一种简易遥控爬楼梯机器车的设计方案

第第页一种简易遥控爬楼梯机器车的设计方案【摘要】本设计是设计一款简易可以爬楼梯的机器车，采用飞思卡尔S12单片机作为核心控制器，外部接电机驱动模块，无线接收模块。轮胎采用SOILDWORKS软件建模，使用3D打印机打印出轮胎。

【关键词】爬楼梯；单片机；3D打印

1.引言

在传统驱动小车的设计中，在遇到楼梯等类似的障碍物的时候很难攀爬过去；或是专门的设计爬楼梯机器车可以实现爬楼梯的功能，但是其机械结构复杂，成本高昂，不容易设计。而本设计采用修改轮胎结构的方式，实现爬楼梯与平坦地面的行走，并且轮胎设计采用3D打印技术，大大加快了轮胎的设计与优化。

2.系统组成

本设计包含3D建模与3D打印，电路设计，与程序设计。

3.机器车车轮的设计和运动分析

3.1车轮的设计

本车的车轮采用轮齿式，车轮的设计灵感源自棘轮机构，其结构如图1所示。为保证小车运动平稳、转向灵活，车轮基体仍采用传统的圆形结构；为提高车轮的越障力，沿其周向有14个小齿，小齿相比普通齿轮较长，这样车轮轮齿可以较轻易的卡住障碍物，从而能顺利通过障碍，完成越障动作。

3.2运动分析

本小车在越障过程中，小车除了轮子其他部件不应与障碍（台阶）相接触，小车的几何参数与障碍物（台阶）几何参数必须满足一定的条件，这样机器人才能爬上楼梯或穿越障碍。如图2所示，小车越障时的临界状态：

由图2可得如下关系：

（）

如果时，则越障小车可以顺利通过障碍。所以当时，可以求出后轮触地条件下的可通过的最大台阶高度。

4.电路设计方案

电路设计实现对爬楼梯机器人无线遥控，设计内容包含核心控制模块、电机运动驱动模块、舵机转向驱动模块、无线信号接收模块、通过各模块的协调运作完成爬楼梯动作要求。

4.1控制器的设计

本控制器设计采用飞思卡尔公司的S12芯片，本芯片功能强大，引脚丰富可以满足设计要求。

4.2电源设计

各模块的电量均来自车载7.2V锂电池，电池容量为7200MAH，电池经过LM7805稳压芯片稳压到5V，为单片机，电机、舵机模块供电。

4.3电机驱动电路的设计

在本设计中电机驱动芯片模块采用L298N双H桥直流电机驱动器。本驱动器供电范围5V--35V，驱动电流2A；输入信号电压范围5V--7V，最大功耗20W。本模块可以控制2个直流电机的正反停。

4.4无线传输电路设计

无线电路采用PT2262无线模块，本模块工作频率315M，接收模块四路输出，高电平电压约为5V，电流约为2MA，可与单片对接，单片机通过读接收模块的信号引脚读取当前遥控器的按键值，然后做出相应的动作。

5.3维建模与3D打印

SolidWorks软件是世界上第一个基于Wind-ows开发的三维CAD系统，其软件功能强大，组件繁多，为设计提供了强大的功能，对工程师来说，操作简单方便、易学易懂。

在本设计使用soildworks2012对轮胎进行建模，通过拉伸，切除等特征最终建模如图3所示。

然后在把文件另存为STL格式文件，使用replicatorg程序打开，如图4所示。最后通过3D打印机打印出来。

6.小结

本设计既可以在平地上行走，又可以实现爬楼梯的功能，设计简单易于实现，并且使用3D打印技术，大大降低了成本。

注：项目来自大学生科创活动（项目编号：2011SC