1、設計題目要求

根據2012年全國大學生機械創新設計大賽的主題，“幸福生活——今天和明天”；并且內容為“休閑娛樂機械和家庭用機械的設計和制作”。

現有的滑板車一只腳站在車上，另一只腳在地上往復向后蹬，這樣滑板車就能夠持續向前運動，但如果蹬地的腳不向后蹬地，由于后輪和地面的摩擦力的作用，向前運動的能量將逐漸減少，最終停止運動。分析其原因是不能夠提供連續的動力，如果人站在車上不用蹬地就可以實現動力的提供，這樣滑板車就可以持續的向前運動。

2、研制背景及意義

創新是一個特殊的概念，創新的本意在于，在先前沒有的基礎上研究出來的產品，或是在先前已有的基礎上加以改進，達到比先前更為優化的目的，而不是去照搬照抄先前已經研究過的產品。其實大自然中很多動物的運動特點都是非常科學的，對日常的觀察也是非常必要的，現實生活中，模仿動物及昆蟲的運動特點也是很多很多的。比如飛機的研究，就是因為人們看到鳥兒可以在天空中飛翔研發出來的。

娛樂活動已經占領了現代人的大部分業余生活，所以娛樂設施的完善是當前重要的研究項目，對于娛樂產品也要求具有創新性、實用性，這樣才能被認可。當今兒童的娛樂產品在市場上需求量非常大，因為現代的社會，很多家長都非常重視自己的孩子的培養，在娛樂的同時也要鍛煉自己的孩子，這也是兩全其美的事情。同時游樂場里的娛樂產品也是數不勝數，很多年輕人都會在游樂場上玩的不亦樂乎。比如：在游樂場上租自行車游玩，雙人自行車和多人自行車，這些都是經過單人自行車演化而來，主要為了滿足人們的好奇感，利用這一特點來增加游樂場的收入。正是因為如此，利用人們的好奇心理，以及現代人的需求，開發設計出適合現代人的娛樂產品。并且學以致用，將書本上學到的知識運用到實際當中，這才是當代大學生的學習目的，也是國家培養的目的。

3、創新意識來源

本設計主要突出創新這一詞，將所學的知識運用到實際中去，根據對日常生活的螞蚱運動特點的觀察，并且將螞蚱腿的機構演化設計并制作出這款螞蚱滑板車。此款螞蚱滑板車就是觀察昆蟲螞蚱的運動特點，并加以改進與優化，達到提供動力的作用。-仿生創新原理

螞蚱爬行的時候，利用雙足向后蹬地并收回的方式向前運動的，如圖1所示，所以模仿螞蚱的雙腿，巧妙的利用棘輪原理、桿機構和作用力反作用力的理論設計出此驅動裝置，將該驅動裝置加到所需驅動的機械設備中（如本設計所提到的滑板車等），將螞蚱運動機構進行優化成四桿機構，從此提供滑板車的連續向前的動力，從而可以達到驅動的作用。因此將該作品取名為螞蚱滑板車。

圖1 螞蚱運動

4、設計方案

方案一：如圖2所示，此方案設計簡單，完全模仿螞蚱的運動設計制作的，未經過任何改動，但是在調試中發現，對于不同路面效果不一樣，摩擦力的地面效果比較好，對于室內及地板地面向前驅動的效果不怎么明顯，分析其原因是腳后蹬踏板的力沒有完全利用，當腳塌下時，棘輪的運動的行程短，并且后退的力度不夠，且當踩下踏板時，棘輪對地面的摩擦力小，因此提供向前的動力也非常的弱。所以不能得到更快的行駛速度。

圖2  運動結構簡圖

方案二：根據方案一的驅動結構特點，對其優化成四桿機構，結構方案如圖3所示，此方案解決了方案一中所有的缺點，因為當腳作用在A處時，桿ＡＤ不僅可以像方案一一樣延伸，并且后面的棘輪也可以由前向后的擺動，能夠將動力更好的運用，此時也可以增大地面對棘輪摩擦力，并增加了行程，且減少驅動裝置的體積。從此解決了小車速度慢的缺點。

圖3  四桿機構驅動結構

根據以上四桿機構驅動結構，利用三維軟件Pro/E進行參數化造型設計，并且對其運動過程進行仿真，根據各個參數之間的關系以及運動行程的關系進行優化處理，得出主要運動構件（四桿機構）運動的初始位置如圖4所示，踏下后位置如圖5所示，在此結構中增加了彈簧，作用是當腳作用在A點最遠處時，通過彈簧的收縮力將棘輪拉回到初始位置，在F點設置AF桿向前運動的定位銷，使每次往復運動的時候都能恢復到初始位置，在BC桿上設置一個定位點E，限制BC桿向下運動的距離，通過與AD桿接觸來實現定位。

圖4 初始位置

圖5 踏下后極限位置

螞蚱滑板車機構簡圖及各構件名稱如圖6，最后完善設計增加了剎車部分和滑板車的固定裝置。

圖6 螞蚱滑板車機構簡圖

螞蚱滑板車各構件名稱如表1：

表1 螞蚱滑板車各構件名稱

根據以上結構圖，在實驗室完成了螞蚱滑板車的制作，車體材料都為鋼材架構，基本上為真材實料，制作后的滑板車承載重量為70kg，對于滿足條件的兒童和青少年都可以放心使用，制作后的實物圖片如下圖7所示：

圖7 制作后的實物圖

此款螞蚱滑板車無論從功能選擇，結構的設計，性價比，制作工藝，創新性都就有很高的科學性。新奇感非常高，根據實際調研，所有見此款螞蚱滑板車的人，都會進行嘗試，因為這是有史以來沒有見過的，所以新奇感與創新性占有很高的地位。在不久的將來，此款螞蚱滑板車將橫空出世，將會出現在娛樂產品商店以及游樂場地。

該設計巧妙的利用搖桿滑塊運動特點、棘輪的工作原理，并且配合作用力與反作用力的理論，進一步將搖桿滑塊機構進行演化，演化成更有利于驅動裝置四桿機構，使腳提供的動力更好的運用，并且還可以拐彎，從此達到更好的驅動需要驅動的設備（正如此設計中驅動滑板車達到解決傳統滑板車無法自驅動的缺點）。

5理論設計計算

5.1自由度計算

對于具有n個活動構件的平面機構，若各構件之間共構成了個低副和個高副，則它們共引入 (2+)個約束，機構的自由度F應為:F=3×(n個活動構件)－(2×低副數+高副數) =3·n－（2 +），即＝總自由度數－總約束數

得：F=3*4-2*5-1=1，F=原動件數目

所以此機構具有確定的運動。

5.２ 四桿長度確定

 四桿結構簡圖如圖8所示，根據多種路面的試驗，及電腦三維軟件PRO/E的運動仿真，確定各桿長度如下：

⑴ＡＦ桿長度的選擇取決于人腿彎曲舒適度范圍350~450mm，選取一個適宜長度375mm。

圖8 四桿結構簡圖

⑵D點的選?。?/span>1.如果D點趨近于C點時，力臂變小，運動同樣的距離時人腿施加的力變大，做功增加；

              2.如果D點趨近于小輪時，力臂變大，當人腿施加同樣的力時桿CD擺動的角度將變小，不利于更好的提供向前的動力；

綜合上述兩點以及人腿結構、適宜度，將D點取在桿上半部，取CD=145mm。

⑶B點的選?。寒斈_在A點向右下方踩時，B點以點F為圓心所形成的圓弧軌跡的大小決定棘輪向后滑行的距離，與AB長度成正比關系， B點應遠離A點，且需滿足四桿機構運動要求，大的行程，考慮到極限位置A、B重合時不利于彈簧將CD桿順利拉回原位置，則選取AB=91mm。

⑷E點防止桿機構超過極限位置和機構不能順利被彈簧拉回，經調試選取CE=110mm。

綜上分析：四桿長度：AB=91mm，BC=475mm，AD=525mm，CD=145mm

          滿足運動條件：最小桿長+最大桿長≤其他兩桿長之和。

即：AB+AD≤BC+CD 得：91+525﹤475+145（如果取等的情況下四桿機構可以完全伸直）

注:桿長度為兩鉸鏈中心距離，BF和DG可設計成伸縮可調，就更能方便調整高度，適應不同身高的人得駕駛。

5.3棘輪輪的設計

因為最后面的輪為棘輪，市場上沒有賣這種輪，所以將市場上所買到的膠皮輪經加工與自行車后面的飛輪過盈配合裝配而成的。棘輪輪輪設計圖紙如下圖9所示：

圖9 棘輪輪設計圖紙

6、工作原理

 普通滑板車只能靠一只腳在地上向后蹬地，另一只腳在車上，所以不具有自驅動的能力，在正常騎此滑板車時，一腳站在踏板車上，另一腳循環塌下后面的腳踏板，因為最后面的小輪是棘輪，所以當兩桿伸直時，棘輪不會旋轉，此時利用棘輪相對地面的摩擦力的反作用力推動小車前進，然后抬起后腳，利用彈簧的彈性勢能，棘輪向前轉動，并將兩桿回到初始位置，如此連續踩踏，小車將連續前進，結構簡圖如圖6所示。

7、 創新點及應用

7.1創新點

巧妙的利用棘輪的工作原理，及四桿機構的運動特點和作用力與反作用力的理論，使動力更好的運用，從而達到驅動滑板車的目的。

該螞蚱滑板車是仿生螞蚱向前運動的特點設計，相對現有滑板車具有以下創新點：

（1）增加了腳踏加速裝置，操作者不用蹬地，連續踩踏滑板車上的踏板，小車將連續前進。

（2）速度快慢自如掌握，具有剎車裝置，下坡自如。

（3）結構設計巧妙，運用四桿機構，及棘輪的工作原理。

（4）娛樂，環保，鍛煉，時尚于一體。

此驅動結構不單單只能用于滑板車，也可以用到其他需要驅動的設備之上，比如下圖10所示的旱地冰車：

圖10旱地冰車

7.2應用

這款螞蚱滑板車，兒童以及青年人群都可以玩耍，不僅能起到娛樂生活的作用，除此之外可以達到提高兒童的平衡協調能力，提高小腦的平衡能力，娛樂性非常高，并且設計巧妙，功能突出，價格低廉，性能性價比高，外表美觀，工藝性好，工薪階層家庭都可以支付的起。此款滑板車還適用于游樂場地，更好的發揮改滑板車新奇感及娛樂性，并且可以為管理游樂場人員創造利益等……，所以此款設計滑板車具有很高創新性與娛樂性及很高的應用價值。

此設計的螞蚱滑板車，不僅起到娛樂生活的作用，除此之外可以達到提高兒童的平衡協調能力，提高小腦的平衡能力，娛樂性非常高，并且設計簡單，但是巧妙，價格低廉，此款滑板車還可以銷售于游樂場地，可以更好的發揮該滑板車新奇感及娛樂性，并且可以為管理游樂場人員創造客觀利潤等……。

產品主要材料：鋼鐵材質。

動力：動力踏桿，四桿機構。

產品功能：運動、娛樂、健身，休閑。

產品適合人群年齡段：5周歲及以上人員。產品承載重量：70公斤。

思考題：設計其它滑板車驅動裝置，寫出設計過程。利用實踐環節完成。

滑板車驅動裝置設計，⑴傳統的腳踏底面⑵自驅動⑶電機驅動

螞蚱運動過程：先鎖住后腿，不讓打開。然后蓄力，增加肌肉的彈性勢能；達到需要的強度后突然解鎖，勢能轉化為動能，螞蚱就蹦起來了。