反重力玩具產品設計

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兒童玩具市場的需求已經有了較大的轉變。傳統玩具結合高科技向電子化智能化發展已是主流。且隨著科技的發展、新技術的普及,給設計師帶來了極大的機遇。基于Arduino平臺設計的電子玩具越來越多。

今天介紹的反重力玩具是浙江工業大學林燕同學的畢業設計作品。產品利用重力感應傳感器等電子元件,檢測平面傾角變化并計算出平面最高點對應于小車位置的夾角,從而設計出能給玩具反向于重力的力,并使玩具向逆重力方向自動行駛的機構,給人反重力的錯覺。這將突破傳統玩具的限制,實現兒童與玩具的互動,培養兒童手腦協調能力,讓兒童體驗與傳統游戲所完全不同的游樂體驗,實現更大的樂趣。

玩具由反重力小車和可隨意傾斜角度的游戲桌組成。游戲開始時,游戲桌處于平衡狀態,將小車置于游戲桌之上,小車靜止。此時掰動桌面使桌面產生傾斜,小車就會自動感應傾角變化而開向最高點。兒童通過改變桌面傾角大小和方向,使小車開向桌面上的洞口,掉入洞口則為贏。

反重力的概念是通過檢測平面傾角變化并計算出平面最高點對應于小車位置的夾角,從而使小車偏轉相應角度并向最高點駛去而產生反重力的錯覺。在很多領域里都將這種測量平面傾角的技術運用到了不同的地方,如用于汽車上的自動爬坡控制系統(Crawl Control)、船用的主動消除搖晃裝置、機器人設計中會使用到的主動頂點穩定裝置等。如汽車上的自動爬坡控制系統,啟動系統之后,系統可以通過測量坡度傾角而綜合控制動力系統和制動系統,從而使車保持恒定低速行駛并最大限度的防止車輪打滑和抱死。駕駛員完全不必擔心加速和制動,只需專注于方向控制即可,降低在復雜條件下越野行駛的控制難度,避免車輛底盤與地面發生剮蹭,提升行車穩定性和安全性。

實現小車反重力行駛需要通過讀取傳感器數據、角度運算、硬件控制等幾個步驟來實現的。其中運用到的硬件主要有:UNO R3 開發板、L298N 電機驅動板、N20 直流電機、SG90 9G舵機、MPU6050 六軸加速度傳感器模塊。

通過MPU6050 六軸加速度傳感器模塊在靜止狀態下反饋回來的X、Y、Z三軸的重力加速度的值,利用重力加速度與其在三軸加速度傳感器的X、Y、Z 三軸的分量關系,計算出各軸與重力加速度的夾角,從而得出系統傾角。重力加速度在三軸的分量與傾角關系如圖所示,由此可推導出傾角解算公式為:

其中,Ax、Ay、A_z指重力加速度在x,y,z 三軸的分量。

同時,如下圖所示,當平面傾斜時,Ax、Ay、A_z是傳感器傳出的重力加速度在X,Y,Z 三軸的分量,則Axyz即是傳感器在傾斜平面上收到的下滑力。小車要實現反重力就需沿著Axyz方向向上行駛。

此時,設小車主動輪的起始方向為X軸方向的話,則小車主動輪需轉過θ角使小車沿Axyz的方向前進。由此可推導出小車轉向時所需轉過的角度為:θ=arctan?(Ay/Ax) 得出θ角后,就只需通過編寫程序使直流電機和舵機按照要求行駛即可。

而在車身設計上采用三輪驅動的形式。由前端一個可操縱的自由輪和后端兩個相連的牽引輪組成。前端的自由輪可操控的自由輪用于控制小車的轉向,后端的牽引輪用于控制小車的前進后退。這樣就可以同時精確控制轉向方向和行駛了。

不同于一般的Arduino作品尺寸較大的通病,為了使產品的尺寸盡量的小巧一些,以更合適兒童游玩,所以通過對小車的內部結構進行再設計,使零件與零件之間盡量的緊湊,以減少多余空間。 將電機和Arduino板、電機驅動板分別放置于有機玻璃板材了兩端,更加節省空間。

車輪與車身連接圖

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  1. 技術宅女改變世界。。。

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