智能爬墻機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作論文
本文介紹了無人駕駛汽車的發(fā)展歷史，以谷歌無人駕駛汽車為例分別介紹了無人車的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域。同時，通過對比現(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)定動作的物理模型分析。
1 緒論
谷歌無人駕駛汽車是谷歌公司開發(fā)的全自動駕駛汽車，至今，谷歌公司共使用過7輛無人車，累計(jì)每輛車在路面行駛超過50萬公里。谷歌無人駕駛汽車可以為乘客提供最方便的搭乘體驗(yàn)。無人車會根據(jù)乘客的需要自動啟動，乘客只需在車上的導(dǎo)航系統(tǒng)輸入目的地，無人車便開始執(zhí)行任務(wù)。
爬墻機(jī)器人不同于無人車和無人機(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，自動翻墻，在90度的墻上行走等動作。
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。在這有限的動力下驅(qū)動爬墻車，車體在重量上毫無疑問就要足夠的輕。
(2)韌性好。考慮到調(diào)試階段爬墻車雖然在較低的墻面上測試，但不可避免會出現(xiàn)滑落或者意外情況摔落地面。此時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。具體可描述為三個階段：第一階段是確定車體形狀，在車身上安裝4個支撐電機(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，完成車身零件的設(shè)計(jì)。最后在軟件內(nèi)自動生成為CAD工程圖尋找合適的'商鋪完成定制。
2.3 Solidworks軟件簡介
Solidworks軟件是Solidworks公司開發(fā)的世界上第一個基于Windows的實(shí)體模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。軟件主要有三個主要設(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)者通過對單片機(jī)進(jìn)行編程，令單片機(jī)產(chǎn)生多路控制信號，分別驅(qū)動爬墻機(jī)器人的電機(jī)和舵機(jī)運(yùn)動，使機(jī)器人完成各種設(shè)定的動作。
爬墻機(jī)器人需要調(diào)節(jié)2個電機(jī)的速度，2個舵機(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控制信號決定，舵機(jī)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(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;
(2)平地減速運(yùn)動;
(3)平地勻速運(yùn)動;
(4)90°翻墻動作;
(5)90°墻面穩(wěn)定不動;
(6)90°墻面運(yùn)動。
動作的設(shè)計(jì)方案主要依靠2個電機(jī)螺旋槳的配合完成，設(shè)定一端電機(jī)螺旋槳為提供動力，另一端電機(jī)螺旋槳為調(diào)整動力。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簡化為以下關(guān)系，F(xiàn)運(yùn)動阻力=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，90°翻墻動作和在90°墻面上移動等基本動作。
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