水上运动机器人科教器材的开发研究

1、水上运动机器人科教器材的开发研究一、选题思路：目前各类机器人科教器材品种门类繁多，惟独缺乏水上运动机器人系列科普教材与配套活动器材。如何开发一套水上运动机器人系列科普教材与配套活动器材，拓展科技活动新项目，以丰富青少年普及型机器人科技活动内容。因此形成一项研究课题。二、项目研发的技术基础：1、项目研发运用变速齿轮组、曲柄、连杆、万向节等基本机械元素，进行机械动作的构思设计。作者已有过类似的研究，有成功的技术储备。2、机械技术参考了机电一体化第三册3、机械技术也融入本人以前曾多次研发青少年系列科教器材所积累的研究成果。如：模块式电动系列车辆模型（已收入国家教委青少年科技教育活动资源库）模块式系列

2、步行机器人系列蹬梯机器人等科教作品曾获全国教师创新竞赛一等奖。三、项目研发过程：、内容选择：项目开发设计思路源自奥运水上运动项目。奥运水上运动项目内容繁多，选择哪个项目作为研发内容，经过谨慎思索认为，以单人和多人划艇、皮划艇为研究设计的参照项目，探索机械仿生学原理，开发一种青少年水上运动机器人系列科教活动器材。其理由是：奥运划艇项目涉及的艇身部件类似船模项目，运动员划浆动作类似普及型机器人项目，结构内容与本人从事的学科教学活动比较接近，可以利用自己已有的知识经验，使本项目更易于实施。2、研究目标： (1) 运用变速齿轮组、曲柄、连杆、万向节等基本机械元素，进行机械动作的构思设计，融入机械仿生学

3、原理，实现机械部件系统的组合与构成。实现机械运动模拟划艇、皮划艇运动员的划桨动作，从而开发出一套青少年水上运动机器人系列科教活动器材。(2)机械仿生运动机理的研究：机械运动如何模拟运动员划浆动作？作者曾有过探索，曾经成功研制过橡筋动力和电动单人划艇和皮划艇模型。在此基础上研制模块式水上运动系列机器人模型器材。(3)完成水上运动机器人系列科教活动器材工业化设计：运用模块化和通用化设计方法实现产品的工业化设计。3、研究途径：由于原有“单人划艇模型”机械机构无法满足“模块式多人系列划艇模型”的功能要求，且未经工业化设计，故重新研发过程如下：（1） 变速齿轮箱的设计定型及技术特点：为实现双人划桨动作，

4、变速齿轮箱需有两根动力输出轴。轴端的曲轴和联动杆的组合也可实现多人齐动划桨动作。(理论上可人数不限)变速器通过三级齿轮传动，末级齿轮动力输出轴的转速减速比为：。采用两头出轴的电机，电机两头轴上的齿轮分别带动两组变速齿轮组，变速器的两根动力输出轴同向同步转动，分别带动两个机器人做划浆动作。 （2） 机械机构的设计：难点在于机械机构的构思与设计如何模拟皮划艇运动员的划桨动作？故以此为例：比如原有“单人划艇模型”机械机构不够紧凑，无法达到新的设计要求。现在的模型与其不同点：连杆部件设计和机件组合集成方案。用尺寸小巧的L型连杆取代了带滑槽的长连杆。L型连杆和曲轴只有一个活动连接点，运动轨迹不稳定，解决

5、办法是在划桨的桨杆中点增加一个定位万向节，其作用是使得桨杆按设计的运动轨迹作360度立体锥型旋转而不会位移，从而实现机械划桨动作。整个机构更加紧凑，易于工业化生产。（3）艇身材料的选用：艇身材料采用泡沫塑料制成，这是模型器材常用材料，开发与生产成本较低。其性能特点：质轻而浮力大，易于取材和加工制作。（4）模型总装集成：（5）试航与调试：试航评估修改再试航定型调整曲柄，连杆等部件的尺寸，划浆运动的幅度，部件总体布局，船型的修改，重心的调试等等。4、模块式水上运动系列机器人模型器材工业化设计：（1）绘制模型各零部件图纸：零部件设计运用模块化和通用化设计方法。（2）模具开发：和模具技术人员商讨设计图

6、与实施模具开发的配合问题，修改设计图以利于模具开发和后续生产。（3）产品化：试生产提出模具修改意见再试生产再修改直至产品定型。四、模块式水上运动系列机器人模型器材具有以下技术特点：1、项目填补了青少年普及型水上运动机器人科教活动器材的空白的。2、青少年通过制作活动，学习运用变速齿轮组、曲柄、连杆、万向节等基本机械元素，进行机械动作的构思设计，实现机械部件系统的组合与构成，进行初步的机械仿生学原理的探索。3、产品具有模块化，通用化，系列化、可探索性等特点，运用模块部件可以组装成系列化作品。4、模块化，通用化零部件使得器材使用率提高，开发与教学使用成本均较低。提高了产品的性价比。5、模型器材的科学性、趣味性、拓展性较强，易于基层学校开展教学，竞赛，表演与展示等系列科普活动。6、模型零部件的设计预置了功能扩展空间，如：船体设计预设了可以制成水陆两用车辆模型的功能。为青少年创造性探索提供了条件。五、