠，占用空间大；

?

飞行器：
控制方式复杂、造价昂贵。

4.

原理方案设计

现在的飞行类玩具样式繁多，
其飞行及转向原理基本相似，< br>其功能比较简单，
只能完成单项
需求，为此我们研发了一种以无线遥控为操纵方式、借用 球形机器人方向控制的原理，通过偏心
质量块来改变方向，并将球形机器人巧妙容纳于其中，形成了新型 的益智玩具。本章将对可遥控
益智球形玩具的飞行控制、
传动原理、
方向控制原理进行 了详细的阐述，
并给出了总体设计方案。

4.1
可遥控益智球形玩具的设计要求

本项目提出了一种外观独特、玩法 新颖、操作简单、稳定性好、娱乐性强，且能在在空中飞
行、地面上全方位运动的新型机械玩具。为达到 该目的，本方案设计需满足一下要求：

4.1.1
整体尺寸小，易于携带，方便不同位置的转移；

4.1.2
适应性强，便于在不同的场合进行游玩；


5

4.1.3
操作简单，短时间内就能熟练操控游玩；

4.1.4
该方案设计安全可靠，工作稳定，适应较广的群众。

4.2
可遥控益智球形玩具的系统组成及工作原理

4.2.1
可遥控益智球形玩具的系统组成

本项目的技术方案是：可遥控益 智球形玩具主要由旋翼单元、
传动单元、
方向控制单元、上
下球壳等组成，如图
4.1
所示

旋翼单元
旋紧机构
电池
传动单元
左 右齿轮
齿条机构
配重块
前后齿轮
齿条机构
方向控制单元
方向 控制单元
2:1
压紧机构
球壳
减速电机
图
4.1
可遥控球形玩具总体方案图

4.2.2
可遥控益智球形玩具的工作原理

镶嵌在球壳上的齿轮导轨通过轴承与球壳形成转动副 ，
方向控制单元的内部电机驱动行走齿
轮沿齿条运动，在摩擦力的作用下使球壳绕转动副转动， 从而实现球形玩具的行走功能；方向控
制单元的内部电机驱动转向轮沿齿轮导轨运动，使球体的重心发生 偏移，实现球形玩具的转向功
能；当球形玩具飞行时，如图
4.2
所示，通过旋转式锁 扣进行快速解锁，将球壳上部分卸下，通
过伸缩机构将机翼螺旋桨伸出球壳外，到达设定位置伸开旋翼； 当球形玩具不工作时，如图
4.3
所示，可通过折叠机构和伸缩机构将旋翼单元折叠在球壳内部 ，再旋紧旋紧机构，将上下球壳固
定在一起，如图所示，节省了空间，方便玩具储存；上下旋翼各由一个 电机驱动，且转向相反，
依靠下方配重块的偏转实现飞行姿态的调整。


6


图
4.2
可遥控益智球形玩具飞行姿态图


图
4.3
可遥控益智球形玩具存储姿态图

当球形玩具需要在地面 滚动时，
我们旋转压紧机构，取下旋翼单元、
传动单元以及机架，再
将上下球壳通过旋 紧机构可将上下球壳连接在一起，这样本玩具就变为一个可遥控的球形机器
人，如图
4.4所示。在滚动时的滚动及方向控制也是依靠方向控制单元完成的。


图
4.4
可遥控益智球形玩具滚动姿态图

当可遥控益智球形玩具 飞行时，
旋翼单元转动为其提供升力，
方向控制单元可调节其飞行时
的姿态；当其在地 面滚动时，方向控制单元可控制其滚动方向。

4.3
方案设计的可行性分析

4.3.1
滚动时方向控制单元仿真分析

为了验证球形玩具滚动时方向控制单元的可控，
了解方向控制单元滚动时的受力情况，
我们
利用
adams
对滚动状态下的球形玩具进行了运动分析，以下是球形玩具的仿真 结果及曲线。

根据仿真，球形玩具直线行走时的位移曲线如图
4.5
所示。


7


图
4.5
直线行走位移曲线

如图
4.6
所示为球形玩具在转向时的速度曲线。


图
4.6
转向时的速度曲线

如图
4.7
所示为球形玩具在转向时的加速度曲线。


8