智能爬墙机器人的设计与制作

王志勇++李松桀

摘 要 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。

【关键词】爬墙机器人 铝合金 Solidworks 物理模型

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， 2015年12月30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AutoCAD、3DMAX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。

参考文献

[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008.

[2][美]David Cook.机器人制作入门攻略[M].北京：人民邮电出版社，2013.

[3][美]David Cook.机器人制作晋级攻略[M].北京：人民邮电出版社，2013.

[4]赵小川.机器人技术创意设计[M].北京航空航天大学出版社，2013-1-1.

[5]北京兆迪科技有限公司.Solidworks 2013实例宝典[M].北京：水利水电出版社，2013-7-1.

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。

作者单位

桂林理工大学理学院 广西壮族自治区桂林市 541004