国家二等奖作品“毛毛虫玩具小车”

文章来源：发布日期：2012-09-03浏览次数：

毛毛虫玩具小车

设计者：杜京城，刘兵，滕瑶，韩学磊

指导教师：段清娟，李团结

（西安电子科技大学机电工程学院，西安710126）

作品内容简介

毛毛虫玩具小车的想法最初来源于蠕虫机器人，蠕虫类机器人以其广泛的应用前景成为仿生学的研究热点。本作品利用简单而精巧的机械结构，结合机电一体化技术，最终设计出一款小巧可爱的毛毛虫玩具小车。作品成本很低，造型小巧，显得童趣十足，兼具娱乐性和科学性。

毛毛虫玩具由三个相同的、设计精巧小车组合而成，中间以弹簧相连，采用MSP430单片机作为控制系统，模仿毛毛虫的特殊运动形式。首先，对于每个小车而言，我们采用微型马达作为原动机，以连杆机构为传动机构，棘轮机构作为执行机构。其中，止爪的设计独特巧妙，车体结构也特殊且小巧，最终实现单个小车前后轮周期性的间歇运动，模仿毛毛虫每一小节身体的运动情况。其次，我们采用单片机输出电机控制信号，分别协调三个小车的运动，以实现类似于毛毛虫的蠕动效果。最后，我们为玩具小车穿上了可爱的毛毛虫外形的外套，使得作品的效果更加形象逼真。

在材料及加工方面，我们选择质量轻、强度较高、价格便宜的亚克力板作为制作车体及连杆的主要材料；车轮及轴采用铝作为制作材料，经车床加工而成；棘轮采用激光切割加工而成。

本作品设计和制作原理清晰合理，适合模块化的加工生产。如果能更好的控制成本，其可爱的外形和程序化的功能将具有很大的娱乐休闲用途和广阔的市场。此外，毛毛虫小车作为对蠕虫机器人的一种探索形式，对未来生物科学的研究和发展也有着重要的意义。

关键词：毛毛虫机电一体化机器人小车棘轮

1 研制背景及意义

娱乐游戏是儿童的天性，玩具是儿童的天使。青少年在游戏娱乐中自我学习、自我教育、自我实践，既丰富了知识、提高了求知欲，又培养和锻炼了他们的集体意识和社交能力，是青少年社会化成长中的重要实践活动。经过30年的改革开放，我国青少年娱乐玩具的种类从单调走向丰富、从手工制作走向高科技控制，娱乐的发展从户外走向室内、从参与集体活动为主走向单人独自玩乐为主，其发展变化的过程反映了整个国家政治、经济、文化的发展和变化。

一款老少皆宜又独特创新的玩具，既可以给孩子的童年增添美好的回忆，又可以在钢筋水泥的社会使得一家人一起其乐融融的休闲娱乐，颇具人性色彩又不乏科学性。

毛毛虫玩具小车正符合了这样一种设计思想，利用简单而精巧的机械结构，结合机电一体化技术，成本很低，造型小巧。此外还采用单片机输出电机控制信号，分别协调三个小车的运动，以实现类似于毛毛虫的蠕动效果。以其独特的创新设计和连贯的运动动作完成了其他玩具所不具备的科学性和娱乐性。显得童趣十足，十分可爱。（如图一所示）

2 设计方案

2.1 整体设计

在图2所示的单个车体中，连杆一为主动杆，直接连电动机,可以做整周回转运动，故为曲柄。当电动机带动连杆一运动时，连杆一带动连杆二运动，从而使左右车体运动。其中左右车体之间通过合页连接，可以实现角度的张合。

同时，前后车轮均各有一个棘轮与之固连，由于止爪的存在，小车轮子只能向前转动。因此，当小车两块车体角度变大时，后轮止动，前轮向前转动；当两块车体角度变小时，前轮止动，后轮向前转动。如此循环，单个小车便可完成行走的动作。（图2 为单个小车）

其中，车体三维图中各编号的含义如表1所示：

三个小车之间我们采用弹簧相连，当两个小车的间距发生变小时，弹簧便会向上拱起，以模仿毛毛虫运动时身体拱起的形状。

此外，为了美观，我们给三个小车制作了一件毛毛虫衣服，缝在三个小车上，以期更可爱、更逼真、更具娱乐性。

2.2 传动部分设计

针对小车的传动部分，我们采用如图3所示的平面四杆机构，以实现两块车体之间的张合动作和小车周期性行走。

连杆一为曲柄，能做整周回转运动，与电动机直接相连。连杆一的周期运动，最终可以使车体一和车体二的夹角周期性变化。

2.3 棘轮设计

为了使车轮只能单向转动，我们设计出了棘轮和巧妙的止爪。棘轮具有齿形表面，与车轮固连，配合具有一定弹性的止爪，便可实现单向转动的功能。

 棘轮

棘轮齿数过少会导致运动不平稳，齿数过多则齿高会很短，不利于与止爪配合，我们设计了如下的棘轮模型：

止爪

止爪对于整个小车系统来说是十分关键的一环，也是小车能否真正实现“行走”的关键。止爪需要具备合适的刚度，太大会导致即使正向，棘轮也无法转动；刚度太小也会导致无法止动。实验多种材料之后，我们利用回形针，设计出了如图5所示的非常巧妙，效果非常好的止爪。

2.4 连接部分设计

 车体的连接

左右车体之间可以相互转动，方便起见，我们选用家庭中常见的合页作为连接部件，如图7所示。

如图8所示，由于电机轴是扁平的，我们采用安装紧定螺钉的方法固定电机轴。

连杆一和连杆二的连接

采用螺栓相连，利用螺栓的光杆部分，使两个连杆可以相互转动，构成转动副。再利用两个螺母反转锁死，固定位置。

连杆二与车体的连结

采用螺栓相连，利用螺栓的光杆部分，使连杆能相对车体转动，构成转动副，如图9所示。

2.5 电路模块设计

为了协调三个小车的运动，使前后小车的间距出现周期性的变换，以便弹簧可以类似毛毛虫地拱起。我们需利用单片机控制三个小车的电机。单片机输出一定规律电机控制信号，三个电机便可分别间断运动，反复调解电机控制信号，直至三个小车运动配合到令人满意的程度。此外，为了美观，我们还为毛毛虫配备了眼睛——两个蓝色的LED灯。