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智能爬墙机器人的设计与制作

发布时间:2016-12-23 15:06

  本文介绍了无人驾驶汽车的发展历史,以谷歌无人驾驶汽车为例分别介绍了无人车的发展现状和应用领域。同时,通过对比现有的爬墙机器人,提出推压式爬墙机器人的制作方案。本文主要介绍了笔者从构思到制作,最后总结爬墙机器人物理模型的过程。主要从爬墙机器人的材料选择、车体零件制作、软件模拟仿真,电子器件的搭配等四个方面介绍,最后总结得出爬墙机器人实现设定动作的物理模型分析。

 

  1 绪论

 

  谷歌无人驾驶汽车是谷歌公司开发的全自动驾驶汽车,至今,谷歌公司共使用过7辆无人车,累计每辆车在路面行驶超过50万公里。谷歌无人驾驶汽车可以为乘客提供最方便的搭乘体验。无人车会根据乘客的需要自动启动,乘客只需在车上的导航系统输入目的地,无人车便开始执行任务。

 

  爬墙机器人不同于无人车和无人机,却处于两者之间。虽然不能在天上飞,但也不满足只能平地上行走,它可以毫无压力地在陡峭的坡上行走,90度甚至180度斜坡。

 

  2 设计思路与方法

 

  2.1 设计目标

 

  现有的爬墙机器人技术虽然尚未成熟, 20151230日,迪士尼研发部发布了一款能以比较快的速度爬墙的机器人,起名为VertiGO。本设计以VertiGO为原型,参考了其爬墙原理和设计方案,能够完成在平地行走,自动翻墙,在90度的墙上行走等动作。

 

  2.2 车体设计

 

  本作品采用的推压式爬墙机器人的原理,参考VertiGo的车身设计,车体由以下零件构成:

 

  车身底板×1;舵机支架Ⅰ×2;旋转环支架×4;旋转环×2

 

  2.2.1 选材

 

  车体作为本作品最大的主体,要考虑的因素主要有以下两点:

 

  (1)重量轻。在这有限的动力下驱动爬墙车,车体在重量上毫无疑问就要足够的轻。

 

  (2)韧性好。考虑到调试阶段爬墙车虽然在较低的墙面上测试,但不可避免会出现滑落或者意外情况摔落地面。此时韧性好的车身可以有效地降低爬墙车摔坏的风险可能性。综合考虑选取了铝合金板材。

 

  2.2.2 车体设计步骤

 

  车体设计采用自上而下的方法。具体可描述为三个阶段:第一阶段是确定车体形状,在车身上安装4个支撑电机螺旋桨的支架让电机和螺旋桨原有的高度上架空;第二阶段是在车体的形状确定之后,很容易就能把车体分为5个部分:车身、旋转环支架、旋转环、电机支架和轮子;第三阶段是应用Solidworks软件的零件设计功能,把各零部件在软件上建立模型。然后利用软件的装配图设计功能把各零件模拟装配起来,完成车身零件的设计。最后在软件内自动生成为CAD工程图寻找合适的商铺完成定制。

 

  2.3 Solidworks软件简介

 

  Solidworks软件是Solidworks公司开发的世界上第一个基于Windows的实体模型设计系统。软件主要有三个主要设计功能。分别是零件设计功能,装配图设计功能和工程图设计功能。在工程图设计功能中,用户可以把设计好的零件直接生成工程图,图纸可以兼容现在主流的设计软件,例如AutoCAD3DMAX等,直接应用在生产上。

 

  2.4 关于单片机

 

  单片机亦称单片微型控制器,是一个微型计算机,也是爬墙机器人的大脑。设计者通过对单片机进行编程,令单片机产生多路控制信号,分别驱动爬墙机器人的电机和舵机运动,使机器人完成各种设定的动作。

 

  爬墙机器人需要调节2个电机的速度,2个舵机的角度,计算爬墙机器人的速度和与上位机的信息交换。电机的速度主要由电调接受的PWM控制信号决定,舵机的角度也是由接受的PWM信号决定。最后综合多方面的因素选择了STC15W4K32S4系列单片机。

 

  3 物理模型

 

  本设计的爬墙机器人功能主要有:

 

  (1)平地加速运动;

 

  (2)平地减速运动;

 

  (3)平地匀速运动;

 

  (4)90°翻墙动作;

 

  (5)90°墙面稳定不动;

 

  (6)90°墙面运动。

 

  动作的设计方案主要依靠2个电机螺旋桨的配合完成,设定一端电机螺旋桨为提供动力,另一端电机螺旋桨为调整动力。为了各零件调试成功,在实现以上功能之前必须测试以下参数。爬墙机器人的质量m,电机螺旋桨的最大推力F,爬墙机器人在运动中速度与阻力的关系。经考虑,为了方便得出速度与阻力的关系,可以设定电机螺旋桨在垂直车身施加的力保持不变,阻力F简化为以下关系,F运动阻力=kv

 

  4 结论

 

  本文在根据推压式原理,在迪士尼爬墙机器人VertiGO的基础上,建立合适的物理模型和设计方案,设计了一个以STC15W4K32S4单片机为控制基础的爬墙机器人。爬墙机器人作品能够完成平地加减速和匀速运动,90°翻墙动作和在90°墙面上移动等基本动作。

 

  作者简介

 

  王志勇(1982-),男,湖南省娄底市人。博士研究生学历。现为桂林理工大学理学院副教授。研究方向为物理教学与科研。

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