智能爬墻機器人的設計與制作

王志勇++李松桀

摘 要 本文介紹了無人駕駛汽車的發展歷史，以谷歌無人駕駛汽車為例分別介紹了無人車的發展現狀和應用領域。同時，通過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程。主要從爬墻機器人的材料選擇、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，最后總結得出爬墻機器人實現設定動作的物理模型分析。

【關鍵詞】爬墻機器人 鋁合金 Solidworks 物理模型

1 緒論

谷歌無人駕駛汽車是谷歌公司開發的全自動駕駛汽車，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。無人車會根據乘客的需要自動啟動，乘客只需在車上的導航系統輸入目的地，無人車便開始執行任務。

爬墻機器人不同于無人車和無人機，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 設計思路與方法

2.1 設計目標

現有的爬墻機器人技術雖然尚未成熟， 2015年12月30日，迪士尼研發部發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，自動翻墻，在90度的墻上行走等動作。

2.2 車體設計

本作品采用的推壓式爬墻機器人的原理，參考VertiGo的車身設計，車體由以下零件構成：

車身底板×1；舵機支架Ⅰ×2；旋轉環支架×4；旋轉環×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：

（1）重量輕。在這有限的動力下驅動爬墻車，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險可能性。綜合考慮選取了鋁合金板材。

2.2.2 車體設計步驟

車體設計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、旋轉環支架、旋轉環、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，完成車身零件的設計。最后在軟件內自動生成為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公司開發的世界上第一個基于Windows的實體模型設計系統。軟件主要有三個主要設計功能。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，直接應用在生產上。

2.4 關于單片機

單片機亦稱單片微型控制器，是一個微型計算機，也是爬墻機器人的大腦。設計者通過對單片機進行編程，令單片機產生多路控制信號，分別驅動爬墻機器人的電機和舵機運動，使機器人完成各種設定的動作。

爬墻機器人需要調節2個電機的速度，2個舵機的角度，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；

（2）平地減速運動；

（3）平地勻速運動；

（4）90°翻墻動作；

（5）90°墻面穩定不動；

（6）90°墻面運動。

動作的設計方案主要依靠2個電機螺旋槳的配合完成，設定一端電機螺旋槳為提供動力，另一端電機螺旋槳為調整動力。為了各零件調試成功，在實現以上功能之前必須測試以下參數。爬墻機器人的質量m，電機螺旋槳的最大推力F，爬墻機器人在運動中速度與阻力的關系。經考慮，為了方便得出速度與阻力的關系，可以設定電機螺旋槳在垂直車身施加的力保持不變，阻力F簡化為以下關系，F運動阻力=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，90°翻墻動作和在90°墻面上移動等基本動作。

參考文獻

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作者簡介

王志勇（1982-），男，湖南省婁底市人。博士研究生學歷。現為桂林理工大學理學院副教授。研究方向為物理教學與科研。

作者單位

桂林理工大學理學院 廣西壯族自治區桂林市 541004