智能爬墻機器人的設計與制作論文
本文介紹了無(wú)人駕駛汽車(chē)的發(fā)展歷史，以谷歌無(wú)人駕駛汽車(chē)為例分別介紹了無(wú)人車(chē)的發(fā)展現狀和應用領(lǐng)域。同時(shí)，通過(guò)對比現有的爬墻機器人，提出推壓式爬墻機器人的制作方案。本文主要介紹了筆者從構思到制作，最后總結爬墻機器人物理模型的過(guò)程。主要從爬墻機器人的材料選擇、車(chē)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，最后總結得出爬墻機器人實(shí)現設定動(dòng)作的物理模型分析。
1 緒論
谷歌無(wú)人駕駛汽車(chē)是谷歌公司開(kāi)發(fā)的全自動(dòng)駕駛汽車(chē)，至今，谷歌公司共使用過(guò)7輛無(wú)人車(chē)，累計每輛車(chē)在路面行駛超過(guò)50萬(wàn)公里。谷歌無(wú)人駕駛汽車(chē)可以為乘客提供最方便的搭乘體驗。無(wú)人車(chē)會(huì )根據乘客的需要自動(dòng)啟動(dòng)，乘客只需在車(chē)上的導航系統輸入目的地，無(wú)人車(chē)便開(kāi)始執行任務(wù)。
爬墻機器人不同于無(wú)人車(chē)和無(wú)人機，卻處于兩者之間。雖然不能在天上飛，但也不滿(mǎn)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 設計思路與方法
2.1 設計目標
現有的爬墻機器人技術(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器人，起名為VertiGO。本設計以VertiGO為原型，參考了其爬墻原理和設計方案，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(chē)體設計
本作品采用的推壓式爬墻機器人的原理，參考VertiGo的車(chē)身設計，車(chē)體由以下零件構成：
車(chē)身底板×1;舵機支架Ⅰ×2;旋轉環(huán)支架×4;旋轉環(huán)×2。
2.2.1 選材
車(chē)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)力下驅動(dòng)爬墻車(chē)，車(chē)體在重量上毫無(wú)疑問(wèn)就要足夠的輕。
(2)韌性好�？紤]到調試階段爬墻車(chē)雖然在較低的墻面上測試，但不可避免會(huì )出現滑落或者意外情況摔落地面。此時(shí)韌性好的車(chē)身可以有效地降低爬墻車(chē)摔壞的風(fēng)險可能性。綜合考慮選取了鋁合金板材。
2.2.2 車(chē)體設計步驟
車(chē)體設計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(chē)體形狀，在車(chē)身上安裝4個(gè)支撐電機螺旋槳的支架讓電機和螺旋槳原有的高度上架空;第二階段是在車(chē)體的形狀確定之后，很容易就能把車(chē)體分為5個(gè)部分：車(chē)身、旋轉環(huán)支架、旋轉環(huán)、電機支架和輪子;第三階段是應用Solidworks軟件的零件設計功能，把各零部件在軟件上建立模型。然后利用軟件的裝配圖設計功能把各零件模擬裝配起來(lái)，完成車(chē)身零件的設計。最后在軟件內自動(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(kāi)發(fā)的世界上第一個(gè)基于Windows的實(shí)體模型設計系統。軟件主要有三個(gè)主要設計功能。分別是零件設計功能，裝配圖設計功能和工程圖設計功能。在工程圖設計功能中，用戶(hù)可以把設計好的零件直接生成工程圖，圖紙可以兼容現在主流的設計軟件，例如AutoCAD、3DMAX等，直接應用在生產(chǎn)上。
2.4 關(guān)于單片機
單片機亦稱(chēng)單片微型控制器，是一個(gè)微型計算機，也是爬墻機器人的大腦。設計者通過(guò)對單片機進(jìn)行編程，令單片機產(chǎn)生多路控制信號，分別驅動(dòng)爬墻機器人的電機和舵機運動(dòng)，使機器人完成各種設定的動(dòng)作。
爬墻機器人需要調節2個(gè)電機的速度，2個(gè)舵機的角度，計算爬墻機器人的速度和與上位機的信息交換。電機的速度主要由電調接受的PWM控制信號決定，舵機的角度也是由接受的PWM信號決定。最后綜合多方面的因素選擇了STC15W4K32S4系列單片機。
3 物理模型
本設計的爬墻機器人功能主要有：
(1)平地加速運動(dòng);
(2)平地減速運動(dòng);
(3)平地勻速運動(dòng);
(4)90°翻墻動(dòng)作;
(5)90°墻面穩定不動(dòng);
(6)90°墻面運動(dòng)。
動(dòng)作的設計方案主要依靠2個(gè)電機螺旋槳的配合完成，設定一端電機螺旋槳為提供動(dòng)力，另一端電機螺旋槳為調整動(dòng)力。為了各零件調試成功，在實(shí)現以上功能之前必須測試以下參數。爬墻機器人的質(zhì)量m，電機螺旋槳的最大推力F，爬墻機器人在運動(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，可以設定電機螺旋槳在垂直車(chē)身施加的力保持不變，阻力F簡(jiǎn)化為以下關(guān)系，F運動(dòng)阻力=kv。
4 結論
本文在根據推壓式原理，在迪士尼爬墻機器人VertiGO的基礎上，建立合適的物理模型和設計方案，設計了一個(gè)以STC15W4K32S4單片機為控制基礎的爬墻機器人。爬墻機器人作品能夠完成平地加減速和勻速運動(dòng)，90°翻墻動(dòng)作和在90°墻面上移動(dòng)等基本動(dòng)作。
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