智能爬墻機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作

王志勇++李松桀

摘 要 本文介紹了無(wú)人駕駛汽車的發(fā)展歷史，以谷歌無(wú)人駕駛汽車為例分別介紹了無(wú)人車的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比現(xiàn)有的爬墻機(jī)器人，提出推壓式爬墻機(jī)器人的制作方案。本文主要介紹了筆者從構(gòu)思到制作，最后總結(jié)爬墻機(jī)器人物理模型的過(guò)程。主要從爬墻機(jī)器人的材料選擇、車體零件制作、軟件模擬仿真，電子器件的搭配等四個(gè)方面介紹，最后總結(jié)得出爬墻機(jī)器人實(shí)現(xiàn)設(shè)定動(dòng)作的物理模型分析。

【關(guān)鍵詞】爬墻機(jī)器人 鋁合金 Solidworks 物理模型

1 緒論

谷歌無(wú)人駕駛汽車是谷歌公司開發(fā)的全自動(dòng)駕駛汽車，至今，谷歌公司共使用過(guò)7輛無(wú)人車，累計(jì)每輛車在路面行駛超過(guò)50萬(wàn)公里。谷歌無(wú)人駕駛汽車可以為乘客提供最方便的搭乘體驗(yàn)。無(wú)人車會(huì)根據(jù)乘客的需要自動(dòng)啟動(dòng)，乘客只需在車上的導(dǎo)航系統(tǒng)輸入目的地，無(wú)人車便開始執(zhí)行任務(wù)。

爬墻機(jī)器人不同于無(wú)人車和無(wú)人機(jī)，卻處于兩者之間。雖然不能在天上飛，但也不滿足只能平地上行走，它可以毫無(wú)壓力地在陡峭的坡上行走，90度甚至180度斜坡。

2 設(shè)計(jì)思路與方法

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

現(xiàn)有的爬墻機(jī)器人技術(shù)雖然尚未成熟， 2015年12月30日，迪士尼研發(fā)部發(fā)布了一款能以比較快的速度爬墻的機(jī)器人，起名為VertiGO。本設(shè)計(jì)以VertiGO為原型，參考了其爬墻原理和設(shè)計(jì)方案，能夠完成在平地行走，自動(dòng)翻墻，在90度的墻上行走等動(dòng)作。

2.2 車體設(shè)計(jì)

本作品采用的推壓式爬墻機(jī)器人的原理，參考VertiGo的車身設(shè)計(jì)，車體由以下零件構(gòu)成：

車身底板×1；舵機(jī)支架Ⅰ×2；旋轉(zhuǎn)環(huán)支架×4；旋轉(zhuǎn)環(huán)×2。

2.2.1 選材

車體作為本作品最大的主體，要考慮的因素主要有以下兩點(diǎn)：

（1）重量輕。在這有限的動(dòng)力下驅(qū)動(dòng)爬墻車，車體在重量上毫無(wú)疑問(wèn)就要足夠的輕。

（2）韌性好?？紤]到調(diào)試階段爬墻車雖然在較低的墻面上測(cè)試，但不可避免會(huì)出現(xiàn)滑落或者意外情況摔落地面。此時(shí)韌性好的車身可以有效地降低爬墻車摔壞的風(fēng)險(xiǎn)可能性。綜合考慮選取了鋁合金板材。

2.2.2 車體設(shè)計(jì)步驟

車體設(shè)計(jì)采用自上而下的方法。具體可描述為三個(gè)階段：第一階段是確定車體形狀，在車身上安裝4個(gè)支撐電機(jī)螺旋槳的支架讓電機(jī)和螺旋槳原有的高度上架空；第二階段是在車體的形狀確定之后，很容易就能把車體分為5個(gè)部分：車身、旋轉(zhuǎn)環(huán)支架、旋轉(zhuǎn)環(huán)、電機(jī)支架和輪子；第三階段是應(yīng)用Solidworks軟件的零件設(shè)計(jì)功能，把各零部件在軟件上建立模型。然后利用軟件的裝配圖設(shè)計(jì)功能把各零件模擬裝配起來(lái)，完成車身零件的設(shè)計(jì)。最后在軟件內(nèi)自動(dòng)生成為CAD工程圖尋找合適的商鋪完成定制。

2.3 Solidworks軟件簡(jiǎn)介

Solidworks軟件是Solidworks公司開發(fā)的世界上第一個(gè)基于Windows的實(shí)體模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。軟件主要有三個(gè)主要設(shè)計(jì)功能。分別是零件設(shè)計(jì)功能，裝配圖設(shè)計(jì)功能和工程圖設(shè)計(jì)功能。在工程圖設(shè)計(jì)功能中，用戶可以把設(shè)計(jì)好的零件直接生成工程圖，圖紙可以兼容現(xiàn)在主流的設(shè)計(jì)軟件，例如AutoCAD、3DMAX等，直接應(yīng)用在生產(chǎn)上。

2.4 關(guān)于單片機(jī)

單片機(jī)亦稱單片微型控制器，是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，也是爬墻機(jī)器人的大腦。設(shè)計(jì)者通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，令單片機(jī)產(chǎn)生多路控制信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)爬墻機(jī)器人的電機(jī)和舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人完成各種設(shè)定的動(dòng)作。

爬墻機(jī)器人需要調(diào)節(jié)2個(gè)電機(jī)的速度，2個(gè)舵機(jī)的角度，計(jì)算爬墻機(jī)器人的速度和與上位機(jī)的信息交換。電機(jī)的速度主要由電調(diào)接受的PWM控制信號(hào)決定，舵機(jī)的角度也是由接受的PWM信號(hào)決定。最后綜合多方面的因素選擇了STC15W4K32S4系列單片機(jī)。

3 物理模型

本設(shè)計(jì)的爬墻機(jī)器人功能主要有：

（1）平地加速運(yùn)動(dòng)；

（2）平地減速運(yùn)動(dòng)；

（3）平地勻速運(yùn)動(dòng)；

（4）90°翻墻動(dòng)作；

（5）90°墻面穩(wěn)定不動(dòng)；

（6）90°墻面運(yùn)動(dòng)。

動(dòng)作的設(shè)計(jì)方案主要依靠2個(gè)電機(jī)螺旋槳的配合完成，設(shè)定一端電機(jī)螺旋槳為提供動(dòng)力，另一端電機(jī)螺旋槳為調(diào)整動(dòng)力。為了各零件調(diào)試成功，在實(shí)現(xiàn)以上功能之前必須測(cè)試以下參數(shù)。爬墻機(jī)器人的質(zhì)量m，電機(jī)螺旋槳的最大推力F，爬墻機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中速度與阻力的關(guān)系。經(jīng)考慮，為了方便得出速度與阻力的關(guān)系，可以設(shè)定電機(jī)螺旋槳在垂直車身施加的力保持不變，阻力F簡(jiǎn)化為以下關(guān)系，F(xiàn)運(yùn)動(dòng)阻力=kv。

4 結(jié)論

本文在根據(jù)推壓式原理，在迪士尼爬墻機(jī)器人VertiGO的基礎(chǔ)上，建立合適的物理模型和設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了一個(gè)以STC15W4K32S4單片機(jī)為控制基礎(chǔ)的爬墻機(jī)器人。爬墻機(jī)器人作品能夠完成平地加減速和勻速運(yùn)動(dòng)，90°翻墻動(dòng)作和在90°墻面上移動(dòng)等基本動(dòng)作。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

王志勇（1982-），男，湖南省婁底市人。博士研究生學(xué)歷?，F(xiàn)為桂林理工大學(xué)理學(xué)院副教授。研究方向?yàn)槲锢斫虒W(xué)與科研。

作者單位

桂林理工大學(xué)理學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)桂林市 541004