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图2.1蜘蛛机器人的组成
2.3 蜘蛛腿的设计
通过观察真实生活中蜘蛛腿的运动过程，再将市面上已有的蜘蛛机器人玩具及各科研机构研发的蜘蛛机器人结合起来，提出具有创新性的基于连杆机构的蜘蛛腿运动方案，机构运动图如下图2.3：
图2.3 蜘蛛机器人儿童玩具蜘蛛腿
2.3.1 蜘蛛腿材料的选择
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现在市面上的大部分玩具都是用合成树脂制作的，因为合成树脂的无毒性，而且合成树脂不会像金属材料那样容易割伤手指。现在市面上的合成树脂大概可以分为两类，一种是热塑性材料，一种是热固性材料，热塑性树脂的结构式链状的线型结构，它在受热的时候易被软化，这种特性使其能够被反复的塑制。而热固型的树脂恰好相反，不过这使其能够做一些特殊产品的设计，在玩具行业中，橡胶和塑料是同一种东西。在本产品中蜘蛛腿的材料选择前者，可以节约成本，遵循可循环原则。塑料玩具不能太薄，因为太薄的话容易划伤儿童的手指。在一些变焦或者弧度的地方把厚度设计的大点，来保证玩具在摔到地上的时候所受到的力是在其承受力范围内，从而减少了玩具的损坏。在本设计中蜘蛛机器人儿童玩具的蜘蛛腿的厚度设置为4mm，这样可以保证儿童在使用时候的安全。
在玩具的设计过程中，要注意蜘蛛腿的材料要采用无毒的材料，因为一些儿童喜欢咬玩具的零件，要把安全性考虑进去，蜘蛛腿的连接部分一定要紧密，这样能够防止儿童吞食一些细小零件，把材料选择成无毒的材料也是出于安全性考虑。
现阶段我国生产PVC一般都是采用的都是电石法和乙烯法，两者想比较的话电石法的成本比较低，但是生产出来的PVC材料质量不算好，而且对环境的污染比较大，所以选择后者生产出来的PVC材料，符合可持续发展的观念，减少对环境的污染，而且材料的安全性也得到了保障。
2.3.2蜘蛛腿静力计算
计算得到在蜘蛛机器人的腿部施加3.72N的均匀载荷（整个机构重218g，2个电机总重48g，电池40g，将蜘蛛机器人的总重量定为298g,蜘蛛机器人八条腿的手机均匀，腿部经过过肩板沟槽与主机架接触，假想受力均匀，故每个腿受3.72N的压力）；在蜘蛛腿的底部处受到地面3.72N的支持力；在齿轮约束处应考虑到有摩擦阻力矩，假设阻力是随角速度线性变化的，M?c??,取c?18N?mm/(deg/sec),共5个扭转阻力。
可以列出平面力系的力矩平衡方程，有：
其中T为需要求的曲柄处从电机输入到主轴的转矩。
用SolidWorks Motion分析得到不同相位时对应的T的值如下图：
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图2.4 不同相位时曲柄转矩变化
图上可以看出，当曲柄静止在某一相位角时，所需要最高转矩400N·mm，为来支撑机身。若假设蜘蛛腿是匀速运动的 ，以此为依据计算电机功率，则当马腿3s一周期时，电机需要提供5w的功率;以1s为一周期时，需要15W。 2.3.3 蜘蛛腿腿运动协调分析
因为本设计中蜘蛛机器人的八条蜘蛛腿两两对称，所以可以取其中一边四条蜘蛛腿经行运动协调分析。
四腿离地距离随时间变化如上图所示：“1-2-3-4-1”一个周期内，“4-1-2”过程X速度分量沿X正向，此时蜘蛛腿有向下的趋势，这个过程中占相位需要大于180o，这样蜘蛛机器人才能够向前行走。进行四肢运动协调分析的主要目的是为了确保在一个运动周期内，运动过程中蜘蛛机器人最长的两条腿始终不在同侧这样才能够使得蜘蛛机器人在后蹬的过程中行走稳定，不至于出现倾倒显现。在此基础上，尽量使处于下瞪状态的那条蜘蛛腿腾空，这样才能方便此蜘蛛腿的下一部动作。在两台电机的配合下，怎么样安排蜘蛛机器人八只腿的动作需要在实际的运动中不断的调试和演练才能够确定，这样才能够保证其实际行走效果。
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图2.5 蜘蛛腿离地距离随时间变化
2.4 齿轮的设计
因为本产品面向的人群是儿童，而儿童的好奇心比较大，所以再设计齿轮部分的时候要主要考虑到安全性，防止儿童在游戏的过程中由于不慎造成事故。因而在设计玩具安全性中要注意：第一，儿童玩具的材料必须是无毒的；第二，形状结构必须没有尖锐的形式需是光滑；第三玩具结构应合理、牢固。
本设计中齿轮材料使用PVC材料，齿轮的表面尽量没有尖锐形态，而且齿轮的连接处保证结实稳定，不易脱落。
在整个蜘蛛机器人的设计中，齿轮在其中有着不可忽略的作用，因为本产品因为面向的人群是儿童所以限制了其体积不需要太大，为了儿童的安全方面着想在齿轮的选择方面应该选择模数较小的齿轮。根据计算及软件分析最后决定采用两个传动齿轮组。
在查阅了资料后，最终决定采用模数0.4齿轮，将压力角压力角?定为20。
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(GB/T?1357?1997)
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列出各计算公式：分度圆直径 d?m?z
安装中心距离a?(z1?z2)*d/2
基圆直径db?dcos?
在本设计中传动部分的齿轮主要采用的还是支持圆柱齿轮，因为这类的齿轮的模数较小，且它的种类非常多，容易购买，易于生产。齿轮设计一般对齿轮的质量还有尺寸方面的要求比较高，但是对强度，还有磨损寿命这方面的要求不高。按照《机械设计》减速器的设计步骤及要求对其来进行强度校核，提出具有创新的齿轮系的设计思路：
图2.6蜘蛛机器人齿轮结构
处于安全性的考虑，蜘蛛机器人的结构需要紧凑以防止其掉落造成事故，这需要对其分度圆的直径有所要求，越小越好。但是分度圆直径小了容易造成根切。如果齿轮发生根切，那么就需要对其进行正变位。现在我国在齿轮上面的加工技术还不够太完善，加工小模数齿轮比较有难度，这样会增加此款设计的成本给加工带来困难，使
（1-z/zmin）得产品的制作成本变高。根据公式xmin?ha*选最小齿轮齿数20，ZB=51。齿E为直径最大的齿轮，根据实际的测量机运动分析，可以假设轴和底板距离25mm左右，这样对蜘蛛机器人的固定件的强度要会求小些，使得在材料上的花费会少些，制作成本上也少了很多。因此d的取值需要小于40mm，又因为i2=2,所以齿轮F2不能太小。最后得到ZE=30、ZF2=38，满足i2≈2,ZE不取是从大、小齿轮的齿数最好互为质数，这样来保证齿轮的磨损比较均匀，延长齿轮的使用寿命。在齿轮组的设计中需满足
ZD/ZF1=ZE/ZF2，选齿轮为30个齿；,可得传动装置的总传动比为：i=nm/nw=30/20=1.5