1. 引言
要进行机械创新设计，除了外观上的设计之外，还需要运动机构的设计，二者相辅相成、缺一不可。传统的机械创新设计的教学，一般采用的机构实例比较单调，造型也以简单的圆和方形为主，要做稍复杂的造型就比较困难，这就使得设计的作品不具有适用性，趣味性，影响了机械创新设计课程的教学效果。
如果在外观的设计上能进行突破，机构也能进行灵活变化，并以一个综合的实例进行教学，则当完成一个项目的学习过程后，学生的知识与技能会得到提升，学习效果也会有明显的不同。
2. 设计过程
本文的人物骑单车的机械创新设计，一是要符合外观美学，二是要设计运动机构，且要求运动灵活，无干涉。在设计过程中，要进行分析计算，仿真模拟，最后制作出成品。
设计该作品，可以分两个步骤进行，先进行造型设计，再进行机构设计。
2.1造型设计
人物骑单车的造型设计，包含人物的造型设计和单车的造型设计。首先，设计人物造型，按传统方法，是相当困难的。因为如果设计不美观，就会使作品失去观赏性，但如果要设计得美观，又需要花费大量的时间和精力。
考虑到本设计主要以机械创新为主，造型以合理，协调为原则，且时间不宜过长。在此采用逆向方式进行设计，就是通过现有的人物素材做造型，比如图片、照片等；接着采用2D软件结合3D软件，也能在短时间内设计出精致的造型。该逆向方法既能简化造型设计难度，又能增加图形的多样性，意即，可以较任意的设计自己感兴趣的造型。
本文的人物造型设计如图1所示。
其次，是单车的造型设计。因为单车类型比较多，但主体结构都是车架和车轮。在此为便于运动机构的设计，在保留主体车架和车轮的情况下，可以采用简易单车结构，如图2所示。
图1人物造型图 图2 单车造型图 图3 链传动机构简图
在人物和单车，分别设计好之后，还要根据尺寸大小和二者比例，进行相应的尺寸调节，使两者搭配合理。
2.2运动机构设计
人物骑单车的运动原理是：以脚踏盘转动带动后轮滚动，同时身体和四肢也跟着运动，具体是指小腿和大腿的摆动以及身体和胳膊的摆动。
为简化难度，将人物骑单车的连贯动作分解成几个独立的单动作，并分别进行机构设计，然后进行关联或组合，从而完成整体动作。
这几组机构，可分别为：脚踏带动后轮的链传动机构、小腿和大腿的曲柄摇杆机构、身体和胳膊的双摇杆机构。
2.21脚踏带动后轮的链传动机构
根据脚踏和后轮的位置，设计链传动机构，考虑到样品的制作工艺难度，在此可采用齿轮加齿轮皮带进行传动。机构简图如图3所示。
2.22小腿和大腿的曲柄摇杆机构
脚踏盘带动小腿和大腿摆动，可采用曲柄摇杆机构。具体是在脚踏位置设置脚踏盘，中心位置固定在车架上，将脚用销钉连接在脚踏盘上，大腿和小腿也用销钉连接，且大腿一端用销钉固定在车架的座板上。当脚踏盘转动时，带动小腿和大腿上下摆动，形成一个踏车的腿部动作。
经过反复的计算和调整，对曲柄摇杆机构的销孔位置尺寸进行校核，13+115<85+51 ，满足曲柄摇杆机构的条件，其中摇摆的角度为36°。具体尺寸如图4所示：
图4 小腿和大腿的曲柄摇杆机构简图 图5 身体和胳膊的双摇杆机构简图
2.23身体和胳膊的双摇杆机构
当脚带动腿运动时，身体和胳膊也有相应的摆动，根据运动特点，可设计双摇杆机构，并将身体运动与腿部运动进行关联。
身体与大腿共用一个座板销，前臂一端固定在把手上，由身体、上臂和前臂，形成一个双摇杆机构，再用一个关联杆将两机构进行关联，就形成了一个脚、腿、身体和胳膊的连贯动作。机构简图如图5所示。
将链传动机构、曲柄摇杆机构、双摇杆机构进行组合，其组合机构简图如图6所示。
当几个机构设计并校核完成后，就可以根据校核的尺寸，设计人物的身体和四肢的销孔位置。人物的销孔位置图如图7所示。
2.3 零件的装配及运动仿真
当人物的造型、单车造型及机构设计完成后，就可以进行装配设计。根据装配的需要，增加一些辅助零件，如D型轴、垫片等。
另外，先前设计的是单面的脚踏机构，因为实际骑单车，是双脚交替运动。因此，要增加另一侧的脚踏盘，在原来脚踏盘的基础上，将D型轴孔旋转错开180°进行设计。组装时再将左右脚和腿分别安装在左右侧的脚踏盘上。装配完成后，进行运动仿真，产生了双脚交
替踏车的效果。运动机构仿真图如图8所示。
图6 人物骑单车组合机构简图 图7 人物的销孔位置图
3. 3D打印
将设计的零件由三维软件转换成stl文件，导入到Cura软件中，进行排版及3D打印，打印完成后，进行零件组装，组装成品如图9所示。
图8 运动机构仿真图 图9 3D打印成品图
4. 结语
人物骑单车的机械创新设计，主要包含造型设计和运动机构设计。造型设计采用逆向的2D与3D结合的方法进行建模，既能降低建模难度，又能增加图形的多样性。
在人物骑单车的设计中，采用了链传动、曲柄摇杆、双摇杆运动机构，且三者互相关联，当脚踏盘驱动时，机构的运动无干涉，无阻滞。
人物骑单车的机械创新设计，不仅需要造型设计知识，还需要运动机构的设计理论，以及加工和3D打印等样板制作技术，是一个比较完整的项目设计实例，对机械创新设计的教学具有积极的指导作用。
[参考文献]
[1] 王嘉 田芳. 逆向设计与3D打印案例教程[M].机械工业出版社,2022.
[2] 王晖.机械产品创新设计与3D打印[M].机械工业出版社，2022.
[3] 张春林 赵自强 李志香. 机械创新设计 第4版[M].机械工业出版社,2022.
