毛刷清掃車運(yùn)動方式的研究報(bào)告

五(2)班 尤明康

研究目的

春節(jié)快到了，我?guī)屠牙汛驋咝l(wèi)生時，發(fā)現(xiàn)沙發(fā)下面和床底下很不好清掃，于是我想設(shè)計(jì)一個能自動清掃角落的機(jī)器，幫助姥姥輕松地打掃衛(wèi)生。

我想起在牛頓科學(xué)實(shí)驗(yàn)課上制作過的毛刷車，它運(yùn)用牛頓第三定律的原理，可以實(shí)現(xiàn)不用車輪就在地面上行走。于是我買了四個毛刷，用平時做實(shí)驗(yàn)的電機(jī)、導(dǎo)線和電池盒，組裝成了毛刷清掃車，可是我發(fā)現(xiàn)它總是在原地打轉(zhuǎn)，如何改變它的運(yùn)動方式，使它能按照我的要求前進(jìn)呢，我做了幾組實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)，對它的安裝進(jìn)行調(diào)整后，毛刷清掃車可以實(shí)現(xiàn)幫助清掃角落的目的。

研究計(jì)劃

實(shí)驗(yàn)材料

(1) 測量工具：秒表、直尺、天平、照相機(jī)。

(2) 制作工具：剪刀、裁紙刀、鉗子、膠帶、螺絲刀、雙面膠。

(3) 實(shí)驗(yàn)材料：毛刷、電機(jī)、電池盒、導(dǎo)線、棉棒、夾子、螺絲、泡沫、5號電池和9V電池、塑料托盤，棉布。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)安裝后觀察毛刷的運(yùn)動。

(2)電機(jī)軸上安裝不同的尾翼對毛刷車運(yùn)動的影響。

(3)單個電機(jī)安裝在不同位置對毛刷車運(yùn)動的影響。

(4)安裝兩個電機(jī)對毛刷車運(yùn)動的影響。

(5)不同刷子長度對毛刷車運(yùn)動的影響。

(6)修剪刷毛對毛刷車運(yùn)動的影響。

(7)在對毛刷車的運(yùn)動方式有了了解以后，制作遙控毛刷車，使它可以在人員的操縱下完成清掃工作。

(8)優(yōu)化毛刷車的設(shè)計(jì)，為它安裝顯示燈，增加擦地毛刷。

實(shí)驗(yàn)過程

(1)將電機(jī)和電池盒用雙面膠安裝在毛刷背面，毛刷朝地，打開開關(guān)，發(fā)現(xiàn)毛刷車微微地振動。因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生振動，使毛刷車振動，但不會產(chǎn)生移動。

(2)在電機(jī)軸上安裝不同的尾翼：棉棒、泡沫或小夾子。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，帶動尾翼轉(zhuǎn)動，使小車?yán)@著一個圓心旋轉(zhuǎn)起來。尾翼重量越重，產(chǎn)生的振動力越大，小車移動速度越快。所以尾翼加重可以加快毛刷車的速度，但不能改變它的運(yùn)動方式。

(3)試著調(diào)整電池盒和電機(jī)的位置，這樣做是想改變毛刷車的重心，我發(fā)現(xiàn)當(dāng)電機(jī)和電池盒在不同的位置時，毛刷車的運(yùn)動軌跡會發(fā)生變化，圍繞的圓圈半徑也不同，有時可以改變運(yùn)動方式，直線行走。

(4)安裝2個馬達(dá)的毛刷車，毛刷車會像螃蟹一樣的側(cè)行，斜行，有時可以直行。

(5)不同長度的毛刷對運(yùn)動的影響，刷毛越短，轉(zhuǎn)的圈越小。

(6)修剪刷毛。刷毛的排列方式，影響了毛刷運(yùn)動的速度和轉(zhuǎn)圈的半徑大小，但是不能改變毛刷車的運(yùn)動方式。

研究結(jié)論

(1)毛刷安裝上電機(jī)，通電后電機(jī)轉(zhuǎn)動，振動力使毛刷振動，但不能移動。

(2)電機(jī)軸上安裝尾翼后，尾翼的轉(zhuǎn)動帶動刷毛變形，產(chǎn)生反作用力移動。當(dāng)尾翼越重時，反作用力越大，毛刷車的運(yùn)動速度越快。

(3)調(diào)整電機(jī)和馬達(dá)的位置，可以改變毛刷車的重心，改變運(yùn)動方式。在合適的位置，毛刷車可以直線行走。

(4)安裝兩個馬達(dá)的毛刷車，運(yùn)動方式改為斜向或橫向行走。

(5)不同長度的毛刷會影響毛刷車的運(yùn)動半徑，刷毛越短，轉(zhuǎn)的圈越小。

(6)修剪刷毛并不能改變毛刷的運(yùn)動方式，它還是繞圓圈移動，但是如果刷毛排列規(guī)則，運(yùn)動的速度會越快。

總 結(jié)

在毛刷車清掃地面時，首先需要它繞圓圈運(yùn)動，這是最容易實(shí)現(xiàn)的，只要安裝好電機(jī)、電池和尾翼就可以。如果想改變速度，可以改變尾翼的重量。當(dāng)毛刷車清掃干凈一部分后，還需要它前進(jìn)和后退，這樣可以靠調(diào)整電機(jī)位置和雙馬達(dá)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)。還可以選擇好刷毛的長度，讓它實(shí)現(xiàn)局部清掃干凈的作用。

驅(qū)動裝置

剛剛參加了海模比賽，我決定將海模上的遙控系統(tǒng)安裝在毛刷車上，使它可以在我的控制下行走。兩個毛刷安裝的底盤下，雙馬達(dá)電池盒，對稱安裝在毛刷車身上，當(dāng)我開啟遙控器，毛刷車可以在我的指揮下行走，完成掃地工作。

優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了把地擦得更干凈，我又在遙控毛刷車的后端加上了裹上布的毛刷，不過這大大影響了毛刷車的行走速度。為毛刷車安裝上了綠色LED燈，當(dāng)它鉆到角落里，我也可以看到燈光。

設(shè)計(jì)原理

這次對毛刷車的研究使我學(xué)會運(yùn)用牛頓第三定律、作用力和反作用力的關(guān)系。毛刷車的運(yùn)動方式是當(dāng)電機(jī)啟動，車子尾翼相當(dāng)一個偏心輪，它的振動使刷子的刷毛產(chǎn)生形變，形變后的恢復(fù)力作用在地面，地面的反作用力又作用于刷子，毛刷就可以運(yùn)動了。而不同的尾翼、電機(jī)馬達(dá)的排列方式、刷毛的長短和排列會影響毛刷車的運(yùn)動方式。了解了它的運(yùn)動方式，可以有助于對毛刷清掃車的設(shè)計(jì)。

當(dāng)我掌握了毛刷車的行走規(guī)則后，我運(yùn)用毛刷車轉(zhuǎn)圈行走的方式來完成對地面一步步的清掃，通過遙控控制它的行進(jìn)路線，使它可以到我不能進(jìn)入的角落進(jìn)行清掃。有了毛刷清掃車，姥姥也可以用它清掃地板，不用再彎腰費(fèi)力地打掃。

未來展望

雖然現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)明了清掃機(jī)器人，但是它的價格很昂貴，而我設(shè)計(jì)的毛刷清掃車只利用小小的毛刷就可以把地板打掃干凈，我還要進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)，為毛刷車安裝上感應(yīng)裝置和定時系統(tǒng)，使它能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立操作，節(jié)省人們清掃房間的時間。

點(diǎn)評

尤明康同學(xué)的選題從一個孩子敬愛長輩這一視角被挖掘出來，選題來源本身就充滿了濃濃的關(guān)懷。研究過程完整、嚴(yán)謹(jǐn)，語言樸實(shí)，毫無矯飾，研究方法多種多樣，值得稱贊的是尤明康同學(xué)對整個設(shè)計(jì)有完整的記錄與分析，作為一名小學(xué)生難能可貴。

本課題獲得2012年“小小諾貝爾獎”金獎、2013年北京市科技創(chuàng)新大賽一等獎。