1、设计题目要求

根据2012年全国大学生机械创新设计大赛的主题，“幸福生活——今天和明天”；并且内容为“休闲娱乐机械和家庭用机械的设计和制作”。

现有的滑板车一只脚站在车上，另一只脚在地上往复向后蹬，这样滑板车就能够持续向前运动，但如果蹬地的脚不向后蹬地，由于后轮和地面的摩擦力的作用，向前运动的能量将逐渐减少，最终停止运动。分析其原因是不能够提供连续的动力，如果人站在车上不用蹬地就可以实现动力的提供，这样滑板车就可以持续的向前运动。

2、研制背景及意义

创新是一个特殊的概念，创新的本意在于，在先前没有的基础上研究出来的产品，或是在先前已有的基础上加以改进，达到比先前更为优化的目的，而不是去照搬照抄先前已经研究过的产品。其实大自然中很多动物的运动特点都是非常科学的，对日常的观察也是非常必要的，现实生活中，模仿动物及昆虫的运动特点也是很多很多的。比如飞机的研究，就是因为人们看到鸟儿可以在天空中飞翔研发出来的。

娱乐活动已经占领了现代人的大部分业余生活，所以娱乐设施的完善是当前重要的研究项目，对于娱乐产品也要求具有创新性、实用性，这样才能被认可。当今儿童的娱乐产品在市场上需求量非常大，因为现代的社会，很多家长都非常重视自己的孩子的培养，在娱乐的同时也要锻炼自己的孩子，这也是两全其美的事情。同时游乐场里的娱乐产品也是数不胜数，很多年轻人都会在游乐场上玩的不亦乐乎。比如：在游乐场上租自行车游玩，双人自行车和多人自行车，这些都是经过单人自行车演化而来，主要为了满足人们的好奇感，利用这一特点来增加游乐场的收入。正是因为如此，利用人们的好奇心理，以及现代人的需求，开发设计出适合现代人的娱乐产品。并且学以致用，将书本上学到的知识运用到实际当中，这才是当代大学生的学习目的，也是国家培养的目的。

3、创新意识来源

本设计主要突出创新这一词，将所学的知识运用到实际中去，根据对日常生活的蚂蚱运动特点的观察，并且将蚂蚱腿的机构演化设计并制作出这款蚂蚱滑板车。此款蚂蚱滑板车就是观察昆虫蚂蚱的运动特点，并加以改进与优化，达到提供动力的作用。-仿生创新原理

蚂蚱爬行的时候，利用双足向后蹬地并收回的方式向前运动的，如图1所示，所以模仿蚂蚱的双腿，巧妙的利用棘轮原理、杆机构和作用力反作用力的理论设计出此驱动装置，将该驱动装置加到所需驱动的机械设备中（如本设计所提到的滑板车等），将蚂蚱运动机构进行优化成四杆机构，从此提供滑板车的连续向前的动力，从而可以达到驱动的作用。因此将该作品取名为蚂蚱滑板车。

图1 蚂蚱运动

4、设计方案

方案一：如图2所示，此方案设计简单，完全模仿蚂蚱的运动设计制作的，未经过任何改动，但是在调试中发现，对于不同路面效果不一样，摩擦力的地面效果比较好，对于室内及地板地面向前驱动的效果不怎么明显，分析其原因是脚后蹬踏板的力没有完全利用，当脚塌下时，棘轮的运动的行程短，并且后退的力度不够，且当踩下踏板时，棘轮对地面的摩擦力小，因此提供向前的动力也非常的弱。所以不能得到更快的行驶速度。

图2  运动结构简图

方案二：根据方案一的驱动结构特点，对其优化成四杆机构，结构方案如图3所示，此方案解决了方案一中所有的缺点，因为当脚作用在A处时，杆ＡＤ不仅可以像方案一一样延伸，并且后面的棘轮也可以由前向后的摆动，能够将动力更好的运用，此时也可以增大地面对棘轮摩擦力，并增加了行程，且减少驱动装置的体积。从此解决了小车速度慢的缺点。

图3  四杆机构驱动结构

根据以上四杆机构驱动结构，利用三维软件Pro/E进行参数化造型设计，并且对其运动过程进行仿真，根据各个参数之间的关系以及运动行程的关系进行优化处理，得出主要运动构件（四杆机构）运动的初始位置如图4所示，踏下后位置如图5所示，在此结构中增加了弹簧，作用是当脚作用在A点最远处时，通过弹簧的收缩力将棘轮拉回到初始位置，在F点设置AF杆向前运动的定位销，使每次往复运动的时候都能恢复到初始位置，在BC杆上设置一个定位点E，限制BC杆向下运动的距离，通过与AD杆接触来实现定位。

图4 初始位置

图5 踏下后极限位置

蚂蚱滑板车机构简图及各构件名称如图6，最后完善设计增加了刹车部分和滑板车的固定装置。

图6 蚂蚱滑板车机构简图

蚂蚱滑板车各构件名称如表1：

表1 蚂蚱滑板车各构件名称

根据以上结构图，在实验室完成了蚂蚱滑板车的制作，车体材料都为钢材架构，基本上为真材实料，制作后的滑板车承载重量为70kg，对于满足条件的儿童和青少年都可以放心使用，制作后的实物图片如下图7所示：

图7 制作后的实物图

此款蚂蚱滑板车无论从功能选择，结构的设计，性价比，制作工艺，创新性都就有很高的科学性。新奇感非常高，根据实际调研，所有见此款蚂蚱滑板车的人，都会进行尝试，因为这是有史以来没有见过的，所以新奇感与创新性占有很高的地位。在不久的将来，此款蚂蚱滑板车将横空出世，将会出现在娱乐产品商店以及游乐场地。

该设计巧妙的利用摇杆滑块运动特点、棘轮的工作原理，并且配合作用力与反作用力的理论，进一步将摇杆滑块机构进行演化，演化成更有利于驱动装置四杆机构，使脚提供的动力更好的运用，并且还可以拐弯，从此达到更好的驱动需要驱动的设备（正如此设计中驱动滑板车达到解决传统滑板车无法自驱动的缺点）。

5理论设计计算

5.1自由度计算

对于具有n个活动构件的平面机构，若各构件之间共构成了个低副和个高副，则它们共引入 (2+)个约束，机构的自由度F应为:F=3×(n个活动构件)－(2×低副数+高副数) =3·n－（2 +），即＝总自由度数－总约束数

得：F=3*4-2*5-1=1，F=原动件数目

所以此机构具有确定的运动。

5.２ 四杆长度确定

 四杆结构简图如图8所示，根据多种路面的试验，及电脑三维软件PRO/E的运动仿真，确定各杆长度如下：

⑴ＡＦ杆长度的选择取决于人腿弯曲舒适度范围350~450mm，选取一个适宜长度375mm。

图8 四杆结构简图

⑵D点的选取：1.如果D点趋近于C点时，力臂变小，运动同样的距离时人腿施加的力变大，做功增加；

              2.如果D点趋近于小轮时，力臂变大，当人腿施加同样的力时杆CD摆动的角度将变小，不利于更好的提供向前的动力；

综合上述两点以及人腿结构、适宜度，将D点取在杆上半部，取CD=145mm。

⑶B点的选取：当脚在A点向右下方踩时，B点以点F为圆心所形成的圆弧轨迹的大小决定棘轮向后滑行的距离，与AB长度成正比关系， B点应远离A点，且需满足四杆机构运动要求，大的行程，考虑到极限位置A、B重合时不利于弹簧将CD杆顺利拉回原位置，则选取AB=91mm。

⑷E点防止杆机构超过极限位置和机构不能顺利被弹簧拉回，经调试选取CE=110mm。

综上分析：四杆长度：AB=91mm，BC=475mm，AD=525mm，CD=145mm

          满足运动条件：最小杆长+最大杆长≤其他两杆长之和。

即：AB+AD≤BC+CD 得：91+525﹤475+145（如果取等的情况下四杆机构可以完全伸直）

注:杆长度为两铰链中心距离，BF和DG可设计成伸缩可调，就更能方便调整高度，适应不同身高的人得驾驶。

5.3棘轮轮的设计

因为最后面的轮为棘轮，市场上没有卖这种轮，所以将市场上所买到的胶皮轮经加工与自行车后面的飞轮过盈配合装配而成的。棘轮轮轮设计图纸如下图9所示：

图9 棘轮轮设计图纸

6、工作原理

 普通滑板车只能靠一只脚在地上向后蹬地，另一只脚在车上，所以不具有自驱动的能力，在正常骑此滑板车时，一脚站在踏板车上，另一脚循环塌下后面的脚踏板，因为最后面的小轮是棘轮，所以当两杆伸直时，棘轮不会旋转，此时利用棘轮相对地面的摩擦力的反作用力推动小车前进，然后抬起后脚，利用弹簧的弹性势能，棘轮向前转动，并将两杆回到初始位置，如此连续踩踏，小车将连续前进，结构简图如图6所示。

7、 创新点及应用

7.1创新点

巧妙的利用棘轮的工作原理，及四杆机构的运动特点和作用力与反作用力的理论，使动力更好的运用，从而达到驱动滑板车的目的。

该蚂蚱滑板车是仿生蚂蚱向前运动的特点设计，相对现有滑板车具有以下创新点：

（1）增加了脚踏加速装置，操作者不用蹬地，连续踩踏滑板车上的踏板，小车将连续前进。

（2）速度快慢自如掌握，具有刹车装置，下坡自如。

（3）结构设计巧妙，运用四杆机构，及棘轮的工作原理。

（4）娱乐，环保，锻炼，时尚于一体。

此驱动结构不单单只能用于滑板车，也可以用到其他需要驱动的设备之上，比如下图10所示的旱地冰车：

图10旱地冰车

7.2应用

这款蚂蚱滑板车，儿童以及青年人群都可以玩耍，不仅能起到娱乐生活的作用，除此之外可以达到提高儿童的平衡协调能力，提高小脑的平衡能力，娱乐性非常高，并且设计巧妙，功能突出，价格低廉，性能性价比高，外表美观，工艺性好，工薪阶层家庭都可以支付的起。此款滑板车还适用于游乐场地，更好的发挥改滑板车新奇感及娱乐性，并且可以为管理游乐场人员创造利益等……，所以此款设计滑板车具有很高创新性与娱乐性及很高的应用价值。

此设计的蚂蚱滑板车，不仅起到娱乐生活的作用，除此之外可以达到提高儿童的平衡协调能力，提高小脑的平衡能力，娱乐性非常高，并且设计简单，但是巧妙，价格低廉，此款滑板车还可以销售于游乐场地，可以更好的发挥该滑板车新奇感及娱乐性，并且可以为管理游乐场人员创造客观利润等……。

产品主要材料：钢铁材质。

动力：动力踏杆，四杆机构。

产品功能：运动、娱乐、健身，休闲。

产品适合人群年龄段：5周岁及以上人员。产品承载重量：70公斤。

思考题：设计其它滑板车驱动装置，写出设计过程。利用实践环节完成。

滑板车驱动装置设计，⑴传统的脚踏底面⑵自驱动⑶电机驱动

蚂蚱运动过程：先锁住后腿，不让打开。然后蓄力，增加肌肉的弹性势能；达到需要的强度后突然解锁，势能转化为动能，蚂蚱就蹦起来了。