李睿，郭枳邑，張曉峰，韓博

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傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)娛樂(lè)設(shè)備改造設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的安全性分析

李睿1*，郭枳邑2，張曉峰1，韓博3

（1.大連民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 大連 116600；2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；3.沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

針對(duì)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)木馬這種娛樂(lè)設(shè)備單調(diào)乏味的缺陷進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，利用齒輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了騎具復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡和多變的速度與加速度，增加了娛樂(lè)設(shè)施的趣味性。該設(shè)計(jì)可以根據(jù)訂單調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)。通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿真分析，使位移速度以及加速度實(shí)現(xiàn)了可視化，并且根據(jù)數(shù)據(jù)曲線圖對(duì)機(jī)構(gòu)的安全性進(jìn)行了分析。

娛樂(lè)設(shè)備；旋轉(zhuǎn)木馬；齒輪連桿機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)分析

隨著當(dāng)代社會(huì)人們對(duì)娛樂(lè)活動(dòng)要求的日趨提高，旋轉(zhuǎn)木馬這項(xiàng)曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)的游樂(lè)項(xiàng)目由于其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式的單調(diào)乏味，漸漸失去了對(duì)人們的吸引力。旋轉(zhuǎn)木馬只是騎具繞公共軸公轉(zhuǎn)的同時(shí)，單個(gè)騎具在垂直方向的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)和勻速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的復(fù)合，這種規(guī)律可預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)形式是造成游客失去游玩興趣的主要因素，因此使該設(shè)備中騎具運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜化和加速度變化多樣化成為改造設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，齒輪連桿機(jī)構(gòu)可以產(chǎn)生無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)路線和復(fù)雜多變的加速度。因此，本次改造設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)木馬的基礎(chǔ)上，利用齒輪連桿機(jī)構(gòu)作為騎具分運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，并將馬的形狀改造為斗牛的形狀，不僅可以實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的改進(jìn)，還可通過(guò)改變齒輪齒數(shù)和連桿長(zhǎng)度定量地調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)形式，這樣更易于根據(jù)客戶的需求進(jìn)行定制型的改造[1-2]。這種可以忽上忽下左右不定的復(fù)雜隨機(jī)軌跡運(yùn)動(dòng)與斗牛的曠野外形非常匹配，讓游客難以預(yù)測(cè)，從而保證了新穎的娛樂(lè)特性。

1 整體機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

1.1 騎具公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

騎具的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參考了現(xiàn)階段產(chǎn)品即傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)木馬的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由大圓盤帶動(dòng)各個(gè)騎具實(shí)現(xiàn)，圓盤上方均勻布置6個(gè)騎具，如圖1所示，騎具由緊固件固定在大圓盤上。圓盤下方安裝圓形大齒圈，齒圈的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以由4個(gè)電動(dòng)機(jī)通過(guò)小齒輪帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)，為了減少摩擦和保證傳動(dòng)平穩(wěn)，圓盤下面安裝車輪可以在圓形軌道上運(yùn)動(dòng)。

圖1 騎具公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 騎具分運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在滿足運(yùn)動(dòng)要求的前提下，為了使機(jī)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，節(jié)約設(shè)備成本，選擇在騎具正中矢狀面內(nèi)做運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)研究，這樣也易于更改方案而滿足面向客戶訂單設(shè)計(jì)的需要[2]。騎具的分運(yùn)動(dòng)采用齒輪連桿機(jī)構(gòu)，即兩個(gè)互相嚙合的齒輪上各鉸接一根連桿。比如在圖2（a）中1點(diǎn)和1'點(diǎn)處各鉸接一個(gè)連桿，并在A處安放騎具，如圖2（b）所示。

圖2 騎具分運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

這種機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，卻可以實(shí)現(xiàn)A點(diǎn)處復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，而且通過(guò)改變各部件的尺寸，可以控制軌跡的變化[3-4]。A點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)軌跡、速度與加速度等運(yùn)動(dòng)指標(biāo)可以通過(guò)調(diào)整齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、傳動(dòng)比、連桿長(zhǎng)度、連桿與齒輪鉸接端到齒輪中心的距離等參數(shù)改變。其中，齒輪分度圓直徑的大小影響整體機(jī)構(gòu)尺寸和運(yùn)動(dòng)速度、加速度；齒輪傳動(dòng)比影響運(yùn)動(dòng)軌跡的循環(huán)周期；連桿一端到齒輪中心的距離，影響軌跡形狀；連桿長(zhǎng)度，影響整體機(jī)構(gòu)的高度和軌跡形狀。

2 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

娛樂(lè)設(shè)備的設(shè)計(jì)軌跡要有一定的復(fù)雜性，周期要比較長(zhǎng)，不能在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)運(yùn)動(dòng)以免乘客產(chǎn)生單調(diào)乏味的感覺。軌跡的尺寸即運(yùn)動(dòng)幅度應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，具體數(shù)值可以面向訂單確定，騎具整體要有一定高度，盡量使乘客的身體距離地面一米左右，這樣游樂(lè)性可以大大增強(qiáng)。

騎具運(yùn)動(dòng)速度方面的要求：不要突然改變速度方向，以免產(chǎn)生急停急走的感覺，速度曲線要平滑轉(zhuǎn)變，并且速度的范圍要盡量廣泛，以滿足各個(gè)人群與愛好的乘客使用[5]。

從游客乘坐舒適度的角度考慮限制運(yùn)動(dòng)的與向加速度，向的加速度向上和向下都不能過(guò)大，如果超過(guò)一個(gè)重力加速度，乘客會(huì)感到恐懼和不適，甚至眩暈跌落騎具。向下加速度如果超過(guò)，乘客會(huì)完全脫離騎具產(chǎn)生危險(xiǎn)[5-6]。向加速度可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)選取，也可面向訂單定制。

為了使運(yùn)動(dòng)軌跡可視化，對(duì)于騎具機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)采用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，將抽象的信息圖形化，可以使數(shù)據(jù)信息非常容易理解，有利于更有效地探索機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

本研究中采取了兩組方案，如表1所示。對(duì)比分析不同機(jī)構(gòu)參數(shù)下騎具的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和加速度的變化情況，大圓盤公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速由游樂(lè)場(chǎng)負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)確定，轉(zhuǎn)速通常比較低，所以以下只研究A點(diǎn)處騎具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

表1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要尺寸數(shù)據(jù)

2.1 A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖像

從圖3中可以看到，前后運(yùn)動(dòng)的范圍在700 mm左右，適合小型旋轉(zhuǎn)游樂(lè)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)幅度，運(yùn)動(dòng)高低變化在350 mm左右，運(yùn)動(dòng)曲線比較復(fù)雜，屬于包含小弧度與大弧度的結(jié)合光滑曲線。一個(gè)周期內(nèi)在矢狀面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜且不重復(fù)，用于游樂(lè)設(shè)施會(huì)讓乘客充滿樂(lè)趣和好奇感。兩個(gè)方案對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案一的縱向位移變化幅度大、變化頻率較高，包含7個(gè)波峰，從50 mm變化到360 mm，方案二的縱向位移變化幅度稍小，從170 mm變化到400 mm，包含5個(gè)波峰。

圖3 A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線圖

2.2 運(yùn)動(dòng)速度分析

從圖4（a）可看出騎具運(yùn)動(dòng)速率最大值不超過(guò)1000 mm/s，平均速率在350 mm/s，兩種方案一個(gè)周期內(nèi)速率變化曲線都包含6個(gè)波峰，說(shuō)明速率變化多樣又不至太快引起人體恐懼[7]。

從圖4（b）（c）對(duì)比可以看出橫向運(yùn)動(dòng)的速率變化沒有縱向復(fù)雜，這樣可以防止乘客產(chǎn)生暈車的感覺，并且有增添了娛樂(lè)的趣味性[8]。

2.3 計(jì)算加速度圖像

圖5可看出運(yùn)動(dòng)加速度在合理范圍內(nèi)，縱向加速度絕對(duì)值小于0.25 m/s2，保證乘客不會(huì)有類似失重的不適感，且身體不會(huì)脫離騎具[7]。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)對(duì)旋轉(zhuǎn)木馬運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了詳細(xì)的模擬設(shè)計(jì)，以達(dá)到更好的娛樂(lè)效果。給出了運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)立意、設(shè)計(jì)具體方法，以及仿真模擬辦法。通過(guò)設(shè)計(jì)立意確定設(shè)計(jì)方案，通過(guò)模擬仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的一系列內(nèi)容。設(shè)計(jì)利用了MATLAB、SolidWorks等仿真建模軟件，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)尺寸的嚴(yán)格設(shè)計(jì)指導(dǎo)工程圖紙的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

斗牛機(jī)構(gòu)的軌跡設(shè)計(jì)有著很多可調(diào)參數(shù)，可以適應(yīng)實(shí)際客戶的需求，各個(gè)零件的設(shè)計(jì)，本著低成本、易于制造的原則。在三維建模之后給出實(shí)際可行的設(shè)計(jì)方案圖紙。

本設(shè)計(jì)軌跡多變，具有極高的可定制性。采用開放性設(shè)計(jì)，易于改裝加工，適合市場(chǎng)適用發(fā)展。

圖4 運(yùn)動(dòng)速率曲線圖

圖5 運(yùn)動(dòng)加速度曲線圖

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Modification Design of Traditional Rotary Recreation Equipment and the Safety Analysis of Motion Parameters

LI Rui1，GUO Zhiyi2，ZHANG Xiaofeng1，HAN Bo3

( 1.College of Electromechanical and Information Engineering, Dalian Minzu University, Dalian 116600, China; 2.School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 3.Shenyang Siasun Robot Automation Co.,Ltd, Shenyang, 110168, China)

The article in view of the traditional merry-go-round that the defect of tedious entertainment equipment retrofit design, using the gear linkage mechanism to realize the motion trajectory of riding with complex and changeable, velocity and acceleration of increase fun of entertainment facilities. The design can adjust the parameters of the sports organization according to the order of order. Through the simulation analysis of the motion mechanism, the displacement velocity and acceleration are visualized, and the security of the mechanism is analyzed according to the data curve diagram.

entertainment equipment；merry-go-round；gear connecting rod mechanism；geared linkage mechanism；motion analysis

TP242.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.009

1006－0316 (2018) 07－0036－04

2017－11－24

遼寧省教育廳項(xiàng)目（L2014545）

*通訊作者：李睿（1980－），女，遼寧鞍山人，博士，講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。